无机及分析化学第1章[章节课程]

第一章 物资的聚集状态本 章 要 求•了解分散系的概念与特征；•掌握稀溶液的通性与应用；•理解胶体的基本概念、及性质， 掌握胶团结构；•了解高分子溶液、表面活性剂的基本 概念与特征1智囊经验分散系分散质(被分散物质，不连续状态)分散剂(容纳分散质的物质，连续状态)固态聚集状态液态气态等离子态特定条件下1.1分散系 ——一种或多种物质以细小的粒子分散于另一种物质中所形成的系统2智囊经验分散质分散剂实例气气空气、水煤气液气云、雾固气烟、尘气液泡沫、汽水液液牛奶、豆浆、农药乳浊液固液泥浆、油墨、墨水气固泡沫塑料、木炭、浮石液固肉冻、硅胶、珍珠固固红宝石、合金、有色玻璃 分类： 按聚集状态分类3智囊经验 按分散质粒径分类 1nm =109m分散质粒径分散系类型分散质主 要 性 质实 例<1nm 分子分散系小分子或离子均相、稳定、扩散快、颗粒能透过半透膜氯化钠、氢氧化钠、葡萄糖等水溶液1~100nm胶体分散系高分子溶液高分子均相、稳定、扩散慢、颗粒不能透过半透膜蛋白质、核酸等水溶液、橡胶的苯溶液等溶胶分子、离子、原子等聚集体多相、较稳定、扩散慢、颗粒不能透过半透膜氢氧化铁、硫化砷、碘化银等溶胶>100nm粗分散系乳浊液分子的大集合体多相、不稳定、扩散很慢、颗粒不能透过滤纸乳汁悬浮液泥浆4智囊经验 1.2 气体气体 1.2.1 理想气体状态方程式理想气体状态方程式 ( ideal or perfect gas equation ) pV = nRT p——气体的压力，SI单位为Pa； V——气体的体积，SI单位为为m3； n——物质的量，SI单位为mol； T——气体的热力学温度，SI单位为K； R——气体常数，8.314Jmol1K15智囊经验理想气体：一种假想的气体。

真实气体，特别是非极性分子或极性小的分子，在压力不太高，温度不太低的情况下，若能较好地服从理想气体状态方程，则可视为理想气体例1-1 某氢气钢瓶容积为50.0 L， 25.0℃ 时，压力为500k Pa， 计算钢瓶中氢气的质量解：根据理想气体方程式 钢瓶中氢气的质量为：m(H2)=10.1 mol×2.01 g·mol1 =20.3 g6智囊经验 1.2.2. 分压定律分压:在相同温度时，某组分气体单独占有混合气体 总体积时的压力道尔顿（Dalton）分压定律： 或推论： ,两式相除,可得, 或 表明混合气体组分B的分压等于组分B的摩尔分数与 混合气体总压之乘积7智囊经验 在同温同压的条件下，气态物质的量与它的体积成正比，因此混合气体中组分气体B的体积分数等于物质B的摩尔分数，即 所以, 例例1-2 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9.7×104 Pa及温度为22℃ 时，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：解： p(N2) = 0.78 p = 0.78×9.7×104 Pa = 7.6×104 Pa p(O2) = 0.21 p = 0.21×9.7×104 Pa =2.0×104 Pa p(Ar) = 0.01 p = 0.01×9.7×104 Pa =0.97×104 Pa8智囊经验 1.3 溶液浓度的表示方法 1.3.1 物质的量浓度注意：使用物质的量的单位mol时，应指明物质 的基本单元 如 c(H2SO4) = 0.10 molL1 和 c(1/2H2SO4) = 0.10 molL1 两者浓度值相同，但基本单元分别为H2SO4和1/2H2SO4 ，前者c(H+) = 0.20 molL1 ，后者 c(H+) = 0.10 molL1 单位：molm3，常用moldm3或 molL1混合物体积，即溶液体积9智囊经验 1.3.2 质量摩尔浓度若为双组分则有：对多组分有：xi=1 1.3.3 摩尔分数单位为1，以前称无量纲混合物总物质的量n单位：molkg1溶剂质量质量浓度B ：单位：kg L1、 g mL110智囊经验 1.3.4 质量分数注意：质量分数为小数，以前常用百分数。

