第二章水基分散系

第二章水基分散系Chapter2WaterDispersedSystem分散体系

稀溶液的依数性胶体分散体系1§2-1分散体系

DispersedSystem一、分散体系:一（几）种物质的细小粒子分散于另一种物质中形成分散体系被分散的物质——

分散相使分散相分散在其中的物质——

分散介质solutions,alloys合金,air?Whatarethey?相:体系中物理和化学性质完全相同的均匀部分。相间有明显界面。2按分散质的粒子大小：粗分散体系：D>10-6m>

1000

nm

分子或离子分散体系：D<10-9m

<0.1~1nm

胶体分散体系：10-9m

<D<10-6m1~1000nm

多相体系：乳浊液，悬浊液，如泥浆水(悬浊液）、牛奶、豆浆等，肉眼或在显微镜下可观察到微粒，静置易沉淀，是一种不稳定的体系单相体系如溶液，是一种稳定的体系高度分散的多相体系：溶胶，凝胶如天然水中的杂质、蛋清等。外观与溶液相似，但透光可观察到“丁泽尔效应”。能保持相对的稳定。3胶体分散体系

1～1000nm分子,离子的聚集体多相

Heterogeneous胶体溶液(Colloid溶胶）Fe(OH)3，[Fe(OH)3]n

溶于H2O 粗分散体系1000nm～10um比胶粒大,甚至肉眼可见多相Heterogeneous粗分散体系泥浆水Suspension悬浊液

OilyFat油脂溶于H2OEmulsion乳浊液分散体系分子,离子分散体系0.1～1nm分子,离子均相Homogeneous真溶液NaCl溶于H2ORubber橡胶溶于Benzene4§2-2溶液分散体系2-2-1溶液概述及浓度表示方法

定义:一种物质以分子或离子的状态均匀地分布在另一种物质中得到的分散系统称为溶液。量少的称溶质(Solute),量多的为溶剂(Solvent).溶解---溶质均匀分散于溶剂中的过程是个既有化学变化，又有物理变化的复杂过程常伴随：颜色变化，体积变化，能量变化5溶液浓度的表示方法：物质的量分数（摩尔分数molefraction

）：某一溶质的物质的量与全部溶质和溶剂的物质的量之比。无量纲即可用溶剂与溶质的相对量来表示,也可用一定体积溶液中所含溶质的量来表示。质量分数（质量百分比masspercent

）：溶质的质量在全部溶液的质量所占的分数。无量纲6物质的量浓度（摩尔浓度，体积摩尔浓度Molarconcentrationinvolume）

：用每立方分米（每升）溶液中所含溶质的物质的量来表示质量摩尔浓度（molality）

：

1000g溶剂中含溶质的物质的量。常用符号m表示，单位为mol·kg1

。在浓度很稀的水溶液中，质量摩尔浓度数值上等于物质的量浓度原因用符号C或[]表示，单位为mol·dm3或mol·L172-2-1稀溶液的性质--依数性

ColligativePropertiesofDiluteSolutions溶液蒸气压下降(vapor-pressurelowering)溶液的沸点上升(boiling-pointelevation)、凝固点下降(freezing-pointdepression)溶液的渗透压(osmoticpressure)8一、依数性溶解是一物理化学过程，溶质和溶剂性质均起变化：

决定于溶质的本性，如颜色、体积、比重、导电性等原因：生成溶剂合物

H2SO4,HCl,HNO3,H2CO3,HAc的溶液都显酸性

NaOH,Na2CO3,NaAC,NH3的溶液都显碱性盐溶液是咸的，糖溶液是甜的，醋是酸的，酒有醇香香水有香味，氨水有氨的刺激性臭味硫酸铜溶液呈蓝色，高锰酸钾溶液呈紫红色

这一大类溶液的这些性质特征主要是由溶质的特性所决定的9溶液的这种只与溶质和溶剂微粒数之比有关，而与溶质的本性无关的性质称为依数性。决定于溶液的浓度，与溶质的本性无关;只与溶质和溶剂微粒数之比有关。原因：溶质微粒分散到溶液中，致使溶剂的自由分子浓度减小10本节讨论的是难挥发的非电解质稀溶液的依数性任何溶液都有依数性，只有难挥发的非电解质稀溶液的依数性有一定的定量规律。

