基础应用化学（高职）全套教学课件

第一章

物质结构全套可编辑PPT课件第1章-物质结构第2章-溶液和胶体第3章-化学反应速率和化学平衡第4章-分析化学基础知识第5章-酸碱平衡与酸碱滴定法第6章-沉淀溶解平衡与沉淀滴定法第7章-氧化还原平衡与氧化还原滴定法第8章-配位平衡与配位滴定法第9章-分光光度法第10章-电势分析法第11章-元素及重要的化合物第12章-烃第13章-对映异构第14章-卤代烃第15章-醇、酚、醚第16章-醛、酮、醌第17章-羧酸及其衍生物第18章-有机含氮化合物第19章-杂环化合物与生物碱第20章-生物高分子目录CONTENTS12原子结构与元素周期系化学键和分子结构

不同的物质性质各不相同，这是由物质的结构所决定的。科学研究发现，大部分物质都是由极微小的粒子组成的，我们把其中保持物质化学性质的最小微粒叫做分子。分子由原子构成，原子是指化学反应的基本微粒，在化学反应中原子的数量和种类都不会发生变化。原子学说最初由约翰·道尔顿（John·Dalton，1766～1844，英国化学家和物理学家）创立。1869年，阴极射线发现以后，科学家们又证实了电子的存在。原子能释放出带负电的电子，这就说明原子内部还有结构，即原子核，它能和电子所带的负电中和，使原子呈中性。那么，电子是以什么状态存在于原子内部的？带负电的电子和带正电的原子核是怎样相互作用的？分子内部的结构式什么样的？带着这些问题，让我们一起学习本章的内容。PART1原子结构与元素周期系原子结构与元素周期系（一）原子核外电子运动状态1、电子云的概念化学反应是以原子反应为基础的，在化学反应中，通常原子核是不发生变化的，主要是原子核外电子在运动。电子带负电荷，质量很小，仅为，它在原子这样大小的空间（直径约为）内运动，速度很快，接近光速。电子的运动情形与质量大的宏观物体不同，它不是沿着一定的轨道绕核运转，而是在原子核周围空间的各区域里无序地运动着，犹如笼罩在核外周围的一层带电云雾，我们形象地称其为电子云。另外，由于电子在原子核外同不区域出现的几率不同，我们通常用小黑点来表示核外电子在某处出现的几率大小。小黑点密，说明电子云密度值大，即电子在该处出现的几率大；小黑点疏，说明电子云密度值小，即电子在该处出现的几率小。电子出现机会最大的区域，就是电子云密度最大的地方。把电子出现的几率相等的地方联接起来的线，称为等密度线，亦称电子云的界面，这个界面所包括的空间范围称为原子轨道。原子结构与元素周期系（一）原子核外电子运动状态2、原子核外电子运动状态1924年，法国物理学家德布罗意根据光的波粒二象性（wave-particleduality，指某物质同时具备波及粒子的特质）规律提出了实物粒子如电子、原子等微粒也像光一样，也具有波粒二象性的假设，后来科学家证实了这一假设。由于微观粒子具有波粒二象性的特点，因此不能同时准确测定其位置和动量。要描述一个电子的运动状态，需要用到四个量子数（n，l，m，ms）。原子结构与元素周期系（一）原子核外电子运动状态2、原子核外电子运动状态1）主量子数n

主量子数n描述的是原子中电子出现几率最大区域离核的远近，它是决定电子能量高低的主要因素。在多电子原子里，各个电子所具有的能量并不相同。能量较高的电子通常在离核较远的区域内运动；能量较低的电子通常在离核较近的区域内运动。根据电子能量的高低和运动区域离核远近的不同，可以将核外电子分成不同的电子层，电子就在相应的电子层上运动。原子结构与元素周期系（一）原子核外电子运动状态2、原子核外电子运动状态1）主量子数n主量子数n的取值为1，2，3…等正整数。离核最近的为第一层，n＝1；第二层n＝2；第三层n＝3……在光谱学上还使用大写字母来表示电子层数，对应如表所示。主量子数1234567电子层符号KLMNOPQ电子云形状相同时，电子所处电子层数越大，说明电子离核越远，电子的能量也就越高。由于n只能取正整数，所以电子的能量是不连续的，或者说能量是量子化的。原子结构与元素周期系（一）原子核外电子运动状态2、原子核外电子运动状态2）角量子数l

角量子数l描述的是电子在原子核外出现的概率密度随空间角度的变化，它决定了原子轨道或电子云的形状。处在同一电子层的电子，其能量也不完全相同，通过角量子数我们可以确定某一电子所处的电子亚层及电子云的形状。换句话说，角量子数和主量子数一起决定了电子的能级。l只能取小于n的正整数，即0，1，2，…，n－1。每一个l的取值代表一个亚层，由内向外依次用s，p，d，f等表示，如表所示。当n的取值相同时，不同亚层的电子能量按s，p，d，f的顺序逐渐增大。不同的电子亚层有不同的电子云形状：s亚层电子云是以原子核为中心的球形，p亚层的电子云是纺锤形（或哑铃形），d亚层的电子云是四瓣梅花形（或十字花瓣形），f亚层电子云形状比较复杂，本书不做讨论。n1234l00，10，1，20，1，2，3亚层符号ss，ps，p，ds，p，d，f原子结构与元素周期系（一）原子核外电子运动状态2、原子核外电子运动状态3）磁量子数m磁量子数规定电子运动状态（或电子云）在空间的伸展方向。电子云在空间的每一个伸展方向称作一个轨道。同一电子亚层中磁量子数不同不影响电子的能量。m的数值受角量子数限制，可取0，±1，±2，…，±l，共2l+1个值。也就是说，l亚层共有2l+1个原子轨道。例如：第一电子层n=1，l的取值只能是0，即只有一个亚层s层，m的取值也只能有一个数值0，即只有1个轨道。第三电子层n=3，l可以取0、1、2三个数值，也就是说有三个电子亚层，分别对应s亚层、p亚层、d亚层。l取0时m的取值也只能有一个数值0，说明电子云只有一个伸展方向，即s亚层只有1个轨道；l取1时m的取值可以是0，+1，-1三个数值，说明电子云有三个伸展方向，也就是对应了3个轨道，即p亚层有3个轨道；l取2时m的取值可以是0，+1，–1，+2，–2五个数值，说明电子云有五个伸展方向，也就是对应了5个轨道，即d亚层有5个轨道，最终第三电子层共有1+3+5=9九个轨道。每个电子层可能有最多原子轨道数应为n2。各电子层的原子轨道数如表所示。原子结构与元素周期系3）磁量子数m电子层n电子亚层l亚层符号磁量子数m轨道数10s0120s041p0，+1，-130s091p0，+1，-12d0，+1，-1，+2，-240s0161p0，+1，-12d0，+1，-1，+2，-23f0，+1，-1，+2，-2，+3，-3

各电子层的原子轨道数原子结构与元素周期系3）磁量子数m

由以上3个量子数就可以确定一个原子轨道离核的远近、形状和在空间的伸展方向，如氢原子的1s、2p、3d电子云分别如图所示。原子结构与元素周期系（一）原子核外电子运动状态2、原子核外电子运动状态4）自旋量子数ms用以上3个量子数就可以确定原子轨道的波函数表达式。但根据科学家的的进一步研究表明，电子除了做轨道运动外，还做自旋运动，因此，还需要第4个量子数——自旋量子数ms，来描述电子的自旋状态。电子在核外的自旋运动有两个相反的方向，因此自旋量子数只能取两个值，即ms=±1/2。通常用“↑”和“↓”来表示电子的两种自旋状态，即顺时针自旋和逆时针自旋。每个轨道最多只能容纳2个电子且这2个电子的自旋方向是相反的。这是由于自旋方向相同的两个电子相互排斥，不能在同一轨道内运动，而自旋方向相反的两个电子相互吸引，可以在同一个原子轨道内运动。原子结构与元素周期系下表展示了电子运动的各量子数和原子轨道，以及电子层可容纳的电子数。量子数原子轨道电子层可容纳电子数nlmms轨道名称电子数1（K）00+1/2，-1/21s222（L）00+1/2，-1/22s281+1+1/2，-1/22p60+1/2，-1/2-1+1/2，-1/23（M）00+1/2，-1/23s2181+1+1/2，-1/23p60+1/2，-1/2-1+1/2，-1/22+2+1/2，-1/23d10+1+1/2，-1/20+1/2，-1/2-1+1/2，-1/2-2+1/2，-1/24（N）00+1/2，-1/24s2321+1+1/2，-1/24p60+1/2，-1/2-1+1/2，-1/22+2+1/2，-1/24d10+1+1/2，-1/20+1/2，-1/2-1+1/2，-1/2-2+1/2，-1/23+3+1/2，-1/24f14+2+1/2，-1/2+1+1/2，-1/20+1/2，-1/2-1+1/2，-1/2-2+1/2，-1/2-3+1/2，-1/2

