气体和溶液课件

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1、无机及分析化学无机及分析化学任课教师：柴兰兰 专 业：2011级食品科学与工程气体和溶液第一章第一章 气体和溶液气体和溶液 u1.1 气气 体体u1.2 溶溶 液液u 1.3 胶胶 体体 溶溶 液液气体和溶液气体的特性与共性气体的特性与共性特性：特性：组成和性能各不相同共性：共性：u可压缩性u扩散性u气体的形状是可变的，具有与容器相同的体积u气体很容易混合，混合后为均一的相1.1 气气 体体气体和溶液描述气体性质的参数描述气体性质的参数 P T V n改变这些参数中的任何一个，其他三个中必然至少有一个发生变化气体和溶液1.1.1 理想气体状态方程式理想气体状态方程式理理想想气气体体：忽忽略略分

2、分子子的的大大小小和和分分子子间间的的作作 用力用力实实际际气气体体处处于于低低压压（低低于于数数百百千千帕帕）、高高温温（高高于于273K）的的情情况况下下，可可以以近近似似地地看看成理想气体。成理想气体。气体和溶液理想气体状态方程：理想气体状态方程：pV= nRTR：摩尔气体常数，：摩尔气体常数，8.315 Pa m3 mol-1 K-1； kPa L mol-1 K-1 ；J mol-1 K-1理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用1. 计算计算p，V，T，n中的任意物理量中的任意物理量气体和溶液2. 确定气体的摩尔质量或质量确定气体的摩尔质量或质量pV n RT mMn =mMP

3、V =RTmPVM =RT3. 确定气体的密度确定气体的密度mMPV =RTmV =MP =RTPM =RT单位要统一气体和溶液 例例1-1 (p.2) ：一学生在实验室中，在一学生在实验室中，在73.3kPa和和25下收集得下收集得250mL某气体，在分析天平上称量，某气体，在分析天平上称量，得气体净质量为得气体净质量为0.118g，求气体的相对分子质量。，求气体的相对分子质量。 解：解：相对分子质量为相对分子质量为16.0气体和溶液1.1.2 道尔顿分压定律道尔顿分压定律如果将几种彼此不发生化学反应的气体放在同如果将几种彼此不发生化学反应的气体放在同一容器中，各种气体如同单独存在时一样充满

4、一容器中，各种气体如同单独存在时一样充满整个容器。整个容器。 分分压压力力：在在相相同同温温度度下下，混混合合气气体体中中某某组组分分气气体单独占有混合气体的容积时所产生的压力。体单独占有混合气体的容积时所产生的压力。公式：公式：pi V = ni RT气体和溶液道道尔尔顿顿分分压压定定律律：混混合合气气体体的的总总压压力力等等于于各各组组分气体的分压力之和分气体的分压力之和公式：公式：p = p1 + p2 + = 式中式中：n为混合气体的总量。可见理想气体状为混合气体的总量。可见理想气体状态方程不仅适用于某一纯净气体，也适用于混态方程不仅适用于某一纯净气体，也适用于混合气体。合气体。气体和

5、溶液 pi V = ni RT pV = nRT 两式相除得：两式相除得： xi： i 组分气体的摩尔分数组分气体的摩尔分数 则：则：pi = xi p 即即：混混合合气气体体中中某某组组分分气气体体的的分分压压力力等等于于该该组组分的摩尔分数与混合气体总压力的乘积。分的摩尔分数与混合气体总压力的乘积。气体和溶液氧是人类维持生命的必需气体，氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命就会死亡，过剩的氧缺氧生命就会死亡，过剩的氧会使人致病，只有在氧气的分会使人致病，只有在氧气的分压维持压维持21 kPa才能使人体维持才能使人体维持正常代谢过程。在潜水员自身正常代谢过程。在潜水员自身携带的水下呼吸器中充有