思考：难挥发的电解质稀溶液的依数性如何？1、蒸气压下降（Theloweringofthevaporpressure)2、沸点上升(Theelevationoftheboilingpoint)3、凝固点降低(Thedepressionofthefreezingpoint)4、渗透压(Thephenomenonofosmoticpressure)通常所说的“依数性”，包括四个方面：注意！！11二、纯溶剂的饱和蒸气压纯溶剂置于密闭容器中，开始时，液面上能量较大的分子会克服液体分子的引力从表面溢出变为蒸气分子，此过程称为蒸发。同时随着蒸气分子的增多，某些蒸气分子有可能撞到面，被液体分子所吸引而重新进入液体内，又变为液体分子，这一过程称为凝聚。H2O(l)H2O(g)EvaporationCondensation由于液体（纯溶剂）在一定温度时的蒸发速率是恒定的，蒸发刚开始时，凝聚速率很小，但随蒸气浓度的增大而随之加大，当凝聚速率与蒸发速率相等时，即为平衡状态。

在一定温度下，达到平衡时，蒸汽所具有的压力称为该温度下纯溶剂的饱和蒸气压。12汽化（蒸发）：液体表面能量较大的分子，克服分子间的引力，逸出液体表面进入液体上面的空间。凝聚：气相中的分子，可能与液体表面发生碰撞，并被周围的液体分子所吸引，重新回到液相。饱和蒸气压：当汽化速率=凝聚速率，达到平衡，此时蒸气压为一定值。称为饱和蒸气压。13蒸气压是液体的特征之一，它与液体的量和在液体上方的蒸气体积无关。但与温度和液体的性质有关。液体的蒸气压随温度升高而增大。对于指定的液体，在一定温度下，其饱和蒸气压为定值。**蒸气压表达了一定的温度下，液体蒸发的难易程度。它是液体分子间作用力大小的反映。分子间作用力越弱，液体越易蒸发，蒸气压越高。除液体外，固体也有饱和蒸气压。如干冰、萘、碘等固体，蒸气压很大，可直接由固体变成气体（升华）。饱和蒸气压与温度密切相关——蒸气压—温度曲线蒸气压要点：14溶剂的饱和蒸气压与溶剂的性质、温度相关。

在318k，水、乙醇、乙醚的蒸气压分别为2.34kPa,5.83kPa,58.7kPa。挥发性:乙醚>乙醇>水.原因：分子极性依次减弱，分子间引力依次减小。TDiethylether

乙醚

Ethanol

乙醇Water1atm34.6℃100℃p温度升高，蒸气压增大15三、溶液的依数性--蒸气压下降溶液的蒸气压下降指在同一温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压要小，它们之间的差值，叫“溶液的蒸气压下降”。溶液的蒸气压在此指溶液中溶剂的蒸气压。溶液的饱和蒸气压同样与温度密切相关：说明：16将少量可溶性、难挥发的非电解质溶解于溶剂中形成稀溶液，此时溶剂的部分表面被溶质分子占据，使得单位表面所能逸出的溶剂的分子个数减少，故达到相平衡时，溶液的蒸气压必然低于纯溶剂的饱和蒸气压。溶液的浓度越大，溶液的蒸气压下降得越多。

定性解释Why？17定量计算--拉乌尔定律1887年法国物理学家拉乌尔（F.M.Raoult）根据大量实验结果得出下列规律：在一定温度下，非挥发的非电解质稀溶液的蒸气压下降与溶液中溶质的摩尔分数成正比，而与溶质的本性无关。

