第1章物质的聚集状态

无机及分析化学徐会君2015年9月

参考书武汉大学、吉林大学等编，《无机化学》上下册武汉大学:《分析化学》，高教出版社北京大学:《定量分析简明教程》(第二版)高鸿：《分析化学前沿》科学出版社考核方式平时成绩30%

作业+考勤(10%)+实验(20%)期末考试70%

预约实验须知本学期无机及分析化学实验，共8个必做实验：实验项目：各班班长转达实验地点：四号实验楼三楼起止时间：第6周至第13周方式：网上预约实验实验选课网址：62/huaxue/,上网后，输入学号，在“密码”中，输入123456作为临时密码。然后登陆，登陆后修改密码。

化学是一门在原子、分子、离子层次上研究物质的组成、结构、性质、变化及其内在联系和外界变化条件的科学。化学是研究物质变化的科学。化学是一门既古老又现代的学科

人类第一次认识和利用的化学反应——燃烧,利用燃烧制作了陶器、冶炼了青铜。炼丹家使用了燃烧、煅烧、蒸馏、升华等学基本操作。造纸、染色、酿造、火药发明无一不是经历无数化学反应的结果。18世纪未，化学实验室开始有了较精密的天平，使化学科学从对物质变化的简单定性研究进入到精密的定量研究。相继发现质量守恒定律当量定律定比定律19世纪初，道尔顿(J.Daltan)和阿佛加德罗分别创立了原子论和原子论-分子论。19世纪下半叶，热力学理论引入化学，从宏观角度解决了化学平衡的问题。生产酸、碱、合成氨、染料以及其它有机化合物，形成无机化学、分析化学、有机化学和物理化学四大基础学科。20世纪是化学取得巨大成就的世纪，化学的研究对象从微观世界到宏观世界，从人类社会到宇宙空间不断地发展。

20世纪生命化学的崛起给古老的生物学注入了新的活力。在新世纪中，化学必将给人类社会的进步起到越来越重要的作用。一、什么是无机及分析化学化学分析化学物理化学无机化学有机化学

第一章物质的聚集状态1.1分散系1.2气体1.3

溶液浓度的表示方法1.4稀溶液的通性1.5胶体溶液1.6高分子溶液和乳浊液1.1分散系—混合物分散系（dispersesystem）：一种或多种物质分散于另一种物质中的存在形式。分散相（dispersedphase）：被分散的物质，粒子间有间隔，或称不连续相。分散介质（dispersionmedium）：容纳分散相的均匀介质，或称连续相。烟,粉尘油墨,泥浆有色玻璃,某些合金气液固固云、雾牛奶,含水原油珍珠,蛋白石气液固液空气、家用煤气泡沫,汽水泡沫塑料气液固气实例分散介质分散相按聚集状态分类的各种分散系低分子或离子分散系(溶液)：分散相粒子直径小于1nm，。胶体分散系：分散相粒子直径在1~100nm之间，粗分散系：分散相粒子直径大于100nm，按分散相粒子大小分类的各种液态分散系1.2气体

1.2.1理想气体状态方程式

(idealorperfectgasequation)

PPa；Vm3；nmol；TK；R8.314J·mol-1·K-1理想气体:1.2.2理想气体分压定律气体的分压(pB)——气体混合物中，某一组分气体B对器壁所施加的压力。即等于相同温度下该气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。道尔顿分压定律——混合气体的总压力等于各组分气体的分压之和。