6、氧气携带的水下呼吸器中充有氧气和氦气。和氦气。（ He在血液中溶解度很小，在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，的溶解度大，可使人得气栓病）可使人得气栓病）气体和溶液例例1-2（p.3)：在在17 ，99.3kPa的气压下，用排水的气压下，用排水集气法收集氮气集气法收集氮气150mL。求在标准状况下该气体。求在标准状况下该气体经干燥后的体积。经干燥后的体积。解：解：在水面上收集气体，测出的压力是饱和水蒸气在水面上收集气体，测出的压力是饱和水蒸气压力和氮气压力之和。压力和氮气压力之和。 查表查表1-1，17 时饱和水蒸气压力为时饱和水蒸气压力为1.93kPa气体和溶液例例1-3（p.4)： 在在2

7、5 下，将下，将0.100mol的的O2和和 0.350molH2装入装入3.00L的容器中，通电后氧气和的容器中，通电后氧气和氢气反应生成水，剩下过量的氢气。求反应前后氢气反应生成水，剩下过量的氢气。求反应前后气体的总压和各组分的分压。气体的总压和各组分的分压。解：解：反应前反应前:气体和溶液n 2H2 + O2 = 2H2On 通电时通电时0.100mol O2只与只与0.200molH2反应生成反应生成0.200molH2O。液态水所占体积与容器体积相比。液态水所占体积与容器体积相比可忽略不计，但因此产生的饱和水蒸气却必须考可忽略不计，但因此产生的饱和水蒸气却必须考虑。因此，反应后：虑。

8、因此，反应后：气体和溶液1.2.1分散系分散系 一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物质里所形成的系统叫分散系。质里所形成的系统叫分散系。 1 1、分散质（分散相）：分散系中被分散的物质、分散质（分散相）：分散系中被分散的物质 2 2、分散剂（分散介质）：容纳分散质的物质、分散剂（分散介质）：容纳分散质的物质例如：例如： 小水滴小水滴+空气空气=云雾，云雾， 其中小水滴是分散质，空气是分散剂。其中小水滴是分散质，空气是分散剂。 二氧化碳二氧化碳+水水=汽水，汽水， 其中二氧化碳是分散质，水是分散剂。其中二氧化碳是分散质，水是分散剂。1.2 溶液溶液气体

9、和溶液 按分散质粒子直径大小不同可将按分散质粒子直径大小不同可将分散系分散系分为分为三类：三类：类型型 颗粒直粒直径径/nm/nm主要性主要性质实例例粗分散系粗分散系100100颗粒不能透粒不能透过滤纸，扩散散慢，多相，很不慢，多相，很不稳定定泥泥浆 牛奶牛奶胶体分散系胶体分散系11001100颗粒能透粒能透过滤纸，透不，透不过半透膜半透膜 ，扩散慢，多相散慢，多相或或单相，不相，不稳定定 墨水墨水油漆油漆分子分散系分子分散系1nA , nA + nB nB，因因此此： 记：记：K= pB* M Bn A mB b=气体和溶液 p = K b 上式表明，上式表明， 在一定温度下，在一定温度下，

10、难挥发非非电解解质稀溶液的蒸气稀溶液的蒸气压下降，近似地与溶液的下降，近似地与溶液的质量摩量摩尔浓度成正比，度成正比，而与溶而与溶质的种的种类无关。无关。这是拉是拉乌尔定律的另一种表达形式。定律的另一种表达形式。 质量摩尔浓度质量摩尔浓度b的定义的定义：单位质量溶剂：单位质量溶剂中所含溶质的物质的量。单位：中所含溶质的物质的量。单位： mol/kg，即：，即：则有：气体和溶液 2 2、 溶液的沸点升高和凝固点降低溶液的沸点升高和凝固点降低 沸点：液体蒸气压等于外界大气压力时的温度。凝固点：物质的液相蒸气压和固相蒸气压相等时的温度即固相和液相平衡共存时的温度。p左图：3条曲线： AB：水的蒸气压