蒸气压下降溶质的摩尔分数纯溶剂蒸气压溶剂物质的量溶质物质的量Raoult1830~1901France18例题：蒸气压大小？(1)0.1mol·L1

HAc(2)0.1mol·L1

NaCl

(3)0.1mol·L1H2SO4(4)0.1mol·L1glucose解：溶解物种的浓度为0.1mol·L1H2SO4>0.1mol·L1

NaCl>0.1mol·L1

HAc>0.1mol·L1glucose（葡萄糖）.据拉乌尔定律，则蒸气压下降值顺序同上则蒸气压大小：0.1mol·L1H2SO4<0.1mol·L1

NaCl<0.1mol·L1

HAc<0.1mol·L1glucose.（与下降值相反）19溶液的蒸气压下降是引起溶液的沸点升高、凝固点下降及产生渗透压的根本原因。20四、溶液的沸点上升和凝固点下降

液体的沸点、凝固点：At100℃,p饱和

(H2O,l)=pө=1atm=101.3kPaAt0℃，p(H2O,g)=610.6Pa=p(H2O,s)当液体的蒸气压等于外界压力时，液体开始沸腾，此时温度叫做该液体的沸点

EvaporationCondensationH2O(l)H2O(g)当液体的蒸气压与其固体的蒸气压相等时，液体开始凝固，此时的温度叫做该液体的凝固点

H2O(l)H2O(s)freezemelt一定压力下的21什么是物质的凝固点？一种物质的凝固点或熔点是指一定外部压力下该物质的固液两相蒸气压相等时的温度。

22从蒸气压曲线理解:

什么是纯液体的沸点和凝固点什么是溶液的沸点和凝固点为什么溶液的沸点上升、凝固点下降？pTTbpTbpTfpwatersteamice0℃100℃PurewatersolutionTfp101.3kPa0.610kPaPT23定性解释沸点上升

因为含有非挥发性溶质的溶液上方蒸气压始终低于同温度下纯溶剂上方的蒸气压，故在原纯溶剂沸点温度时，溶液上方蒸气压低于外界压力，不能开始沸腾，所以必须再升温至溶液上方蒸气压等于外界压力时，溶液才能沸腾，那么此沸点一定高于纯溶剂的沸点。

液体的蒸气压等于外界压力时，液体开始沸腾蒸气压下降！24凝固点下降

由于在溶剂凝固点时，溶液上方的蒸气压低于纯溶剂蒸气压（指溶剂固态上方的蒸气压）时，故无法使溶液凝固，只有继续降温，虽然降温一方面使溶液上方蒸气压下降，但另一方面由于溶剂固态上方蒸气压随温度下降而迅速下降，故至两曲线相交（图表）之处，即溶液上方蒸气压与溶剂固态上方蒸气压相等之时，溶液就会凝固，所以溶液的凝固点一定低于纯溶剂的凝固点。

要点：

溶剂固态蒸汽压随温度下降的速度快于溶液蒸汽压的下降速度溶剂溶液固液两相蒸汽压相等时的温度25定量计算--拉乌尔定律溶液的沸点上升和凝固点下降与溶液的溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质的本性无关。ΔTbp=Kbp·mΔTfp=Kfp·mandKbp、Kfp

为溶剂的沸点升高常数、凝固点下降常数，两者与溶剂的性质相关。m是溶液中溶质的质量摩尔浓度。!？其数学表达式为：

26溶剂沸点/KKb/K•kg•mol-1凝固点/KKf/K•kg•mol-1水373.10.5122731.85~1.87氯仿334.33.63//苯353.22.53278.74.90醋酸391.03.07289.83.90萘491.15.80351.36.8～6.927溶液的沸点上升和凝固点下降的应用：求溶质的摩尔质量（物质的分子量），一般对同一溶剂，Kfp大于Kbp，相同浓度溶液的凝固点下降较沸点上升大，故凝固点下降法常用。

汽车水箱加入醇类（如乙二醇，甲醇，甘油）防冻。

冰盐混合物做冷冻剂

测定熔点、沸点检验化合物纯度撒盐除积雪28例题：为防止汽车水箱在寒冷季节冻裂，需使水的凝固点下降至253K，则在每千克水中应加入甘油多少克？（甘油分子式为C3H8O3，其摩尔质量M为92g·mol-1）

解：纯水的凝固点为273K，查表得水溶剂的凝固点下降常数

Kfp

=1.86，由拉乌尔定律可知：ΔTfp=Kfp·m

ΔTfp=（273.0-253.0）K=20.0K,Kfp

=1.86，则：20.0K=1.86·m

解得

m=10.75mol·kg-1(指每千克水中应加入10.75mol甘油)