p=ΣpB

分体积定律在同温同压的条件下，气态物质的量与它的体积成正比，即：1.3溶液浓度的表示方法

mol·kg-1质量摩尔浓度量纲为1质量分数mol·L-1

物质的量浓度单位数学表达式名称1.3.5几种溶液浓度之间的关系

—溶液的密度;wB—溶质B的质量分数;1.物质的量浓度与质量分数

2.物质的量浓度与质量摩尔浓度

两组分系统，B组分含量较少，m

mA，稀的水溶液，则：1.4稀溶液的通性

溶液有两大类性质：1.与溶液中溶质的本性有关：颜色、导电性……2.与溶液中溶质的独立质点数有关

蒸气压下降2.沸点上升3.凝固点降低)4.渗透压依数性:1.4.1溶液蒸气压的下降

一、饱和蒸气压

(po)：密闭容器中的纯溶剂，蒸气压-温度曲线

蒸发

H2O(l)H2O(g)凝结

二、溶液的蒸气压下降——Raoult定律1、Raoult定律

在一定温度下,难挥发非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂物质的量分数的乘积。

p=p0

xA

p0：纯溶剂的蒸气压,p：溶液的蒸气压。2.溶液的蒸气降：Δp=p0xB

例已知293K时水的饱和蒸气压为2.338kPa，将6.840g蔗糖(C12H22O11)溶于100.0g水中，计算蔗糖溶液的质量摩尔浓度和蒸气压。解p=p0xA=2.338kPa×0.9964=2.330kPa1、液体的沸点Tb液体的沸点是液体的蒸气压等于外界压力时的温度。液体的正常沸点

是指外压为101.3kPa时的沸点。1.4.2溶液沸点的升高和疑固点下降

一.溶液的沸点升高

2、溶液的沸点Tb升高溶液的沸点总是高于溶剂的沸点，这一现象称之为溶液的沸点高。溶液沸点升高是由溶的蒸气压下降引起

ΔTb=Tb-Tb=Kb

bB

常见溶剂的Tb和Kb值溶剂Tb/℃Kb/(K·kg·mol-1)溶剂Tb0/℃Kb/(K·kg·mol-1)水1000.512四氯化碳76.75.03乙酸1182.93乙醚34.72.02苯802.53萘2185.80乙醇78.41.22

溶液的凝固点降低溶液的凝固点降低是溶液的蒸气压下降引起。ΔTf=Tf0-Tf

=Kf·bB二、溶液的凝固点降低

凝固点是指物质的固、液两相蒸气压相等时的温度。纯水的凝固点（273.15K）又称为冰点，在此温度水和冰的蒸气压相等。常见溶剂的Tb

Kb和Tf

Kf值溶剂Tb/℃Kf/(K·kg·mol-1)水1000.5120.01.86乙酸1182.9317.03.90苯802.535.55.10乙醇78.41.22-117.31.99四氯化碳76.75.03-22.932.0乙醚34.72.02-116.21.8萘2185.8080.06.9Kb/(K·kg·mol-1)Tf/℃溶液凝固点降低的应用：测定溶质的相对分子质量（特别是小分子）。

例将0.638g尿素溶于250g水中，测得此溶液的凝固点降低值为0.079K，试求尿素的相对分子质量。解估算溶质的相对分子质量有一质量分数为1.00%的水溶液，测得其凝固点为273.05K。计算溶质的相对分子质量。由于溶液的浓度较小，所以mA+mB≈mA，即mB/mA≈1.00%解：根据公式：Tf=Kf×bB

则有所以有溶质的相对分子质量为183例模拟海水样品1L中溶有主要物种的物质的量（以mol表示）如下所示，试计算此模拟样品的凝固点。

Na+:0.458Mg2+:0.052Ca2+:0.01K+:0.01Cl-:0.583HCO3-:0.002SO42-:0.028Br-:0.001解：c总

=b总

=0.458+0.052+0.01+0.01+0.583+0.002+0.028+0.001+0.001=1.144

ΔTf=Tf-Tf=Kf

bB=2.13C

冷冻剂工作原理食盐-冰（30gNaCl+100gH2O(s)）-22℃CaCl2-冰（42.5gCaCl2+100gH2O(s)）-55℃防冻剂工作原理汽车水箱可加入甘油、乙二醇等降低水的凝固点，避免水箱破裂。一、渗透现象和渗透压1.4.3溶液的渗透压

1、溶剂分子通过半透膜进入到溶液中的过程,称为渗透。2、半透膜，而溶质分子不能。3、渗透压为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力。单位:Pa或kPa。

Π=cBRT

其中cB—物质的量浓度(mol·L-1)

R—常数8.314J·K-1·mol-1

T—绝对温度

(273.15+t)

若半透膜隔开的浓度不等的两个非电解质溶液，为了防止渗透现象发生，必须在浓溶液液面上施加一超额压力，此压力是两溶液渗透压力之差。二、溶液的渗透压力与浓度及温度的关系

渗透压力在医学上的意义等渗、高渗和低渗溶液定义渗透活性物质（溶液中产生渗透效应的溶质粒子）的物质的量浓度为渗透浓度cos高渗溶液中等渗溶液中低渗溶液中医学上的等渗、高渗和低渗溶液是以血浆的渗透压力为标准确定的。正常人血浆的渗透浓度：303.7mmol·L-1临床上规定：