因此，要描述一个电子的运动状态，需要用到四个量子数（n，l，m，ms）。在同一个原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。原子结构与元素周期系（二）多电子原子轨道的能级多电子原子轨道能量的高低（也称能级）主要由主量子数n和角量子数l决定。当主量子数n相同时，角量子数l越大，轨道能级越高，如E3s＜E3p＜E3d。当角量子数l不变时，主量子数n越大，原子轨道能量E越高，例如E1s＜E2s＜E3s，E2p＜E3p＜E4p。当n和l都不同时，情况比较复杂，虽然能量高低主要由n的大小决定，但是由于电子之间的相互作用，有时也会出现高电子层中低亚层（如4s）的能量反而低于某些低电子层中高亚层（如3d）的能量，这种现象称为能级交错，如E4s＜E3d，E5s＜E4d。能级交错是由于核电荷增加，核对电子的引力增强，各亚层的能量均降低，但各自降低的幅度不同所致。能级交错对原子中电子的分布有影响。原子结构与元素周期系（二）多电子原子轨道的能级.著名化学家鲍林（L·Pauling，1901～1994）根据实验数据配合理论计算的结果，提出了多电子原子轨道的近似能级图，如图所示：小圆圈代表原子轨道，按能量高低顺序排列起来，然后将轨道能量相近的放在同一个方框中组成一个能级组，共有7个能级组。第一能级组包括1s，第二能级组包括2s、2p，第三能级组包括3s、3p，第四能级组包括4s、3d、4p，第五能级组包括5s、4d、5p，第六能级组包括6s、4f、5d、6p，第七能级组包括7s、5f、6d、7p。原子结构与元素周期系（二）多电子原子轨道的能级应用多电子原子的近似能级图，并根据能量最低原理，就可以确定电子排入各原子轨道的次序，如图所示。轨道近似能级图电子填充顺序图原子结构与元素周期系（三）原子核外电子的排布1、核外电子分布的三个原理根据大量光谱实验结果，同时结合对元素周期律的分析，科学家提出基态原子的电子分布遵循三个基本原理。1泡利不相容原理2能量最低原理3洪特规则原子结构与元素周期系1、泡利不相容原理科学家泡利（W·Pauli，1900～1958）于1925年根据元素在周期表中的位置和光谱分析的结果提出：“在同一个原子中没有运动状态四个方面完全相同的电子存在”，即泡利不相容原理。由此可以推出：1）每个原子轨道只能容纳两个电子，且自旋方向相反。因为只有这样才能使原子的能量最低。2）s、p、d和f亚层最多容纳的电子数分别为2、6、10和14。泡利不相容原理限制了每一原子轨道中的电子数，各亚层的轨道数又是一定的，则每一亚层中可容纳的最多电子数也就确定了。3）各电子层最多容纳2n2个电子。例如，氦原子的1s轨道中有两个电子，描述其中一个电子运动状态的一组量子数（n，l，m，ms）为1，0，0，+1/2，另一个电子的一组量子数必然是1，0，0，－1/2，即两个电子的其他状态相同但自旋方向相反。原子结构与元素周期系2、能量最低原理自然界一个普遍的规律是“能量越低越稳定”。因此，当多电子原子处于基态时，在不违背泡利不相容原理的前提下，电子将尽可能先占据能量较低的轨道，只有当能量较低的原子轨道被占满后，电子才依次进入能量较高的轨道，从而使原子体系的总能量最低，处于最稳定状态。这一原则称为能量最低原理。核外电子填充次序如图所示。原子结构与元素周期系3、洪特规则德国理论物理学家洪特（F·Hund，1896～1997）于1925年根据大量的光谱实验数据总结出一个规律：电子在等价轨道（即能量相同的原子轨道）上排布时，总是尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。这样分布时，原子的能量较低，体系较稳定。洪特规则实际上是能量最低原理的补充。因为两个电子同占一个轨道时，电子间的排斥作用会使原子的能量升高，只有分占等价轨道，才有利于降低原子的能量。例如：N原子（）的7个电子在轨道中的分布情况如左图所示，而不是右图所示。原子结构与元素周期系3、洪特规则光谱实验还表明，当等价轨道中的电子处于半充满、全充满或全空的状态时具有额外的稳定性。半充满全充满全空此规则称为全满、半满、全空规则。例如，铬（Cr）原子的外层电子排布是，而不是；铜（Cu）原子的外层电子排布是而不是。原子结构与元素周期系（三）原子核外电子的排布2、核外电子分布式和外层电子分布式多电子原子的核外电子分布表达式叫做电子分布式。例如，钛（Ti）原子有22个电子，按上面所说的三个基本原理和近似能级顺序，电子的分布情况应为，但在书写电子分布式时，要将3d轨道放在4s前面，与同层的3s、3p轨道一起，即为。由于化学反应中通常只涉及外层电子的改变，所以一般不必写完整的电子分布式，只需写出外层电子分布式即可。外层电子分布式又称为外层电子构型，对于主族元素即为最外层电子分布的形式，例如，氯原子的外层电子分布式为；对于副族元素则是指最外层s电子和次外层d电子的分布形式，例如，上述钛原子的外层电子分布式分别为。原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表1、元素周期表1869年，俄国化学家门捷列夫总结对比了当时已知的63种元素的性质，发现化学元素之间存在本质联系：把化学元素按原子量递增的顺序排序，元素的性质呈周期性的递变。这是元素周期律的早期表述。后来人们发现门捷列夫化学元素周期系中的原子序数是原子核内的质子数。因此，现在元素周期律是指：随核内质子数递增，核外电子呈现周期性排布，元素性质呈现周期性递变。原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表1、元素周期表（1）周期元素周期表有7个横行，称作7个周期。第一周期只有2个元素，叫特短周期，它的原子只有s电子；第二、三周期有8个元素，叫短周期，它们的原子有s和p电子；第四、五周期有18个元素，叫长周期，它们的原子除钾和钙外有s、p电子，还有d电子；第六周期有32个元素，叫特长周期，它的原子除铯和钡外有s、p、d电子，还有f电子；第七周期是未完成周期，预测应有32种元素，能否完全发现还是个谜。在主表中的第6、7行不是完整的第六、七周期，其中的镧系元素和锕系元素被分离出来，形成了主表下方的副表。每个周期随原子序数递增，元素从金属渐变成非金属，以稀有气体结束，下一周期又从金属渐变成非金属，以稀有气体结束，如此循环反复。随周期序号增大，元素数目增多，金属元素也随之增多，非金属元素则减少。只有第一周期例外，它只有两种元素（氢和氦），而且它也不像其他周期那样从金属到非金属。但近来证实，氢在低温高压下呈金属态。原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表1、元素周期表周期的划分就是核外电子能级组的划分，各能级组容纳的电子数就等于相应周期元素的数目，如表所示。能量组序含有的原子轨道周期序Ⅰ1s1Ⅱ2s，2p2Ⅲ3s