那么W=10.75mol92g·mol-1=989g

故应在每千克水中加入989克甘油，才能达到目的29糖水的蒸气压低于纯水的蒸气压空气中只有水分子能通过纯水糖水放置一段时间后！五、溶液的渗透压

Osmoticpressure30液柱产生的静压力阻止了水继续向管中渗透阻止渗透所需要的外界静压力，叫渗透压，记作。31

半透膜是一种特殊的多孔分离膜，它可以选择性地让溶剂分子通过而不让溶质分子通过。用半透膜把溶剂和溶液隔开时，纯溶剂和溶液中的溶剂都将通过半透膜向另一边扩散，但是由于纯溶剂的蒸气压大于溶液的蒸气压，所以净的宏观结果是溶剂将通过半透膜向溶液扩散，这一现象称为渗透。为了阻止这种渗透作用，必须在溶液一边施加相应的压力。这种为了阻止溶剂分子渗透而必须在溶液上方施加的最小额外压力就是渗透压。

半透膜、渗透、渗透压32渗透

溶剂分子通过半透膜的单方向的扩散现象渗透压定义

溶剂分子能自发从浓度稀的溶液中通过半透膜渗入浓度浓的溶液的现象叫做渗透现象(渗透作用）同理溶剂分子也能自发从纯溶剂液体中通过半透膜渗入溶液中。将能阻止渗透作用的最小压力称为该溶液的渗透压。

33因为溶液上方的蒸汽压低于同温度下纯溶剂上方的蒸汽压，故溶液与纯溶剂之间若用半透膜隔开，则发现两边的压力不同，而且纯溶剂一边上方蒸汽压大于溶液一边上方蒸汽压。所以会导致溶剂分子自发从溶剂中通过半透膜渗入溶液中，使溶液的液面上升。要使渗透作用消除，必需在溶液一边施加一定压力使两边液面保持同一平面。这外加的压力就是溶液所具有的渗透压,当然溶液浓度越大，渗透压越大。溶剂向溶液渗透的压力溶液具有渗透压的定性解释34溶液溶剂hp半透膜溶液溶剂p半透膜P＋∏引起原因与气体压力不同：溶液蒸气压下降35定量计算--范特荷莆公式

1886年荷兰物理化学家范特荷莆（J.H.VantHoff）指出“非挥发性，非电解质的稀溶液的渗透压与溶液的浓度和温度的关系同理想气体方程式一致”

ΠV=n

RTor

Π=c

RT式中∏为溶液的渗透压，单位为Pa；V为体积，单位为m3，n为溶质的物质的量（mol数）,c为溶质的浓度，单位为mol․m-3。R为摩尔气体常数，取值为8.314，单位为Pa∙

m3∙

K-1∙

mol-1。Pa∙m3=J1852~1911Netherland36Examples∏=306Pa,V=1×10-3m3，R=8.314Pa․m3․K-1․mol-1