等渗溶液：cos280~320mmol·L-1

高渗溶液：cos

＞320mmol·L-1

低渗溶液：cos

＜280mmol·L-1正常人各种渗透活性物质的渗透浓度/mmol·L-1渗透活性物质血浆中组织间液中细胞内液中Na+1443710K+54.7141Ca2+2.52.4Mg2+1.51.431Cl-107112.74HCO3-2728.310HPO42-、H2PO4-2211SO42-0.50.51磷酸肌酸45肌肽14正常人各种渗透活性物质的渗透浓度/mmol·L-1渗透活性物质血浆中组织间液中细胞内液中氨基酸228肌酸0.20.29乳酸盐1.21.21.5三磷酸腺苷5一磷酸已糖3.7葡萄糖5.65.6SO42-0.50.51蛋白质1.20.24尿素444cos303.7302.2302.2例计算补液用50.0g·L-1葡萄糖溶液和9.00g·L-1NaCl溶液(生理盐水)的渗透浓度。解葡萄糖(C6H12O6)的摩尔质量为180g·mol-1，NaCl的摩尔质量为58.5g·mol-1，本节小结

1、稀溶液依数性定律成立的条件2、溶液蒸汽压降低引起沸点升高和凝固点降低胶体分散系

溶胶：固体分子、原子或离子的聚集体分散在液体介质中所形成的多相系统,有很大的相界面,很高的表面能。

热力学不稳定系统（如Fe(OH)3胶体和As2S3胶体等）

高分子溶液:高分子化合物以单个分子分散在介质中形成的均相的热力学稳定系统。真溶液。（淀粉溶液和蛋白质溶液等）1.5胶体溶液

凡粒子以1-100nm大小分散在另一物质中时就成为胶体分散系。

分散度(degreeofdispersion)－－－分散相在分散介质中分散的程度。

比表面(specificsurface)

－－－单位体积物质所具有的表面积。讨论：①比表面s常用来表示系统分散度。②s越大，系统分散度愈大，导致表面现象愈显著。1.5.1分散度和表面吸附

内部质点受到的总的作用力为零。

外部质点受到的来自各个方向的作用力的合力就不等于零。表面质点比内部质点所多余的能量---表面能。

溶胶粒子的大小与它相仿，因此溶胶粒子的表面能也相当大，它们有自动聚积成大颗粒而减少表面积的趋势。1g重的水珠，表面积为4.84×10-4m2,表面能为3.5×10-5J;

若将它分散成直径为10-9m(1nm)的微小水珠，则总面积达到6000m2，表面能高达434J

;雾变水滴稀AgNO3与过量的KI溶液反应制备的AgI溶胶AgI胶团结构吸附层扩散层{(AgI)m·nI·(nx)K+}x-·xK+

胶核电位离子反离子反离子胶粒胶团1.5.2胶团结构

溶胶具有扩散双电层结构－扩散层吸附层Cl－Cl－Cl－Cl－Cl－Cl－FeO＋FeO＋FeO＋FeO＋FeO＋FeO＋FeO＋FeO＋Cl－Cl－[Fe(OH)3]m胶核电位离子反离子反离子吸附层扩散层胶团溶胶粒子带电的主要原因

吸附作用：氢氧化铁溶胶，由于Fe(OH)3对FeO+的吸附因而溶胶带正电。电离作用：硅胶粒子带电就是因为H2SiO3电离形成HSiO3-或SiO32-，并附着在表面而带负电。H2SiO3＝HSiO3-

+H+＝SiO32-+2H+

1.5.3胶体溶液的性质

溶胶的光学性质溶胶的动力学性质溶胶的电学性质

胶体溶液的性质1.溶胶的光学性质

丁达尔效应：溶胶丁达尔效应光源透镜物质的颗粒直径小于入射波长小的话，则发生光的散射作用而出现丁达尔现象。因为溶胶的粒子直径在1-100nm，而一般可见光的波长范围在400-760nm。2.溶胶的动力学性质

布朗(Brown)运动：溶胶中的分散相粒子的不停息的和无规则的运动。

分散介质分子处于无规则的热运动状态,从各个方向不断撞击分散相粒子。3.溶胶的电学性质

电泳(electrophonesis)：在外电场作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象。－NaCl溶液Fe(OH)3溶胶+电泳示意图