11、曲线； AB 溶液的蒸气压曲线； AA：冰的蒸气压曲线； 沸点升高和凝固点降低沸点升高和凝固点降低气体和溶液难挥发非电解质稀溶液的沸点升高值与溶液的质沸点升高值与溶液的质量摩尔浓度有下述关系量摩尔浓度有下述关系成立：Tb =Tb - Tb* =Kb b同理，凝固点下降值与溶液的质量摩尔浓度凝固点下降值与溶液的质量摩尔浓度有下述关系有下述关系成立：T f = Tf* - Tf =K f b b Kb摩尔沸点升高常数摩尔沸点升高常数 Kf 摩尔凝固点降低常数摩尔凝固点降低常数 Kb、Kf 只只与与溶溶剂剂的的性性质质有有关关，单单位位：0Ckg/mol 或或 Kkg/mol。（表（表1-3列出常用

12、溶剂的列出常用溶剂的Kf与与Kb值）值）气体和溶液 计算溶液的沸点（计算溶液的沸点（Tb）和凝固点（）和凝固点（Tf）。）。 求试样的分子量求试样的分子量M； 日常生活中的应用。日常生活中的应用。 如：植物为什么表现出一定的如：植物为什么表现出一定的抗旱性抗旱性和和耐寒性耐寒性？ 应用：应用： 如如：冬冬天天在在汽汽车车水水箱箱里里加加少少量量甘甘油油或或乙乙二二醇醇，防止水箱里的水结冰防止水箱里的水结冰 (防冻剂防冻剂等等)。 因因为为细细胞胞液液是是溶溶液液，溶溶液液的的蒸蒸汽汽压压下下降降(抗抗旱旱性性）。溶液的凝固点降低（耐寒，不致结冰冻坏）。溶液的凝固点降低（耐寒，不致结冰冻坏）。如

13、：如：制冷剂制冷剂：250.6K（30g NaCl + 100g 水水) 218K (42.5g CaCl2 + 100g 水）水）气体和溶液 例例1-4 将将5.50g某纯净试样溶于某纯净试样溶于250g苯中，苯中，测得该溶液的凝固点为测得该溶液的凝固点为 4.51，求该试样的相，求该试样的相对分子量。（纯苯的凝固点为对分子量。（纯苯的凝固点为5.53） 解：设该试样的分子量为解：设该试样的分子量为M，查得，查得Kf = 5.12Kkg/mol 根据：根据：= 0.110kg/molT f = Tf* - Tf =K f b b气体和溶液产产生生渗渗透透压压示示意意图图半透膜半透膜 半透膜：

14、半透膜：只允许水分子和一些物质通过，其它物质不能通过（如细胞膜，植物表皮层、人造玻璃纸等）。 渗渗透透: 溶剂分子通过半透膜自动扩散的过程。渗透压渗透压: :为了维持渗透平衡而施加于溶液的为了维持渗透平衡而施加于溶液的 最小压力。最小压力。3 3、溶液的渗透压、溶液的渗透压气体和溶液范托夫定律范托夫定律： 非非电电解解质质稀稀溶溶液液的的渗渗透透压压与与溶溶液液物物质质的的量量浓浓度度c c和温度和温度(T)(T)成正比成正比, ,而与溶质的种类无关。而与溶质的种类无关。 即即: : = cRT = cRT 或或: :在在一一定定温温度度下下, , 非非电电解解质质稀稀溶溶液液的的渗渗透透压压

15、与与溶溶液液的的质质量量摩摩尔尔浓浓度度(b)(b)成成正正比比, ,而而与与溶溶质质的的种种类无关。类无关。 即即: : = bRT = bRT气体和溶液注意注意1、产生渗透压的条件、产生渗透压的条件有半透膜存在；有半透膜存在；膜内外两种溶液的浓度不同。膜内外两种溶液的浓度不同。2 2、渗透方向渗透方向 溶剂溶剂 溶液溶液 小小 大大 稀溶液稀溶液 浓溶液浓溶液气体和溶液渗透压的应用：渗透压的应用： 、测定大分子的、测定大分子的M 、 动植物生理：如植物体内水分传导，动植物生理：如植物体内水分传导，输血（等渗溶液），合理施肥，淡水鱼在海输血（等渗溶液），合理施肥，淡水鱼在海水中养殖会使鱼脱水