T=298K,则故鸡蛋白的平均摩尔质量为40500g․mol-1

例题1：将5.0克鸡蛋白溶于水中并制成1dm3溶液，测得该溶液在298k时渗透压为306Pa，试求鸡蛋白的平均摩尔质量。解：由公式计算ΠV=n

RT=（w/M）RT

式中W=5.0g,M为题中要求的鸡蛋白的平均摩尔质量。

常利用渗透压测定分子量较高的物质的摩尔质量37例题2：37℃时，血液的渗透压为775kPa.，葡萄糖静脉注射液的浓度为多少时，其渗透压与血液的相当？解:据公式

Π=c

RT

有

775=c

8.314310

则：c

=(7758.314310)=0.3（mol.L1）输入溶液的渗透压低（低渗），使得红血球撑破.输入溶液的渗透压高（高渗），使红血球收缩失水有机体的细胞膜具有半透膜的性质，许多生命现象与渗透有关静脉注射：生理盐水0.9%,葡萄糖5%38渗透现象与生命活动密切相关，因为细胞是构成生命的基本结构单元，而细胞膜就是典型的性能优异的天然半透膜，同时动植物组织内的许多膜（如毛细管壁，红血球的膜等）也都具有半透膜的功能。红血球在水中溶胀和破裂游泳后眼球充血39果蔬的腌制脱水过程煮肉时会有血水渗出H2O浓溶液40总结：依数定律（稀溶液定律）难挥发溶质的稀溶液的某些性质，如溶液的蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压等，与一定量溶剂（或一定体积的溶液）中所溶解的溶质的量成正比，而与溶质的本性无关。统称稀溶液的依数性41例：4.5g某难挥发的非电解质溶质和125g水配制成溶液125ml，此溶液的凝固点是-0.372℃,求算（1）溶质的摩尔质量；（2）该溶液的沸点；（3）该溶液在25℃时的渗透压；（4）该溶液在25℃时的蒸气压。解：首先，可以从表2－2中查得水的Kb和Kf分别为0.512及1.86K•kg·mol-1

(1)根据凝固点下降公式(2－4)可以计算出溶质的质量摩尔浓度，△Tf＝Kfm0.372K＝(1.86K•kg/mol－1)·mm＝0.372K/(1.86K•kg·mol-1)=0.200mol/kg42再根据溶质和溶剂的质量可算出溶质的摩尔数和摩尔质量溶质的摩尔数n＝（0.200mol溶质/kg溶剂）×0.125kg溶剂＝0.0250mol

溶质的摩尔质量m＝4.5g/0.0250mol＝180g/mol(2)根据沸点上升公式(2－3)，△Tb＝Kbm△Tb＝0.512K•kg/mol×0.200mol/kg＝0.1024K

所以溶液的沸点＝373K＋0.1024K＝373.1024K≈100.1020C43(3)根据稀溶液的渗透压公式(2-5):π=nRT/V=cRTπ＝0.025mol×8.314J.K-1.mol-1×298K/125×10－6m3

＝4.955×105Pa(4)根据蒸气压下降公式(2-1):△p

＝

pox1

＝po（1－x2）溶质的摩尔数为n1

＝0.025mol

溶剂的摩尔数为n2

＝125g/18g.mol-1

＝6.944mol

所以x1

＝0.025/(6.944+0.025)＝3.58×10－3

查表得知，25℃时水的蒸气压po为3.17×103Pa△p

＝pox1

＝3.17×103Pa×3.58×10－3

＝11.0Pa

该溶液的蒸气压＝3170Pa－11Pa

＝3159Pa≈3.16×103Pa44本章讨论的对象：分散质为固体的溶胶系统。分散相以粒径10-9m<D<10-6m分散于分散剂中所形成的多相体系。1、胶体的种类按分散介相状态的不同溶胶(sol)

分散介质为液体的胶体分散体系。例如：乳状液(分散质为液体),泡沫(分散质为气体)气溶胶(aerosol)

分散介质为气体的胶体分散体系。胶体§2-3胶体分散体系452、胶体的制备分散法研磨法:大颗粒直接磨细,常加稳定剂如丹宁、明胶超声法：利用超声波分散胶溶法：新生成的沉淀物加入适宜的电解质做胶凝剂分散转化电弧法：电弧使金属原子蒸发，在于分散介质中凝聚，常制备金属溶胶

化学反应法

水解反应：

FeCl3(aq）+3H2O→Fe(OH)3(sol）+3HCl↑

氧化还原反应：

2HAuCl4(aq)+6K2CO3+3HClO→2Au(Sol)+5CO2+8KCl+2H2O

复分解反应：

2H3AsO3(aq)+3H2S→As2S3(sol)+6H2O变更溶剂的物理凝聚法

松香的酒精溶液滴入水中，溶于酒精中的松香会以胶粒大小析出，形成松香凝胶。凝聚法使分散质的微粒直径:10-9m

<D<10-6m463、胶体的性质（1）光学性质——丁达尔现象Tyndall(1820～1893年

)English与光束垂直的方向有光柱

1869年，英国科学家丁达尔发现了丁达尔现象.