图中Fe(OH)3溶胶在电场作用下向阴极方向移动，证明Fe(OH)3的胶体粒子是带正电荷的。1.5.4溶胶的稳定性和聚沉

溶胶的稳定性1.溶胶的稳定性

布朗运动

胶粒的双电层结构溶胶的聚结稳定性

溶剂化膜

溶胶的聚沉(胶粒从介质中析出的现象)

电解质作用——去电，去水合膜(溶剂化)∵加电解质，迫使反离子更多进入吸附层，∴扩散层变薄，稳定性↓

溶胶相互聚沉：胶粒电性相反的两种溶胶--适量混合----电性

中和加热可以使溶胶聚沉

高分子化合物对溶胶的保护与敏化作用聚沉值：一定量溶胶在一定时间内发生

聚沉所需电解质的最小浓度(单：mmol·L-1)规律：1.正溶胶－－－负离子负溶胶－－－正离子

2.反离子价↑，聚沉能力↑。聚沉值反比于Z6(∝1/Z6)3.同价离子聚沉能力接近，且正：H+＞……Li+

负：F-＞……CNS-4.一些有机物离子具有非常强的聚沉能力。明矾净水作用。天然水中胶态的悬浮物大多带负电，明矾在水中水解产生的Al(OH)3溶胶带正电，它们相互聚沉而使水净化。本节小结

胶体溶液的特性取决于胶体离子的大小和带电性。高分子化合物单个分子相对分子量在一万以上的大分子物质称为高分子化合物。如蛋白质、核酸、糖原都是在生命体的体液中具有生物活性的重要高分子物质；人体肌肉、组织；天然橡胶等也是高分子物质。根据来源可将高分子物质分为天然的和合成的高分子。1.6高分子溶液和乳浊液1.6.1高分子溶液高分子溶液形成特点：

与小分子化合物形成的明显不同是→要经过溶胀(溶剂慢慢进入卷曲的高分子链的空隙中，高分子缓慢舒展开来，体积↑)→逐步扩散到溶剂中去→完全溶解。高分子化合物溶液的基本性质

1.均相，热力学稳定性溶解在溶剂中形成高度水合或溶剂化

2.其溶解与析出过程具有可逆性。

3.对电解质不太敏感。∵高分子是一个高度水化系统，∴加少电解质不足以夺H2O分子而破坏水合层，大量电解质的加入→电解质破坏高分子水化层→聚沉盐析。4、粘度较大高分子溶液的粘度比真溶液或溶胶大得多。原因：1.高度溶剂化，使自由流动的溶剂减少。2.线状或分枝状结构，能牵引介质使它运动困难。高分子物质对溶胶的保护作用和絮凝作用

保护作用絮凝作用条件加入足量高分子溶液加极少量的高分子溶液原因高分子被吸附在胶粒表面→高分子吸附层将包裹胶粒，阻碍聚沉多个胶粒吸附在一个线型高分子链上，阻碍胶粒自由运动→促进聚沉图示

1.6.2乳状液乳状液:分散相和分散介质均为液体的粗分散系

能增加乳状液稳定性的物质称为乳化剂，乳化剂使乳状液稳定的作用称乳化作用。常用的乳化剂是一些表面活性剂。表面活性物的结构特点1、能显著降低表面张力的物质称表面活性物。表面活性剂吸附特点：1.极性部分溶于极性溶剂(水)，非→非(油)2.液液表面定向排列→薄膜，↓σ

极性基团—亲水(亲水头)：-OH，-COOH

非极性基团—疏水(亲脂性)：直链或有侧链的有机烷基两亲性界面吸附

表面活性剂在界面上的定向排列

临介胶束浓度

（criticalmicelleconcentration，CMC）

单体胶束单体柱状胶束球状胶束板层胶束

表面活性物质在生命科学中有重要的意义。如构成细胞膜的脂类（磷酯、糖酯等）以及由胆囊分泌的胆汁酸盐都是表面活性物质

乳状液中一相是极性大的物质（水），另一相为极性小的物质，称为油（包括极性小的有机溶剂）乳状液可分为：“水包油”（O/W型）“油包水”（W/O型）2.乳状液的类型2）主要取决于乳化剂。钠肥皂形成O/W型乳状液，因为钠肥皂大大降低水的界面能，水滴不易形成；钙肥皂只能溶于油而降低油的界面张力，故形成W/O型乳状液。3.乳状液类型的影响因素1）水和油的相对量；