混合物总质量1.3.5 浓度换算1. 物质的量浓度与质量分数密度 =m/V11智囊经验 2. 物质的量浓度与质量摩尔浓度若为A、B双组分系统，且B含量较少，则m mA若为稀水溶液，  1则 cB  bB 在无机及分析化学中的稀溶液常近似12智囊经验例1-1 已知M(NaCl)=58.44，10.00 mLNaCl饱和溶液的质量 为12.003g，将其蒸干，得NaCl晶体3.173g，试计算该饱和溶液： (1)该温度下的NaCl的饱和溶解度(g /100gH2O)和密度； (2)该NaCl溶液的物质的量浓度、质量摩尔浓度； (3)该NaCl溶液的摩尔分数、质量分数；解: (1)饱和溶解度=[3.173/(12.0033.173)]100=35.93(g/100gH2O)  = m/V=12.003g/10.00ml=1.200gmL1 (2) n(NaCl)=(3.173/58.44)mol=5.430102mol c(NaCl)=n(NaCl)/V= 5.430102mol /10.0010 3L=5.430 molL1 b(NaCl) =n(NaCl)/m =5.430102mol/8.830103kg=6.149molkg1 注意：不能用近似式，因为mm(H2O)，cB bB。

(3) n(H2O)=[(12.0033.173)/18.02]mol=4.900101mol x(NaCl) =n(NaCl) /(n(NaCl)+n(H2O)) =5.430102/(5.430102+4.900101)=0.09976 w(NaCl)=m(NaCl)/m=3.173/12.003=0.2643 注意：以前常用百分数(%)表示13智囊经验溶液有两大类性质：1)与溶液中溶质的本性有关： 溶液的颜色、比重、酸碱性和导电性等；2)与溶液中溶质的独立质点数有关，而与溶质的本身性质无关： 如溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压等难挥发的非电解质稀溶液有一定的共同性和规律性该类性质称为稀溶液的通性，或称为依数性包括：稀溶液蒸气压的下降、沸点上升、凝固点下降和稀溶液的渗透压与纯溶剂比较)1.4稀溶液的通性—依数性蒸汽压下降 ；沸点上升、凝固点下降 ；渗透压14智囊经验 1.4.1 溶液蒸气压的下降 密闭容器 H2O(l) H2O(g) 蒸发 凝聚 在一定温度下，密闭容器中纯溶剂的蒸发与凝聚速率相等 v(蒸发)= v(凝聚) 时液体上方的蒸气所具有的压力(压强)称饱和蒸气压，简称蒸气压，用 p0表示，单位Pa或kPa。

1 蒸气压的概念 15智囊经验2 拉乌尔定律 p = p0 xB 注意：只适用于稀溶液 在一定温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的饱和蒸气压与溶液中溶剂的摩尔分数的乘积：p = p0xA 单位：Pa 或 kPa稀溶液的蒸气压的下降值： p = p0  p 若为双组分系统，则xA+ xB=1， xB=1 xAp = p0  p0 xA= p0(1  xA)因此有 p = p0 xB即在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降值与溶质的摩尔分数成正比这就是拉乌尔定律 所以溶液的蒸气压小于纯溶剂的蒸气压16智囊经验1.4.2 溶液的沸点升高与凝固点下降1 沸点(b.p.)：溶液蒸气压等于外界压力时溶液的温度2 沸点升高 由于在同一温度溶液的蒸气压小于纯溶剂的蒸气压，在外界压力不变的情况下，溶液的沸点必然大于纯溶剂，所以溶液的沸点升高 Tb=KbbB 沸点凝固点 Tb Tb TTf TfTb沸点升高值，单位：K；Kb沸点升高常数,单位：Kkg  mol1；bB溶质的质量摩尔浓度；17智囊经验 4 凝固点下降 1 当溶液的蒸气压与固相纯溶剂的蒸气压相等时，凝固点从Tf下降到Tf。