，3p3Ⅳ4s，3d，4p4Ⅴ5s，4d，5p5Ⅵ6s，4s，5d，6p6Ⅶ7s，5f，6d，7p

（未定）7原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表1、元素周期表（2）族元素周期表有18列（纵列）。周期表最左边的两个纵列是ⅠA（碱金属）和ⅡA（碱土金属）主族；周期表最右边的6个纵列从左到右分别是ⅢA（硼族）、ⅣA（碳族）、ⅤA（氮族）、ⅥA（氧族）、ⅦA（卤素）主族和零族。主族元素的原子在形成化学键时只使用最外层s/p电子，不使用次外层电子。零族元素在确认初期曾叫做惰性气体，后来发现它也能形成传统化合物，现在改称他们为稀有气体。从周期表左边第3纵列开始有10个纵列，从左到右的顺序是ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB、Ⅷ、ⅠB、ⅡB副族，其中Ⅷ族中的铁、钻、镍（第4周期元素）又称铁系元素，钌、铑钯、锇、铱、铂（第5．6周期元素）则总称铂系元素。原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表1、元素周期表（3）区根据元素周期表中原子的电子排布特点，可以把元素周期表分为五个区，即：s区、p区、d区、ds区和f区，如右图和右表所示。元素分区含族价层电子构型s区ⅠA、ⅡAns1–2p区ⅢA-ⅦA，0族ns2

np1–6d

区ⅢB-Ⅷ(n-1)d10ns2（有例外）（n=4、5、6）ds区ⅠB、ⅡB(n-1)d10ns1–2（n=4、5、6）f区镧系和锕系(n–2)f1–14(n-1)d0–1