胶体中分散质微粒对可见光（400~700nm）散射而形成。用于胶体与溶液的鉴别。47

产生原因:光的散射光射到微粒上可以发生两种情况:

当微粒直径大于入射光波长很多倍时，发生光的反射；微粒直径小于入射光的波长时，发生光的散射，散射光称乳光。

散射光的强度，随着颗粒半径增加而变化。悬(乳)浊液分散质微粒直径太大，对于入射光只有反射而不散射；溶液里溶质微粒太小，对于入射光散射很微弱，观察不到丁达尔现象；只有溶胶才有比较明显的乳光，这时微粒好像一个发光体，无数发光体散射结果，就形成了光的通路。

散射光的强度，还随着微粒浓度增大而增加，因此进行实验时，溶胶浓度不要太稀48

溶胶透过散射反射Tyndall效应产生原因:光的散射现象真溶液粗分散系

λ＞＞r粒子λ＞r粒子λ＜r粒子出现丁达尔现象越接近r粒子，散射越强。用红光作信号灯（可穿透浓雾）λ越长，散色越弱，穿透越强。λ蓝色光接近天空中微粒半径，天空是蓝色。49天空为何是蓝的?海水为何是蓝的?科学史上几个令人深思的故事:瑞利拉曼上约里奥.居里查德威克溴的发现50RobertBrown1773~1858ScotlandBotanistBrown用超级显微镜（2）动力学性质——布朗运动

51胶体粒子做布朗运动是本身热运动分散介质分子对它撞击总结果Brown运动特点:

(1)

是胶体微粒无规则的热运动

(2)

粒子越小，布朗运动越剧烈

(3)

温度升高，布朗运动越剧烈52电泳：在电场作用下，带电质点在介质中的定向移动现象。电渗：分散介质在外电场作用下通过多孔固体的迁移现象。水带正电荷，向负极迁移——电渗（3）电学性质——电泳和电渗Fe(OH)3+As2S3SAu-粘土微粒带负电荷，向正极迁移——电泳电泳与电渗是胶粒带电引起的电动现象的不同表现形式电泳应用：生化物质如蛋白质、核酸分子的分离电渗应用：水的净化53胶体溶液中，胶体粒子和分散介质之间存在一定界面，胶体粒子较小，具有很大的比表面积，能量很高。为降低能量，要吸附其它物质，表现出强烈的吸附作用。物理吸附无选择性化学吸附有选择性混合吸附（4）表面性质——吸附作用物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子的现象。产生原因：界面上的粒子和固体内部的粒子所处的情况不同。

优先吸附与它组成有关，且环境中较多的离子胶粒结构与所带电荷54Ag+I-K+NO3-当KI过量时：［(AgI)mnI-1(n-x)K+]x-xK+AgNO3+KI=AgI+KNO3当AgNO3

过量时：［(AgI)mnAg+(n-x)NO3-]x+xNO3-必须有“血缘关系”4、胶团的结构原因:吸附作用55［(AgI)mnI-1(n-x)K+]x-xK+胶粒胶团胶核电位离子反离子反离子吸附层扩散层

[(AgI)m

·nAg+

·(n-x)NO3-]x+·xNO3-胶核电位离子反离子反离子吸附层扩散层胶粒（带电）胶团（电中性）56(AgI)m胶核胶粒胶团结构示意图Ag+（电位离子）NO3-（反离子）吸附层扩散层57扩散层胶粒原扩散层扩散层新形成的扩散层胶粒运动示意图585、溶胶的特征（1）高分散度（2）多相体系（3）热力学不稳定：有自动聚结变大、沉淀的趋势（4）不可逆性：沉淀后不可逆转热力学不稳定，具有动力学稳定性。596、溶胶的稳定性

原因：（1）带电；胶粒带有相同电荷，相互排斥的结果阻碍粒子的充分接近，使聚沉受阻。（2）Brown运动（3）溶剂化作用离子的水化层的形成

——胶核吸附的电位离子和反电位离子都能水化，因而在胶粒周围形成一水化层，从而阻止了胶粒间的相互接近，同时在一定程度上阻止了胶粒和带相反电荷离子相结合。稳定性是相对的，有条件的。60长久放置