16、。水中养殖会使鱼脱水。 、海水淡化，污水处理（反渗技术）。、海水淡化，污水处理（反渗技术）。气体和溶液例例1dm3溶液中含溶液中含5.0克克马的血的血红素，在素，在298K时测得溶液的渗得溶液的渗 透透压为1.82102Pa，求求马的血的血红素的摩素的摩尔尔质量量。解：解：气体和溶液 依数性使用范围依数性使用范围: : 对于难挥发非电解质浓溶液或电解质溶液，这对于难挥发非电解质浓溶液或电解质溶液，这些现象同样存在，不再符合依数性的定量规律。挥些现象同样存在，不再符合依数性的定量规律。挥发性非电解质稀溶液要具体分析。发性非电解质稀溶液要具体分析。 蒸气压下降、沸点升高：难挥发非电解质稀溶液蒸气压

17、下降、沸点升高：难挥发非电解质稀溶液 凝固点降低、渗透压：非电解质稀溶液凝固点降低、渗透压：非电解质稀溶液气体和溶液1.3 胶体溶液胶体溶液n 1.3.1 溶胶的制备溶胶的制备n 1.3.2 溶胶的性质溶胶的性质n 1.3.3 胶团结构胶团结构n 1.3.4 溶胶的稳定性和聚沉溶胶的稳定性和聚沉n 1.3.5 大分子溶液和凝胶大分子溶液和凝胶气体和溶液p 胶体分散系按分散相和分散介质聚集不同可分成多种类型，其中以固体分散在水中的溶胶最为重要，本节主要讨论这种类型的溶胶。p 溶胶中的粒子在1100nm之间，它含有数百万乃至上亿个原子，是一种难溶的多分子聚集体，所以溶胶是多相的高分散体系。从热力学

18、看，也是一种不稳定体系。p 因此，溶胶的基本特征溶胶的基本特征是：多相性、高分散多相性、高分散性和热力学不稳定性。性和热力学不稳定性。气体和溶液1.2.1 溶胶的制备溶胶的制备p要制备稳定的溶胶，需满足两个条件：一是使物质颗粒的大小在合适的范围内(1100nm)，二是胶粒在液体介质中保持分散而不凝结。因此制备胶体一般有两种方法；p1、分散法p应用最广泛的方法是研磨法，通常用胶体磨把作为分散质的固体颗粒和分散剂一起研磨，直到分散质颗粒的大小达到所要求的程度。气体和溶液p2、凝聚法 凝聚法又可分为物理凝聚法和化学凝聚法。 物理凝聚法是利用适当的物理过程使某些物质凝聚成胶粒般大小的粒子，例如将汞蒸汽

19、通入冷水中就可得到汞溶胶。 化学凝聚法是在适当条件下（浓度、温度、酸度），使化学反应生成的难溶物质凝聚成胶体粒子而得到胶体溶液，常用的化学反应有水解反应、复分解反应等。例如：FeCl3在沸水中的水解反应： FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 (溶胶) + 3HCl 气体和溶液1、光学性、光学性质（Tyndall现象）象） 丁铎尔发现，若使一束聚光通过溶胶，则从侧面即与光束垂直的方向可以看到一个发光的圆锥体，此即为丁铎丁铎尔效应。尔效应。1.2.2 溶胶的性溶胶的性质 粒子粒径大于照射光的波长时，粒子表面反射光；粒径略小于波长时，发生散射成乳光。 真溶液的散射光非常微弱以致不能被肉眼观