ns2（n=6、7）原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表2、元素的周期性变化基于元素周期律，元素的性质，如原子半径、电离能、电子亲和能和电负性等会呈现周期性的变化。1）原子半径原子半径分为以下几种类型。1）共价半径：指同种元素的2个原子以共价单键相结合时的核间距离的一半。2）金属半径：指金属晶格中相邻两金属原子核间距的一半。3）范德华半径：指原子间不成键，而靠分子间力互相接近时，相邻两原子核间距的一半。主要适用于稀有气体（0族元素）。原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表2、元素的周期性变化1）原子半径一般说来，共价半径较小，金属半径居中，范德华半径最大。我们在进行比较的时候应该比较同一类型原子半径的变化。原子半径的周期性变化如表所示，具体说明如下。1）同一主族元素，自上而下，原子半径增大。2）同一副族元素，自上而下，原子半径一般也增大，但是由于镧系收缩，自上而下变化幅度小，特别是第五、六周期元素原子半径非常接近。3）同一周期，从左至右，原子序数增加，原子半径减小，主族元素比副族元素减小的幅度大。原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表2、元素的周期性变化2）电离能在标准状态时，基态的气体原子失去最外层的第一个电子，成为气态+1价离子所需要的能量叫做第一电离能，再继续逐个失去一个电子所需的能量称为第二电离能、第三离能……一般用In作为电离能的符号，n=1，2，3……。例如，I1是第一电离能，I2是第二电离能。通常如果没有特别说明，电离能指的都是第一电离能。在主族元素中，同周期元素的第一电离能在总体上呈现从小到大的变化。同一主族自上向下大体上呈现第一电离能变小的趋势，如图所示。第一电离能大小是碱金属最活泼而稀有气体最不活泼的最主要原因。原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表2、元素的周期性变化3）电子亲和能电子亲和能是指在标准状态下，气态基态原子获得一个电子，变为一1价气态负离子所放出的能量。负离子再得到一个电子的能量变化叫做第二电子亲和能。电子亲和能常以E为符号。在应用时要特别注意，取正值的电子亲和能是体系放出能量，而取负值的电离能却是体系吸收能量。电子亲和能的变化规律与电离能变化规律基本一致，即在同一周期，自左至右，原子半径减小，最外层电子数增多，第一电子亲和能逐渐增大（IIA、VA有特殊）。电子亲和能的变化在数值上比电离能要小一个数量级。原子结构与元素周期系（四）原子中电子层结构与元素周期表2、元素的周期性变化4）电负性电负性是指分子中某元素的原子对成键电子对的吸引力大小，一般用X表示。电负性标度是通过热化学的方法建立的：假定氟的电负性为4.0，以此作为确定其他元素电负性的相对标准。各元素的电负性如表所示，可以看出氟的电负性最大；铯（和钫）的电负性最小；氢的电负性为2.1；非金属的电负性大多大于2.0，金属电负性大多小于2.0。从表中还可以看出电负性变化规律：同一周期从左至右，原子半径减小，电负性增大；同一主族从上至下，原子半径增大，电负性减小；同一副族原子半径，核电荷数及价电子构型3种因素相互制约，规律性较差。PART2化学键和分子结构化学键和分子结构（一）共价键理论1、价键理论1916年美国人路易斯首先提出了共价键的概念。路易斯认为，分子中每个原子都具有形成类似于惰性原子的稳定电子结构的倾向，并通过原子间“共用”电子对的方式结合成分子。由此形成的化学键称为共价键，这种分子称为共价分子。1927年，量子力学引入到H2分子结构的研究中并揭示了共价键的本质，经过不断发展最终建立了现代价键理论。现代价键理论认为两个原子互相接近时，由于原子轨道重叠，两原子共用自旋相反的电子对，使体系能量降低而形成共价健。共价键是由不同原子的电子云重叠形成的。化学键和分子结构（一）共价键理论1、价键理论（1）共价键的形成一个共价键的形成必须具备以下两个基本要点。电子配对原理轨道最大重叠原理形成一个共价键的两个基态原子，必须各自提供一个自旋相反的且没有配对的电子，由这两个电子配对形成一个共价键。电子云重叠区域越大，体系能量降得越低，形成的共价键才越稳定。化学键和分子结构（一）共价键理论1）方向性：除s轨道（角度部分为球形）外，p、d、f原子轨道在空间只有沿着一定的方向与别的原子轨道重叠才会产生最大重叠，由此可知共价键是具有方向性的。在多原子分子中，共价键的方向性有着重要作用，它不仅决定了分子的几何构型，而且还影响着分子的极性和对称性等性质。例如，HCl的共价键是由H提供的1s电子和Cl提供的3p电子的原子轨道重叠形成的，而且只有沿Z轴向才能达到最大重叠，如图所示。2）饱和性：共价键数目受未成对电子数的限制，一个原子能有几个未成对电子就可与其他原子的几个自旋相反的未成对电子配对成键。共价键的两个特点化学键和分子结构（一）共价键理论1、价键理论（2）共价键的类型σ键1）σ键电子云顺着原子核的连线重叠，得到轴对称的电子云图像，这种共价键叫做σ键。这种重叠也可以说是“头碰头”的重叠，形成σ键的电子叫做σ电子。σ键的重叠部分集中在两核之间，并且对称于键轴，可以旋转，如图所示。H-H，H-Cl键都是σ键。化学键和分子结构（一）共价键理论1、价键理论（2）共价键的类型π键2）π键电子云重叠后得到的电子云图像呈镜像对称，这种共价键叫π键，如图所示。π键的重叠是“肩并肩”的，形成π键的电子叫π电子。π键的重叠程度小于σ键，因此没有σ键稳定，此外，π电子容易参加化学反应。σ键和π键的对比如表所示。共价键类型σ键π键重叠方式头碰头肩并肩重叠方向沿键轴与原子轨道垂直重叠程度大小打破所需能量大小能否旋转能不能化学键和分子结构（一）共价键理论2、键参数表征化学键特性的物理量称为键参数，如键能、键长、键角和键的极性等，通过这些参数可以预测分子的空间构型，分子的极性以及键的稳定性等。化学键和分子结构（一）共价键理论2、键参数（1）键能：指和298K状态下（即常温常压下），将1mol理想气体分子AB拆开为中性气态原子A和B时所吸收的能量。键能的大小体现了共价键的强弱。键能越大，化学键越牢固，含有该键的分子越稳定。一般而言，单键、双键、叁键（例如C-C，C=C，C≡C）对比，键能越来越大；同周期元素的同类键（例如H-F，H-Cl，H-Br，H-I）的键能从上到下依次减小，如表所示。共价键键能kJ/mol共价键键能kJ/molC-H414H-H436C-O351H-N393C-C347H-O460C=C620H-Cl432C=O745C≡C812C-N276C=N615化学键和分子结构（一）共价键理论2、键参数（2）键长：分子中两个成键原子核间的平均距离。键长可用实验方法测定。一般情况下，键长越短，键能越大，共价键就越牢固。根据上表我们可以知道，C-C键长＞C=C键长＞C≡C键长；H-F键长＜H-Cl键长＜H-Br键长＜H-I键长。化学键和分子结构（一）共价键理论2、键参数（3）键角：键角是指多原子分子中各原子核连线的夹角。它也是描述共价键的重要参数。键角的大小严重影响分子的许多性质，如分子的极性，从而影响其溶解性、熔沸点等。键角可以通过分子的振动光谱获得（实验值）。例如，CO2中O=C=O，键角=180°；H2O键角=104.5°；CH4键角=109°28’。常见分子的键长、键角及几何构型分子式键长/pm键角几何构型CH4109109.5°四面体形CO2116.3180°直线形H2O96104.5°V形NH3101.5107°18′三角锥形SO3143120°三角形化学键和分子结构（一）共价键理论2、键参数（4）键的极性：共价键有非极性键与极性键之分，同样，由共价键构建的分子有非极性分子与极性分子之分。2不同种元素的原子形成共价键时，由于它们吸引电子对的能力不同，共用电子对必然偏向吸引电子能力强的原子一方，因而吸引电子能力强的原子一方相对地显负电性，吸引电子能力弱的原子一方相对地显正电性。这样的共价键叫极性共价键，简称极性键。1同种元素的原子形成共价键时，它们吸引电子对的能力相同，共用电子对处在正中间，不偏向任何一个原子，由于电荷在两个原子核附近均匀分布，因此成键的分子不显电性，这样的共价键叫非极性键。化学键和分子结构（一）共价键理论2、键参数度量极性的物理量叫做偶极矩（μ）。偶极矩是一个向量，它的方向通常用箭头表示，箭头指向负电荷的中心。偶极矩等于零的共价键是非极性共价键，偶极矩不等于零的共价键是极性共价键。分子的极性是由键的极性和分子的空间构型或分子中键的空间排列共同决定的。分子的正、负电荷重心重合的分子是非极性分子，分子的正、负电荷重心不重合是极性分子。键偶极矩和分子偶极矩都可以通过实验测定。同核双原子分子的实测偶极矩都等于零，是非极性分子。异核键的两原子电负性差值越大，键偶极矩就越大。氟、氯、溴、碘的电负性依次减小，故异核双原子分子H-F，H-Cl，H-Br，H-I的极性依次减小。化学键和分子结构（二）杂化轨道理论与分子几何构型价键理论简单明了地解释了共价键的形成及方向性、饱和性等，但是对于很多分子的几何构型却不能很好地解释。例如，C原子结构中有两个未成对电子，似乎只能形成两个共价键，但实际上，大多数有机化合物中C原子都是形成了四个共价键。为此有人提出了杂化轨道理论，认为原子轨道在成键过程中并不是一成不变的，同一原子中某些能量相近的轨道会在成键过程中重新组合成一系列能量相等的新轨道，从而改变了原有轨道的形态，这一过程称为杂化，所形成的新轨道称为杂化轨道。杂化轨道有多种类型，常见的有sp杂化、sp2杂化和sp3杂化等，如图所示。杂化的类型不同，所形成的分子的几何构型也不同。化学键和分子结构（二）杂化轨道理论与分子几何构型1、sp杂化由1个s轨道和1个p轨道组合成2个sp杂化轨道的过程称为sp杂化，所形成的轨道称为sp杂化轨道。每个sp杂化轨道均含有1/2的s轨道成分和1/2的p轨道成分。为使成键以后化学键之间的排斥力小，杂化轨道间的夹角为180°。因此，当2个sp杂化轨道与其他原子轨道重叠成键后就形成直线型分子。例如，C2H2分子中C原子便是发生sp杂化成键的：C2H2分子中的两个C各原子通过一条sp杂化轨道形成σ键，另一条sp杂化轨道与H原子形成σ键，每个C原子中未杂化的2条p轨道肩并肩重叠形成2个π键。化学键和分子结构（二）杂化轨道理论与分子几何构型2、sp²杂化由1个s轨道与2个p轨道组合成3个sp²杂化轨道的过程称为sp²杂化。每个sp²杂化轨道都含有1/3的s轨道成份和2/3的p轨道成份，为使轨道间的排斥能最小，3个sp²杂化轨道呈正三角形分布，互成120°角，如左图所示。sp²杂化轨道的能量高于相应的s轨道，但低于相应的p轨道。以BF3分子为例。实验测得BF3具有平面三角形的结构，B原子位于中心，三个F原子位于三角形的三个顶点。三个B－F键是等同的，三个BF键角均为120°。乙烯分子中的碳原子也是以sp²杂化轨道成键的。两个碳原子各以一个sp²杂化轨道相互重叠形成1个C－Cσ键，其余的2条sp²杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道形成4个C－Hσ键，两个碳原子未参与杂化的p轨道则肩并肩重叠成π键。乙烯分子模型如右图所示。化学键和分子结构（二）杂化轨道理论与分子几何构型3、sp³杂化以CH4分子为例，C原子中一个2s轨道和三个2p轨道杂化成四个能量相等的sp³杂化轨道，每一个sp³杂化轨道都含有1/4的s轨道成分和3/4的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。这四个sp³杂化轨道对称地分布在C原子周围，互成109°28′夹角，每条杂化轨道中各有1个单电子，这4个电子再与4个H原子中的1s电子配对成σ键，最终形成具有正四面体结构的CH4分子，如图所示。sp³轨道的形状为，大的一端可以成键，以实现最大限度的重叠。除CH4以外，其他烷烃、CCl4分子、离子等的中心原子都是以sp³杂化轨道成键的。化学键和分子结构（三）分子间力和氢键1、范德华力除化学键（共价键、离子键、金属键）外，分子与分子之间还存在着作用力，总称分子间力。相对于化学键，分子间力的作用较弱，只有几kJ/mol到几十kJ/mol。范德华力是最常见的分子间力，它没有方向性和饱和性，不受微粒之间的方向与个数的限制。可按范德华力产生的原因及特性将其分解为三种不同来源的作用力——色散力、诱导力和取向力，分述如下。化学键和分子结构（三）分子间力和氢键1、范德华力（1）色散力分子在振动时，在某一瞬间分子内的正负电荷中心发生偏移，产生瞬间偶极，而分子与分子彼此的瞬时偶极矩之间会产生电性引力，这就是色散力。由于分子总是在不停的振动，因此分子间始终都存在着色散力。（2）取向力也叫定向力，指极性分子与极性分子之间接近时，使分子定向排列的固有偶极与固有偶极之间的静电引力，如图所示。分子偶极矩越大，取向力越大。化学键和分子结构（三）分子间力和氢键1、范德华力（3）诱导力在极性分子的固有偶极诱导下，临近它的极性分子或非极性分子会产生诱导偶极，分子间的诱导偶极与固有偶极之间的电性引力称为诱导力，如图所示。色散力、诱导力和取向力的本质都是静电力，其中色散力是分子间的主要作用力，通常三种力的相对大小为：色散力＞取向力＞诱导力。在非极性分子间只存在色散力，极性分子与非极性分子间存在着诱导力和色散力，极性分子间既存在取向力也存在诱导力和色散力。化学键和分子结构（三）分子间力和氢键2、氢键分子间力对物质的物理性质影响较大，通常情况下，分子间作用力越大，物质的熔点、沸点越高，硬度越大。按照这个规律，在第ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的一些氢化物中，NH3、H2O、HF的的熔、沸点应该偏低，但是事实却恰好相反，这是为什么呢？这是因为这些物质的分子之间除了有范德华力外，还有氢键。由氢和电负性大、半径小且有孤对电子的原子形成共价键时，共用电子对会强烈偏向电负性大的一边，使得H核近乎裸露从而带有一定的正电性，如此一来，H核就有可能吸引相邻的、由于共用电子对的靠近而带一定负电性的原子。我们把这种静电吸引力称为氢键，它比化学键弱，但大于范德华力。化学键和分子结构（三）分子间力和氢键2、氢键通常用X—H…Y来表示氢键的组成，其中X、Y代表电负性大、半径小且有孤对电子的原子。氢键也有方向性和饱和性，每个X—H只能与一个Y原子形成氢键，且氢键的方向尽可能的沿X—H键轴的方向，使得X—H…Y在一条直线上。图所示为H2O的氢键。能形成氢键的电负性大、半径小且有孤对电子的原子一般是F、O、N等原子。氢键既可以存在于分子内部，也可以存在于不同的分子之间。氢键的形成对分子的物理性质有重要的影响，含有氢键的物质的熔、沸点比无氢键的同类物质高。谢谢聆听THANKSFORYOURATTENTION第二章