胆汁酸盐的乳化作用使油脂具有很大的表面积，便于消化和吸收

消毒和杀菌用的药剂常制成乳剂，如煤酚皂溶液，以增加药物和细菌的接触面，提高药效。O/W型乳状液用水稀释，不引层；W/O型乳状液用水稀释，分层。乳状液的类型可用加水稀释法来鉴别。4.乳状液类型的鉴别

5.乳状液的应用本节小结

1、表面活性剂的特性取决于其结构2、乳化剂的作用3、乳浊液的类型及应用本章作业P231-14~1-17冬季草原上的空气主要含氮气(N2)、氧气(O2)和氩气(Ar)。在压力为9.7×104Pa及温度为-22℃时的一份空气试样经测定其中氮气、氧气和氩气的体积分数依次为0.780、0.21、0.010。计算收集试样时各气体的分压。解：p(N2)=0.78p=0.78×9.7×104Pa=7.6×104Pap(O2)=0.21p=0.21×9.7×104Pa=2.0×104Pap(Ar)=0.01p=0.01×9.7×104Pa=9.7×103Pa相对原子质量和相对分子质量

具有确定质子数和中子数的一类单核粒子称为核素。

元素是具有相同质子数的一类单核粒子的总称。

质子数相等而中子数不等的同一元素的一些原子品种互称为同位素。

自然界中氧就有三种同位素:

16O17O18O含量/%99.7590.0370.204

碳有两种同位素：

12C13C相对含量/%98.8921.108相对原子质量(Ar)

被定义为元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比，以往被称为原子量。例如：Ar(H)=1.0079

Ar(O)=15.999相对分子质量(Mr)被定义为物质的分子或特定单元的平均质量与核素12C原子质量的1/12之比.(以前被称为分子量)例如：Mr(H2O)=18.0148≈18.01

Mr(NaCl)=58.443≈58.44物质的量及其单位

是用于计量指定的微观基本单元(如分子、原子、离子、电子等微观粒子)或其特定组合的一个物理量。符号为n

单位为摩[尔]（mole）、mol物质的量

系统中的物质的量若为１摩尔，表示该系统中所包含的基本单元数与0.012kg12C的原子数目相等。

0.012kg12C所含的碳原子数目6.022×1023个)称为阿伏加德罗常数[Avogadro]（NA）。

指明基本单位(以化学式表示)否则示意不明。例如:笼统说“1mol氢”难以断定是指1mol氢分子还是指1mol氢原子或1mol氢离子

在混合物中，B的物质的量(nB)与混合物的物质的量(n)之比，称为组分B的物质的量分数(xB)，又称B的摩尔分数。如含1molO2和4molN2的混合气体中,O2和N2的摩尔分数分别为：x(O2)=1mol/(1+4)mol=1/5

x(N2)=4mol/(1+4)mol=4/5摩尔分数例如

1molH2的质量为2.02×10-3kgH2的摩尔质量为2.02×10-3kg·mol-1摩尔质量某物质的质量(m)除以该物质的物质的量(n)M=m/n

M的单位kg·mol-1或g·mol-1

例如在标准状况(STP)(273.15K及101.325kPa下)，任何理想气体的摩尔体积为：Vm,273.15K=0.022414m3·mol-1

=22.414L·mol-1≈22.4L·mol-1摩尔体积某气体物质的体积(V)除以该气体物质的量(n)Vm=V/n化学计量化合物和非计量化合物

能表明组成化学物质的各元素原子数目之间最简单的整数比关系，因此又称最简式化学式分子式能表明分子型物质中一个分子所包含的各种元素原子的数目。分子式可能和最简式相同，也可能是最简式的整数倍。例如分子型物质化学式分子式气态氯化铝AlCl3Al2Cl6水H2OH2O对于那些非分子型物质,只能用最简式表示例如：离子型化合物氯化钠，习惯上以最简式NaCl表示。化学计量化合物具有确定组成且各种元素的原子互成简单整数比的化合物，这类化合物又称整比化合物或道尔顿体。例如：一氧化碳中氧与碳质量比恒为4∶3原子比恒为1∶1非化学计量化合物组成可在一个较小范围内变动，而又保持基本结构不变的化合物，这类化合物偏离了原子互为整数比的关系，又称为非整比化合物或贝多莱体。例如:还原WO3

或加热WO2

与WO3

的混合物，均可制得WO2.92。又如:方铁矿的物