1 Tf = Kf bB 与沸点升高类似，Tf凝固点下降值，单位：K；Kf凝固点下降常数,单位：Kkg  mol1；bB溶质的质量摩尔浓度； 1 注意：凝固点下降常数Kf和沸点升高常数Kb与只与溶剂的本性有关而与溶质的本性无关 1 一些常见溶剂的Kf、 Kb值见 p11表1-3、p12表1-4 3 凝固点(f.p.) ——液相与固相平衡时的温度 此时液相蒸气压与固相蒸气压相等18智囊经验1.4.3 溶液的渗透压1 扩散： 物质自发的从高浓度向低浓度迁移的现象。

2 渗透： 物质微粒通过半透膜单向扩散的现象 3 渗透压：阻止溶剂向溶液的渗透而需对溶液施加的额 外压力 V = nB R T = nB R T/V=cBRT：渗透压，单位：Pa或kPa；R：摩尔气体常数，8.314kPaLmol1K 1半透膜：通常为能通过溶剂分子而不能通过溶质分子的柔韧膜19智囊经验 溶液沸点上升和凝固点下降都与加入的溶质的质量 摩尔浓度成正比，而质量摩尔浓度又与溶质的相对分 子质量有关因此可以通过对溶液沸点上升和凝固点 下降的测定来估算溶质的相对分子质量大小 因溶液凝固点下降常数比沸点常数大，且溶液凝固点 的测定也比沸点测定容易，故通常用测凝固点的方法 来估算溶质的相对分子质量 凝固点测定在低温下进行，被测样品组成与结构不 会被破坏故该方法常用于生物体液及易被破坏的样 品体系中可溶性物质浓度的测定稀溶液依数性的应用20智囊经验例1-2 2.50g葡萄糖(M=180)溶于100g乙醇中，乙醇溶液的沸点升高了0.143K，而某有机物2.00g溶于100g乙醇中沸点升高了0.125K。

已知乙醇的Kf =1.86Kkgmol1，求： (1)该有机物的M及其乙醇溶液的Tf； (2)在20 C，假设cBbB，该有机物的乙醇溶液的渗透压是多少？ 解：(1)由Tb=KbbB ,得:Kb=1.03Kkgmol1M=165gmol1Tf = Kf bB= 1.86Kkgmol12.00g/(165gmol1100103kg)=0.225K (2)由 = cBRT 和 cB  bB得： =2.00g8.314kPaLmol1K1(273.15+20)K/(165gmol1100 103L) =295kPa21智囊经验例1-3 临床上用的葡萄糖(C6H12O6)等渗液的Tf =0.543K，溶液的密度 =1.085gmL1试求该葡萄糖溶液的质量分数及37℃时人体血液的渗透压为多少？(已知水的Kf=1.86Kkgmol1)解：由Tf = Kf bB 得： bB= 0.543K/1.86Kkgmol1=0.292molkg1 wB= 0.292180/(1000+0.292180)=0.0499 cB=nB/V =0.292mol/[(1000+0.292180)g/1.085103gL1] =0.301molL1 B=cBRT =0.301molL18.314kPaLmol1K1(273.15+37)K =776kPa 因为葡萄糖与血液等渗，所以人体血液渗透压为776kPa。

22智囊经验渗透与反渗透技术渗透是一种自然现象，即自发过程：见p14渗透的逆过程即反渗透，显然是非自发的非自发过程要使其进行，就必须对系统做功反渗透就是在渗透压大的溶液上施加比其渗透压更大的压力，迫使溶剂从高浓度向低浓度逆向扩散如海水的淡化等注意：稀溶液的依数性不适用于浓溶液和电解质溶液；见p15表1-523智囊经验1.5 胶体溶液 1 ——结构与性质胶体胶体溶液(溶胶)：多相系统(存在相界面)高分子溶液：均相系统1~100nm1.5.1分散度和表面吸附1 分散度 用比表面积衡量单位体积的分散质所具有的总表面积，单位为m1；比表面积愈大，分散度愈高；2 表面能 表面质点大于内部质点的那部分能量 比表面积愈大，分散度愈高，表面分子数愈多，相应 的表面能愈高，表面质点就愈不稳定3 表面吸附 自发过程、放热过程 为保持系统的稳定，胶体表面质点就有降低其表面能的趋势为降低表面能，表面质点可进入胶体内部，还可以通过吸附其他质点，释放部分表面能。