溶液和胶体目录CONTENTS123分散系及其分类特性稀溶液的依数性溶液的浓度稀溶液的依数性应用4胶体5PART1分散系及其分类特性分散系及其分类特性一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的体系称为分散系。被分散的物质称为分散质或分散相，容纳分散相的物质称为分散介质或分散剂。按照分散相粒子的大小，可以把分散系分为真溶液、胶体分散系和粗分散系3类（见下表），它们具有不同的扩散速度、膜的通透性和滤纸的通透性能。分散系及其分类特性分散相粒子直径分散系统类型分散相粒子的组成一般性质实例<1nm真溶液低分子或离子均相；热力学稳定；分散相粒子扩散快；能透过滤纸和半透膜氯化钠、氢氧化钠、蔗糖等溶液1～100nm胶体分散系溶胶胶体粒子（分子、离子、原子的聚集体）非均相；热力学不稳定；分散相粒子扩散慢；能透过滤纸，不能透过半透膜氢氧化铁、硫化砷、碘化银及金、银、硫等单质溶胶高分子溶液高分子均相；热力学稳定；分散相粒子扩散慢；能透过滤纸，不能透过半透膜；形成溶液蛋白质、核酸等水溶液及橡胶的苯溶液等>100nm粗分散系（乳状液、悬浮液）粗粒子非均相；热力学不稳定，分散相粒子不能透过滤纸和半透膜乳汁、泥浆等

分散系的分类分散系及其分类特性真溶液分散系中，分散相粒子直径<1nm，与分散剂的亲和力极强。这种分散系统即通常说的溶液，如食盐、氢氧化钠溶液。胶体分散系中，分散相粒子直径在1～100nm之间，它包括溶胶和高分子化合物溶液两种类型。溶胶的分散相粒子是由分子组成的聚集体，这类难溶于分散剂的固体分散相高度分散在液体分散剂中，如氢氧化铁溶胶、硫化砷溶胶等。溶胶的分散相和分散剂的亲和力不强，不均匀，有界面，故溶胶是高度分散，不稳定的多相系统。高分子溶液是由一些高分子化合物组成的溶液，由于其分子较大，也表现出许多与胶体相同的性质，所以我们把高分子溶液看作是胶体的一部分。生物体的组织，细胞实际上都是胶体，其他如乳液、血液、淋巴等也属于胶体，因此胶体对于研究生命科学很重要。粗分散系中，分散相粒子直径>100nm。按分散相的聚集状态不同，粗分散系又可分为两类：一类是液体分散相分散在液体分散剂中，称为乳状液，如牛奶；另一类是固体分散相分散在液体分散剂中，称为悬浊液，如泥浆。由于分散相粒子大，容易聚沉，也容易从分散剂中分离出来，故粗分散系统是极不稳定的多相系统。PART2溶液的浓度溶液的浓度（一）溶液浓度的表示方法1、质量分数溶液中某溶质B的质量与溶液总的质量之比称为溶质B的质量分数，用符号ωB表示，计算公式为：其中mB为溶质B的质量，m为溶液的总质量。质量分数不随温度的变化而变化。例如：100g氢氧化钠溶液中含有20gNaOH，其浓度可表示为ω（NaOH）=20%。溶液的浓度（一）溶液浓度的表示方法2、物质的量浓度指单位体积溶液中所含溶质B的物质的量，用符号cB表示，计算公式为：其中nB表示溶质B的物质的量，V表示溶液的体积。物质的量nB的计算公式为：其中m表示溶质B的质量，单位为g；M表示溶质B的摩尔质量，单位为g/moL。溶质B的物质的量（nB）的国际单位为mol；溶液体积V的国际单位为m³，另一个常用单位为L。因此溶质B的物质的量浓度（cB）的国际单位为mol/m³，常用单位为mol/L。溶液的浓度（一）溶液浓度的表示方法3、质量摩尔浓度溶液中溶质B的物质的量除以溶剂的质量，称为溶质B的质量摩尔浓度，用符号bB表示，计算公式为：式中，nB为溶质B的物质的量，国际单位为mol；mA为溶剂的质量，国际单位为kg；bB为溶质B的质量摩尔浓度，国际单位为mol/kg。溶液的浓度（一）溶液浓度的表示方法4、摩尔分数混合物或溶液中，某物质B的物质的量与整个混合物或溶液的物质的量之比，称为物质B的摩尔分数，用符号为xB示，计算公式为：对于双组分系统的溶液来说，若溶质的物质的量为nB，溶剂的物质的量为nA，则溶质和溶剂的摩尔分数分别为：溶液的浓度（一）溶液浓度的表示方法5、体积分数在相同的温度和压强下，溶液中某一组分B的体积与混合物总体积之比，称为B的体积分数，用符号ψB表示，计算公式为：两种液体相混合成溶液时，假若不考虑体积变化，某一组分的浓度也可用体积分数表示。用体积分数表示溶液浓度，方法简单，使用方便，是医用配制溶液常用的方法。如常说的医用酒精浓度为75%便是体积分数，指100mL溶液中含75mL纯酒精。溶液的浓度（一）溶液浓度的表示方法6、质量浓度配制溶质为固体的溶液时，为表达方便，还常用溶液中某一固体溶质B的质量与溶液总体积之比，来表示溶液的浓度，用符号ρB表示，其计算公式为：例如，常说的浓度为0.9%的生理盐水，是指每100mL溶液中含0.9g氯化钠。以上介绍的溶液浓度的各种表示方法中，由质量表示的浓度，如质量分数、质量摩尔浓度、质量浓度等不受温度影响；而物质的量浓度、体积分数等会受温度影响。实验室常用溶液的密度和浓度如表所示。试剂密度/(g/mL)质量分数/%物质的量浓度/(mol/L)H2SO4HCIHNO3H3P4CH3COOHNH3·H2O1.841.191.421.701.050.899837.071.085.099.830.0