20、察到，因此可以根据有无丁铎尔效应丁铎尔效应来区分溶胶与真溶液。气体和溶液 2 2、动力学性质、动力学性质( (布朗运动布朗运动) ) p 用超显微镜观察胶体溶液，可以发现胶体粒子在不断地作无规则运动，这种现象叫布朗运动布朗运动。p 布朗运动的产生是由于胶体粒子本身的热运动以及分散剂分子对他碰撞的结果。粒子越小，温度粒子越小，温度越高，则布朗运动越明显越高，则布朗运动越明显。气体和溶液3 3、溶胶的电学性质、溶胶的电学性质p电泳：泳：在外电场作用下，胶粒向电极移动的现象。p 图示：在一个U型管中装入棕红色Fe(OH)3溶胶，在U型管的两端各插入一个电极，通电后可观察到正极附近的颜色逐渐变浅，负极

21、附近的颜色逐渐变深。 Fe(OH)3溶胶胶粒在电场中由正极向负极移动，显然它是带正电的。大多数金属硫化物，硅胶带负电，称为负溶胶，大多数金属氢氧化物的胶粒带正点，称正溶胶。 气体和溶液1.2.3 胶团结构胶团结构 例：用AgNO3溶液与过量KI溶液作用制备AgI溶胶，胶团结构式为：(AgI)mnI- (n-x)K+x- xK+胶核胶粒胶 团气体和溶液I胶核胶核(AgI)(AgI)m mI-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+吸附吸附层扩 散散 层胶粒胶粒胶胶团团气体和溶液1、溶胶的稳定性p 溶胶稳定的主

22、要原因： （1）胶粒间同种电荷的排斥作用，胶粒带电是多数溶胶能稳定存在的主要原因。 （2）胶粒的溶剂化作用。胶团结构中的吸附层和扩散层都是水化的，在此水化层保护下，胶粒就难因碰撞而聚沉。 （3）胶粒的布朗运动，能克服重力引起的沉降。1.2.4 溶胶的稳定性和聚沉溶胶的稳定性和聚沉气体和溶液p 如果溶胶失去了稳定因素，胶粒相互碰撞将导致颗粒合并变大，最后以沉淀形式析出，这种过程称为聚沉。 p 影响溶胶聚沉的主要因素有:p 1、电解质的聚沉作用。 电解质聚沉的主要原因: 、中和了胶粒的电荷 、破坏了胶粒的溶剂化膜 气体和溶液p电解质聚沉能力的大小电解质聚沉能力的大小: : 聚沉能力主要取决于与胶粒

23、带相反电荷的离子的价数。价数越高, 聚沉能力越强。 同价离子的聚沉能力随离子水化半径的增大而减小。 聚聚沉沉值值:使一定量的溶胶在一定时间内开始聚沉所需电解质的最低浓度。聚聚沉沉值值越越小小, , 聚聚沉沉能能力越强。力越强。气体和溶液p(2) 温度对溶胶稳定性的影响 加热能破坏胶体的主要原因: 、胶粒运动加剧,碰撞机会增多。 、胶粒所带电量减少。p(3) 溶胶的相互聚沉 聚沉的主要原因: 胶粒所带电荷被中和。 气体和溶液p应用： 、土壤中的Fe(OH)3、Al(OH)3等正电溶胶和粘土、腐殖质等负电溶胶互相聚沉，对土壤胶粒的结构有重要影响； 、明矾的净水作用：明矾溶于水，水解形成Al(OH)3溶胶，结构为 Al(OH)3mn Al3+(1.5n-x)SO42-2x+x SO42- 。 胶粒带正电，而天然水中的悬浮粒子一般带负电荷。气体和溶液 1.2.5 大分子溶液及溶胶大分子溶液及溶胶 相对分子质量大于103的物质称为大分子物质。在容易聚沉的溶胶中，加入适量的大分子物质溶液，如动物胶、蛋白质等，可以大大地增加溶胶的稳定性，这种作用叫做保护作用。 例如，土壤中的胶体，因受到腐殖质等大分子物质的保护作用，使胶体更加稳定，因而有利于营养物质的迁移。气体和溶液