24智囊经验1.5.2 胶团结构 以以AgIAgI溶胶为例，若制备过溶胶为例，若制备过程程KIKI过量，根据过量，根据相似相吸相似相吸的原的原则，则， AgIAgI胶核优先吸附胶核优先吸附I I 离子，离子，使胶核表面带负电，带电的表使胶核表面带负电，带电的表面通过静电引力又会吸引相反面通过静电引力又会吸引相反电荷的电荷的K K+ +，，构成双电层构成双电层胶核胶粒胶团 通常把胶核表面吸附的带电离子称电位离子，而把它吸引的相反电荷离子称为反离子整个胶团结构可表示为： 胶核 电位离子 反离子 反离子吸附层 扩散层{(AgI)mnI(nx)K+}x- xK+胶粒胶团若AgNO3过量如何？25智囊经验1.5.3 胶体溶液的性质 (光学、动力学、电化学性质)1 溶胶的光学性质——丁铎尔效应 1869年丁铎尔发现当一束光线通过透明的溶胶时，在与光线垂直的方向上可观察到一条发亮的光柱这一现象称为丁铎尔效应丁铎尔效应是胶体所特有的现象，因此，可以通过此效应来鉴别溶液与胶体。

丁铎尔效应的产生： 当光线照射到物体表面时，可能产生两种情况：如果物质颗粒的直径远远大于入射光的波长，此时入射光被完全反射，不出现丁铎尔效应；如果物质的颗粒直径小于入射光的波长，则发生光的散射作用而出现丁铎尔现象由于溶胶的粒子直径在1~100nm，可见光的波长范围在400~760nm，所以可见光通过溶胶时会产生丁铎尔效应26智囊经验2 溶胶的动力学性质——布朗运动 溶胶粒子受溶剂分子碰撞产生的无规则、无休止的运动 布朗运动产生原因27智囊经验3 溶胶的电学性质电泳：在电场作用下，胶粒在溶剂中的定向迁移现象 1 根据胶粒的迁移方向可确定胶粒的带电性 胶粒带电的主要原因有：电离作用：胶粒本身因电离而带电 11 如硅胶H2SiO3因电离产生HSiO3或SiO32而带负电。

吸附作用：胶粒为降低表面能而产生吸附作用，因吸附带电1 1 粒子而显电性 1 1 如前述AgI胶体因吸附I离子而带负电；Fe(OH)3胶体 因吸附FeO+而带正电28智囊经验1 溶胶的稳定性 11111动力学稳定性：分散离子在重力作用下不会从分散剂中分离出来的性质 111 11111由于胶体粒子质量较小，重力作用较弱，主要受布朗运动控制，因此不沉淀，具有动力学稳定性1.5.4 溶胶的稳定性和聚沉 聚结稳定性：指分散质粒子不会发生相互聚结而沉淀 111 由于胶粒的双电层结构，胶粒间因静电排斥而不会聚结；同时，由于溶剂对胶粒的溶剂化作用，在胶粒表面形成一层溶剂包膜，阻止胶粒相互碰撞而聚结；因此，双电层和溶剂包膜使得溶胶具有聚结稳定性。

29智囊经验2 溶胶的聚沉——溶胶因动力学稳定性与聚结稳定性遭到破坏而从分散剂中聚结沉淀出来的现象影响溶胶聚沉的因素： 影响溶胶聚沉的因素有电解质、加热、溶胶浓度、pH及溶胶间的相互作用等，影响最大研究最多的是电解质电解质对聚沉作用的影响主要为：离子半径的影响 价态相同的离子，随离子半径的减小，电荷密度增加，水化半径增大，聚沉能力减弱如碱金属、碱土金属硝酸盐对负溶胶的聚沉能力为： 1 1 111111Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+ ； Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+反离子价态的影响 与溶胶相反电荷的离子价态愈高，聚沉能力愈大如As2S3负溶胶中，加入KCl或CaCl2，Ca2+的聚沉能力比K+大得多；30智囊经验应用：如自来水及污水处理，天然水中悬浮粒子一般带负电荷，加入Al2(SO4)3,生成带正电的Al(OH)3溶胶，两者互聚，加上Al(OH)3溶胶的吸附作用连同杂质共沉，达到净化水的目的。