1812161517.515实验室常用溶液的密度和浓度溶液的浓度（二）溶液浓度的有关计算掌握了溶液浓度的表示方法后，我们可进一步推算出：溶质的质量=溶质的物质的量浓度×溶液的体积×摩尔质量=溶液的体积×溶液的密度×质量分数也可得出：c×M=ρ×ω（ρ非上节讲解过的质量浓度，而是溶液的密度）由此，我们可计算出在配置溶液时需要使用的溶剂或溶质的量等。PART3稀溶液的依数性稀溶液的依数性溶液的某些性质与溶质的本性有关，如颜色、导电性和密度等；而另一些性质，如蒸气压、沸点、凝固点和渗透压等却与溶质的本性几乎无关，而仅取决于溶液的浓度，即一定量溶液中所含溶质粒子数的多少。例如，纯水在101.325kPa气压下，100℃时沸腾，0℃时结冰，而海水却在高于100℃沸腾，低于0℃时结冰，这种现象便是由于水中含氯化钠的浓度不同引起。由于溶液的蒸气压、沸点、渗透压等变化依赖于溶质的粒子数且只适用于稀溶液，因此人们将其称为稀溶液的依数性。讨论溶液的依数性必须具备两个条件：一是溶质为难挥发的非电解质；二是溶液必须是稀溶液，而且溶液越稀，其依数性的规律性越强。下面我们重点学习溶液的蒸气压、沸点、凝固点和渗透压等的依数性。稀溶液的依数性（一）溶液的蒸气压下降凝聚蒸发物质分子在不断地运动着，因此如果将液体置于密闭的容器中，液体中一部分能量较高的分子会克服其它分子对它的吸引而逸出，成为蒸气分子，这个过程叫蒸发，又称为气化。液面附近的蒸气分子又可能被吸引或受外界压力的作用重新回到液体中，这个过程叫做凝聚。稀溶液的依数性（一）溶液的蒸气压下降开始时，因空间没有蒸气分子，蒸发速度较快，随着蒸发的进行，液面上方的蒸气分子逐渐增多，凝聚速度随之加快。一定时间后，当蒸发速度和凝聚速度相等时，该液体和它的蒸气处于动态平衡状态，即在单位时间内，由液面蒸发的分子数和由气相返回液体的分子数相等，此时的蒸气称为饱和蒸气。饱和蒸气所产生的压力称为饱和蒸气压，简称蒸气压，用符号p表示，单位为Pa或kPa。由于蒸发是吸热过程，所以同一液体的蒸气压随着温度的升高而增大。例如：20℃时水的蒸气压为2.34kPa，而100℃时则为101.325kPa。如果往密闭容器的纯溶剂水中加入少量难挥发非电解质，在同一温度下，稀溶液的蒸气压总是低于纯溶剂水的蒸气压，这种现象称为溶液的蒸气压下降。稀溶液的依数性（一）溶液的蒸气压下降1887年法国物理学家拉乌尔（Raoult）研究了溶质对纯溶剂的凝固点和蒸气压的下降，得出：在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压（p），等于纯溶剂（A）的饱和蒸气压（p*A）乘以溶剂在溶液中的摩尔分数（xA）。这种定量关系称为拉乌尔定律，其数学表达式为：p＝p*A·xA拉乌尔定律的另一种表述是：在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降值（Δp），近似地与溶液的质量摩尔浓度（bB）成正比，即：Δp＝p*A－p＝K·bB式中，K为蒸气压降低常数，其值可通过实验测得，也可以由理论推算，单位为。稀溶液的依数性（二）溶液的沸点上升沸点是指液体的饱和蒸气压等于外界大气压（通常是101.325kPa）时液体的温度。一切液体都有一定的沸点，当在纯溶剂中溶人少量难挥发非电解质后，会发现溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点，这种现象叫溶液的沸点上升。例如，水的正常沸点是373.15K（100℃），此时水的饱和蒸气压等于外界大气压101.325kPa；溶入难挥发溶质后，虽然温度仍是373.15K，但由于蒸气压下降，因此溶液不会沸腾。要使溶液沸腾，必须继续加热升高温度，使它的蒸气压增大，直到等于外界压力时溶液才开始沸腾。通常，溶液越浓，蒸气压下降越多，沸点升高也越多。根据拉乌尔定律，可以推出稀溶液的沸点升高值（△Tb）也和溶液的质量摩尔浓度（bB）近似地成正比，与溶质本性无关，即：△Tb=Kb·bB式中，Kb为沸点上升常数，其大小取决于溶剂的性质，与溶质的性质无关。Kb值通过实验测得，也可以由理论推算，单位为。稀溶液的依数性（三）溶液的凝固点下降溶液的凝固点是溶液的蒸气压（即溶液中纯溶剂的蒸气压）与固态纯溶剂的蒸气压相等时的温度。溶液的凝固点比纯溶剂的凝固点低是一个常见的自然现象。例如，海水由于含有大量的盐分，因此比纯水在更低的温度下结冰。这是因为，在纯水中加入难挥发溶质以后，在同一温度时溶液的蒸气压低于纯水的蒸气压，即在0℃时溶液的蒸气压低于冰（固态纯溶剂）的蒸气压，所以溶液不能凝固。降低温度，溶液的蒸气压相应减少，直到溶液的蒸气压曲线和冰的蒸气压曲线相交（参见图），此时溶液的蒸气压与固体纯溶剂的蒸气压相等，该点对应的温度即为溶液的凝固点。显然溶液的凝固点低于纯溶剂的凝固点。稀溶液的依数性（三）溶液的凝固点下降

根据拉乌尔定律，可以推出稀溶液的凝固点下降值（△Tf）与溶液的质量摩尔浓度（bB）近似地成正比，即：△Tf=Kf·bB式中Kf称为溶剂的凝固点下降常数，单位为，其物理意义与Kb类似。常用溶剂的Kb和kf如表所示。溶剂Kb(273K)Kf(273K)溶剂Kb(273K)Kf(273K)水乙醇苯0.5121.222.531.865.12醋酸氯仿乙醚3.073.632.023.90稀溶液的依数性（四）溶液的渗透压下面我们通过一个演示来了解渗透压的概念。如图所示是一个连通器，中间装有半透膜。半透膜是只允许溶剂分子透过而不允许溶质透过的物质，如生物的细胞膜。在膜两边分别放入蔗糖水和纯水，并使两边液面高度相等，如左图所示。经过一段时间以后，可以观察到纯水液面下降，而糖水的液面上升，如右图所示。这说明纯水中有一部分水分子通过半透膜进入了溶液，产生了渗透。1、渗透压稀溶液的依数性（四）溶液的渗透压

实际上，水分子不但从纯水透过半透膜向糖水扩散，同时也有水分子从糖水侧向纯水侧扩散，只是由于糖水中水分子浓度较纯水低，溶液的蒸气压小于纯溶剂的蒸气压，致使单位时间内纯水中水分子透过半透膜进入溶液的速率大于溶液中水分子透过半透膜进入纯水的速率，故使糖水体积增大，液面升高。当糖水液面上升到某一高度h时，水分子向两个方向的渗透速度相等，此时水柱高度不再改变，渗透处于平衡状态。换句话说，水柱所产生的静水压阻止了纯水向溶液的渗透。若在糖水液面上施加恰好阻止水分子渗透的压力，这个压力就是该溶液的渗透压，用符号π表示。也可以这样定义渗透压：是为了阻止渗透进行而施加于溶液的最小压力。渗透作用不仅发生在有半透膜隔开的纯溶剂和溶液之间，也可以发生在有半透膜隔开的两种不同浓度的溶液之间。渗透作用必须具备两个条件：一是有半透膜存在；二是半透膜两侧溶液浓度不同。如果半透膜两侧溶液的渗透压相等，称为等渗溶液。如果不相等，则渗透压高的称为高渗溶液，渗透压低的称为低渗溶液。稀溶液的依数性（四）溶液的渗透压1886年荷兰物理学家范特霍夫根据实验结果指出：当温度不变时，渗透压与稀溶液的物质的量浓度成正比；当浓度不变时，渗透压与溶液热力学温度成正比。非电解质稀溶液的渗透压与浓度、温度关系可用方程式表示为：πV＝nRT或式中，π为溶液的渗透压，单位为kPa；R为气体常数，大小为；c为物质的量的浓度，单位为；T为热力学温度，单位为K。在一定温度下，非电解质稀溶液的渗透压只取决于单位体积溶液中所含溶质的物质的量（或颗粒数），而与溶质的本性无关。2、渗透压公式稀溶液的依数性（四）溶液的渗透压医药学上在讨论有关溶液渗透压问题时，常采用毫渗摩尔浓度（或称为渗透浓度），简称。是指溶液中能产生渗透效应的各种物质质点（分子或离子）总浓度，以mmol/L来计算渗透压单位，常用符号为。总之，只要是难挥发溶质的溶液，它们都有蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低和渗透压等现象。但这些依数性与溶液浓度间关系的定律只适用于非电解质稀溶液，对于浓溶液或电解质溶液不适用。因为在浓溶液中，溶质粒子之间相互牵制作用大，情况比较复杂。而在电解质溶液中，由于电解质电离产生正负离子，一方面溶液中总的粒子数增加，另一方面正、负电荷之间产生静电作用，从而导致稀溶液定律所指定的定量关系不再成立。3、毫渗量·升PART4稀溶液的依数性应用稀溶液的依数性应用（一）溶液的沸点升高、凝固点下降的应用例如，盐和冰的混合物可作冷冻剂就是运用此原理的一个例子。冰的表面有少量水，当盐与冰混合时，盐溶解在冰表面的水里形成溶液，由于所形成的溶液的蒸气压低于冰的蒸气压，所以冰就融化。冰融化要吸收热量，从而使温度降低。氯化钠和冰混合，可使温度降低至－22℃；氯化钙和冰混合，可使温度降低至－55℃。冬季建筑工人在砂浆中加食盐或氯化钙，汽车驾驶员在水箱里加乙二醇或甘油等都是利用凝固点下降原理以防止水结冰。利用液体的沸点与外压有关的性质，在提取和精制对热不稳定的物质时，常采用减压蒸馏、减压浓缩的方法以降低蒸发温度，防止高温加热对这些物质的破坏。而对热稳定的某些医疗器械灭菌时，则常采用热压灭菌法，即在密闭的高压消毒器内加热灭菌（温度升高）。稀溶液的依数性应用（二）渗透现象（渗透压）的应用渗透现象在植物生长过程中有着非常重要的作用，植物细胞液的渗透压一般是101kPa的4～20倍。因此，水进入细胞中将产生相当大的压力，从而使细胞膨胀，这就是植物的根、茎、叶、花瓣等具有一定弹性的原因。植物所需水分由根部输送到高达几米或十几米的顶端，也是通过渗透作用来完成的。只有当土壤溶液的渗透压低于植物细胞液的渗透压时，植物才能不断地从土壤中吸取水分和养分，促使本身生长发育。如果土壤溶液的渗透压高于细胞液的渗透压，则植物细胞内的水分会向土壤渗透，导致植物枯萎。农业生产上改造盐碱地的压碱洗盐，以及给作物均匀施肥、及时浇水就是根据这个道理。例如，大多数微生物细胞渗透压为304～1778kPa，而含糖量在60%～65%的糖渍品的渗透压为3647～4052kPa，因此能阻止大多数微生物引起的食品变质；此外，盐腌食品能使微生物细胞生理脱水，从而使微生物不能正常生活。因此，果品加工中常用盐腌、糖渍方法保存食品。各种微生物的生长都需要周围环境有一个最适宜的渗透压，因此，实验室常用等渗液配制各种细胞悬浮液及培养微生物；而在食品工业中也常用该原理来阻止食品变质。稀溶液的依数性应用（二）渗透现象（渗透压）的应用

在临床上，所谓等渗、低渗或高渗是以血浆总渗透压作为判断标准的。由于正常人血浆总渗透压的正常范围相当于(人体血液的平均渗透压为780.2kPa)，在此范围内的溶液称为生理等渗液。高于为高渗液，低于为低渗液。血细胞内液与血浆是等渗的，如果将血细胞放入纯水或低渗液中，由于水渗入血细胞内，血细胞便逐渐膨胀，最后破裂，这种现象称为溶血现象。反之，将血细胞放人高渗液中，血细胞内的水就向外渗出，血细胞便逐渐萎缩，这种现象称为胞浆分离。

例如，0.9%的生理盐水及5%的葡萄糖溶液即为人体血液的等渗溶液。临床上除了大型补液需要等渗外，配制眼用制剂也要考虑等渗。因为眼组织对渗透压变化比较敏感，为防止刺激或损伤眼组织，眼用制剂必须进行等渗压调节。PART5胶体胶体1、溶胶的光学性质——丁达尔效应

将一束光照射到胶体时，在光束的垂直方向上可以看到一条明亮的光柱，这种现象称为丁达尔效应。丁达尔效应的产生是由于胶体粒子对光的散射形成的，由于溶胶粒子的直径在1～100nm之间，小于入射光的波长（400～760nm），因此发生了光的散射作用而产生丁达尔现象。分子或离子分散系中，由于分散质粒子太小（<1nm），散射现象很弱，基本上发生的是光的透射作用，因此只有透明性质而没有丁达尔现象。粗分散系分散质粒子大于入射光波长，光在粒子表面按一定的角度反射，也不能产生丁达尔现象。（一）溶胶的基本性质胶体2、溶胶的动力学性质——布朗运动（一）溶胶的基本性质在超显微镜下观察溶胶，可以看到溶胶粒子在不断地做无规则的运动，这是英国植物学家布朗（Brown）在1827年观察花粉颗粒运动时发现的，故称为布朗运动。布朗运动是由分散剂的分子无规则地从各个方向撞击胶体粒子而引起的，由于运动着的胶体粒子不容易下沉，因而布朗运动可以使溶胶具有一定的稳定性（称为动力学稳定性）。胶体3、溶胶的电学性质——电动现象（一）溶胶的基本性质在电场作用下，带电胶粒在介质中的定向移动称为电泳。从电泳的方向可以判断胶粒所带电荷的正负。若胶粒向正极迁移，则胶粒带负电；若胶粒向负极迁移，则胶粒带正电。与电泳现象相反，使溶胶粒子固定不动，而分散介质在外电场作用下做定向移动的现象称为电渗。电渗现象实现的原理是：在溶胶中充满多孔性隔膜（如素瓷片、凝胶和玻璃纤维），从而使胶粒被吸附而固定；由于胶粒带电，分散介质必然带与胶粒相反的电荷，因此在外电场作用下，分散介质将通过多孔隔膜向与介质电荷相反的电极方向移动。电泳和电渗都是由于分散质和分散介质做相对运动时产生的电动现象。胶体（二）溶胶的结构1、溶胶胶团组成及胶团结构在AgI溶胶中，每个分散质粒子是由大量的AgI分子聚集而成的直径为范围内的固体颗粒，它们处于胶体粒子的核心，称为胶核。胶核是固相，具有很大的表面积和表面能，因而具有较强的吸附能力。它将选择性地吸附与其组成有关的而带正电荷。称为电位离子，即能使胶粒带电的离子。由于整个溶胶是电中性的，所以溶液中还存在着与电位离子电性相反的反离子。反离子一方面受电位离子的吸引，有靠近胶核的趋势；另一方面由于本身的热运动，又有扩散远离胶核的趋势。因此，反离子又分成两部分，一部分反离子受电位离子的吸引而被束缚在固相表面形成吸附层；另一部分反离子在吸附层外面向分散剂中扩散开去，构成了扩散层。胶体（二）溶胶的结构1、溶胶胶团组成及胶团结构胶核和吸附层一起构成胶粒，由于胶粒中反离子所带的电荷比电位离子所带的电荷少，所以胶粒是带电离子，其电性由电位离子决定。例如，利用AgNO3和KI制备AgI溶胶时，若KI过量，AgI胶核将吸附过量的离子而带负电荷；反之，若AgNO3过量，AgI胶核则吸附过量的离子而带正电荷。胶粒与扩散层组成胶团，胶团中胶粒离子与反离子所带电荷总数相等，符号相反，故胶团是电中性的，其结构如右图：胶体（二）溶胶的结构2、溶胶的稳定性和聚沉（1）溶胶的稳定性溶胶的稳定性表现在两个方面：溶胶具有动力学稳定性和聚结稳定性。溶胶的动力学稳定性是指分散质粒子在重力作用下，不会从分散剂中分离出来。由于溶胶粒子的质量较小，其受重力的作用也较小，而溶胶粒子主要受布朗运动的控制，在体系中不断做无规则运动，因此不发生沉淀。溶胶的聚结稳定性是指溶胶在放置过程中，不会发生分散质粒子的相互聚结。由于溶胶粒子中的双电层结构，当两个带同种电荷的胶粒相互靠近时，胶粒间就会产生静电排斥作用，从而阻止胶粒的相互碰撞。胶粒表面带有的这种相同电荷使得胶粒之间有一种静电斥力，使溶胶趋向稳定，即聚结稳定性。另外，由于溶胶粒子中的带电离子和极性溶剂通过静电引力的相互作用，使得溶剂分子在胶粒表面形成一层溶剂化膜，该溶剂化膜也起到阻止胶粒相互碰撞的作用。所以，溶胶的聚结稳定性的产生主要是胶粒的双电层结构和溶剂化膜共同作用的结果。胶体（二）溶胶的结构2、溶胶的稳定性和聚沉（2）溶胶的聚沉溶胶的稳定性是相对的，有条件的。当溶胶的稳定因素受到破坏，胶粒碰撞时会合并变大，从而从介质中析出而下沉，这种现象称为聚沉。聚沉从表现上看，首先溶胶的颜色会发生改变，进而从澄清变为混浊，最后凝结为沉淀。加热、辐射、加入电解质等都可引起溶胶聚沉，其中最主要的是加入电解质所引起的聚沉。溶胶对电解质很敏感，虽然极少量电解质的存在对溶胶有稳定作用，但稍微过量即引起溶胶的聚沉。因为加入电解质后，溶胶中反离子浓度增大，增加了反离子进入吸附层的机会，降低了胶粒所带的电荷，使其稳定性降低。胶体（二）溶胶的结构2、溶胶的稳定性和聚沉（2）溶胶的聚沉电解质聚沉能力的大小，常用临界聚沉浓度表示，即一定量溶胶在一定时间内发生聚沉所需电解质溶液的最小浓度，单位为mmol/L。电解质对溶胶的聚沉作用，有如下几个规律。①反离子的价数愈高，聚沉能力愈强。②同价离子的聚沉能力虽然接近，但也有不同。③一些有机物离子，特别是一些表面活性剂和聚酰胺类化合物的离子，具有非常强的聚沉能力。在加热条件下，由于增加了胶粒的碰撞，同样可以破坏胶体的稳定性而产生聚沉。此外，带相反电荷的溶胶有相互聚沉的能力。当正、负溶胶按适当比例混合致使胶粒所带电荷恰被中和时，就可完全聚沉；两者比例不适当，则聚沉不完全，甚至不发生聚沉。胶体（二）溶胶的结构2、溶胶的稳定性和聚沉（3）溶胶的保护在溶胶中加入高分子溶液对溶胶有保护作用。高分子物质吸附在胶粒的表面使其对介质的亲和力加强，从而增加了溶胶的稳定性。但有时加入少量的高分子溶液，反而降低溶胶的稳定性，甚至发生聚沉，这种现象称为敏化作用。保护作用在生理过程中具有重要的意义。例如，在健康人的血液中所含的碳酸镁、磷酸钙等难溶盐，都是以溶胶状态存在，并且被血清蛋白等高分子物质保护着。当发生某些疾病时，保护物质在血液里的含量就会减少，这样使溶胶发生聚沉而堆积在身体的某部分，使新陈代谢作用发生障碍，可形成肾脏、肝脏等结石。谢谢聆听THANKSFORYOURATTENTION第三章

化学反应速率和化学平衡目录CONTENTS123化学反应速率化学平衡影响化学反应速率的因素对于化学反应，特别是在将其应用于生产实践时，主要探讨两个方面的问题：一是要知道反应进行的方向和能够进行的最大程度，以及外界对平衡的影响；二是要掌握反应进行的速度和反应的机理。前者是热力学的问题，后者是动力学的问题。本章学习在给定条件下反应进行的快慢，反应能够达到的最大程度，以及外界因素对反应速度和反应进行程度的影响。PART1化学反应速率化学反应速率

指反应进程中某时间间隔内参与反应的物质的量的变化量，通常以单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示，表达式为：式中，△t为反应时间，单位用s（秒）、min（分钟）、h（小时）、d（天）或a（年）等；△cB为△t时间内某组分浓度的变化，当其表示反应物浓度的变化时，取负号，表示生成物浓度的变化时，取正号；为平均速率，单位一般用等。（一）化学反应速率表示方法1、平均速率化学反应速率（一）化学反应速率表示方法1、平均速率化学反应速率（一）化学反应速率表示方法2、瞬时速率平均速率只能描述在一定时间间隔内反应速率的大致情况，在实际生产中，了解某一时刻的反应速率，即瞬时速率，更具实际意义。要想精确表示化学反应在某一时刻的瞬时速率，可将观察的时间无限缩短△t0，所得速率即为某一时刻的瞬时速率，其表达式为：瞬时速率可用实验作图法求得。即将已知浓度的反应物混合，在指定温度下，每隔一定时间，连续取样分析某一物质的浓度，然后以c–t作图，求某一时刻时曲线的斜率，即得该时刻的瞬时速率。化学反应速率（一）化学反应速率表示方法2、瞬时速率对化学反应速率要注意以下几个问题。（1）化学反应速率可用反应体系中一种反应物或生成物浓度的变化来表示，一般是以最容易测定的一种物质表示且应标明是什么物质的反应速率。（2）用不同的物质表示同一时间的反应速率时其数值可能不同，但表达的意义是相同的，各物质表示的反应速率的数值有相互关系，彼此可以根据化学方程式中的各化学计量数进行换算：对于化学反应mA(g)+nB(g)=pC(g)+qD(g)有：化学反应速率（二）反应速率理论简介1、有效碰撞理论1918年，化学家路易斯提出了适用于气体双原子反应的有效碰撞理论，其主要论点如下。（1）反应物分子之间的碰撞是化学反应进行的先决条件。反应物分子必须相互碰撞才能发生化学反应，碰撞的频率越高，反应速度越快，即反应速率的快慢与单位时间内碰撞次数成正比，而碰撞频率与反应物浓度成正比。根据气体分子运动理论，常温常压下，单位时间内分子的碰撞次数是惊人的，如果每次碰撞都发生反应，那么反应速率将是一个高得离谱的数值。实际情况并非如此，有相当多的碰撞并不发生反应，只有极少数的碰撞能发生反应，被称为有效碰撞。（2）碰撞中能发生反应的分子必须具备足够的能量，以克服分子无限接近时电子云之间的斥力，从而使分子中的原子重排，发生化学反应。这种具有足够能量并能发生有效碰撞的分子称为活化分子。活化分子的最低能量与反应物分子的平均能量之差称为活化能Ea。化学反应速率（二）反应速率理论简介1、有效碰撞理论活化能Ea是化学反应的“能垒”。一定条件时，反应的活化能Ea越大，活化分子所占的百分数越小，发生有效碰撞的概率越低，反应速率越小；反之，反应的活化能Ea越小，反应速率越大。活化能可以通过实验测定。因此，活化能Ea是决定化学反应速率的主要因素。多数化学反应的活化能Ea约在之间；当Ea<时，反应速度很快；当Ea>时，反应速度很慢；中和化学反应的Ea约在之间。碰撞理论直观地解释了一些简单的气体双原子反应的反应速率与活化能的关系，但没有从分子内部的结构及运动揭示活化能的意义，因而具有一定的局限性。化学反应速率（二）反应速率理论简介2、过渡态理论1930年，物理化学家艾林把量子力学和统计力学应用于化学，建立了反应速率的过度态理论。该理论认为：化学反应并不是通过反应物分子的简单碰撞完成的，在反应物到产物的转变过程中，先形成一种过渡状态，即反应物分子活化形成配合物的中间状态。如：A+BC[A…B…C]AB+C[A…B…C]为A和BC处于过度状态时，所形成的类似配合物结构的物质，称为活化配合物。此时原有的化学键（B—C键）被削弱但未完全断裂，新的化学键（A—B键）开始形成但尚未完全形成。活化配合物势能较高，不稳定，既有可能分解为原来的反应物（A，BC），也有可能分解为产物（AB，C）。因此，反应速率取决于活化配合物的浓度、活化配合物分解成产物的几率和分解成产物的速率等。过渡态理论将反应中涉及到的物质的微观结构和反应速率结合起来，这是比碰撞理论先进的一面。然而，由于许多反应的活化配合物的结构尚无法从实验上加以确定，加上计算方法过于复杂，致使这一理论的应用受到限制。PART2影响化学反应速率的因素影响化学反应速率的因素（一）浓度对化学反应速率的影响大量实验结果表明，在一定温度下，增加反应物的浓度可以加快反应速率。这个结论可以用有效碰撞理论加以解释：在一定温度下，对某一化学反应来说，单位体积内反应物的活化分子数与反应物分子总数（即该反应物的浓度）成正比，因此增加反应物的浓度，单位体积内的活化分子数也必然相应地增多，从而增加了单位时间单位体积内反应物分子间的有效碰撞次数，导致反应速率加快。影响化学反应速率的因素（一）浓度对化学反应速率的影响1、基元反应和非基元反应根据反应机理，由反应物微粒一步直接转换为产物的反应称为基元反应；而由反应物微粒经过两步或两步以上才能完成的化学反应，称为非基元反应。一般非基元反应由两个或两个以上的基元反应组成，如碘酸和亚硫酸的反应：第一步HIO3+H2SO3 HIO2+H2SO4第二步HIO2+2H2SO3HI+2H2SO4第三步