又如排放气体的除尘，烟尘为气溶胶，其胶粒带有电荷，可通过带电平板，中和电荷使其聚沉电解质的聚沉值：在一定时间内，使一定量的溶胶完全 聚沉所需电解质的最低浓度 显然，聚沉值愈大，电解质的聚沉能力愈弱见p21表1-6溶胶的互聚： 两种电荷相反的溶胶按一定比例混和引起的溶胶聚沉现象31智囊经验1.6 高分子溶液和乳浊液1.6.1 高分子溶液 1 高分子溶液的特性 高分子化合物指相对分子质量达数千甚至几百万的化合物，如蛋白质、淀粉、橡胶等高分子化合物溶于合适的溶剂则形成高分子溶液高分子溶液中高分子化合物以分子状态分散于溶剂中，是分子分散系统，属均相系统，但由于高分子颗粒大小与溶胶粒子相近，因而属胶体分散系，是胶体溶液 高分子溶液为热力学稳定系统，与低分子溶液有相同的热力学性质，如凝固点下降、沸点上升及蒸气压等依数性高分子化合物能在溶剂中自发溶解，去除溶剂后再加入仍能溶解，而溶胶则不然； 由于高分子溶液为均相系统，固其丁铎尔效应不明显； 此外高分子溶液还有很大的粘度； 高分子溶液与溶胶的相似之处如：扩散慢、不能通过半透膜等。

32智囊经验2 高分子溶液的盐析和保护作用盐析 高分子溶液很稳定，不象溶胶容易聚沉要使高分子溶液析出，必须加入大量电解质，这一过程称盐析与溶胶的聚沉不同，溶胶聚沉只需少量电解质盐析的主要作用是去溶剂化，破坏水化膜保护作用 在容易聚沉的溶胶中，加入适量的高分子溶液(如动物胶、蛋白质等)，可以大大地增加溶胶的稳定性，这种作用叫保护作用保护作用首先在于增加了溶胶的溶解度，同时在溶胶表面形成一层高分子保护膜，增强抗电解质的能力如人体血液中含MgCO3、CaCO3等难溶盐，它们均以溶胶形式存在，且受血清蛋白保护而当人体得病时，血清蛋白等保护物质含量下降，导致溶胶聚沉，这是各种结石病产生的原因之一33智囊经验1.6.2 乳状液34智囊经验表面张力 液体表面自动收缩的收缩力产生原因 液体表面分子与内部分子受力不同，表面分子只受到内部分子的吸引(空气分子吸引力很小)，因而表面分子向内部收缩表面能 把液体内部分子移到液体表面所需要的能量 显然液体分子间作用力愈大，表面张力与表面能也愈大表面活性剂性质 当它被加入到某一物质中后， 能够显著降低其表面张力，从而使一些极性相差较大的物质也能相互均匀分散、稳定存在。

表面活性剂的分子结构 由极性基团(亲水)(通常是−OH、−COOH、−NH2，=NH、 −NH3+等基团构成)和非极性基团(疏水)(主要是由碳氢组成的长链或芳香基团所构成)两大部分构成35智囊经验乳状液 分散质和分散剂均为液体的粗分散系 乳状液中被分散的液滴直径：~0.1-50m之间根据分散质与分散剂的不同性质分为两大类:u“油”(通常指有机物)分散在水中所形成的系统，以油/水(O/W)型表示，如牛奶、豆浆、农药乳化剂等，俗称“水包油”u水分散在“油”中形成的水/油(W/O)型乳浊液，例如石油，俗称“油包水” 36智囊经验 许多乳化剂都是表面活性剂因此，表面活性剂有时也称为乳化剂可根据其亲和能力的差别分为亲水性乳化剂和亲油性乳化剂常用的亲水性乳化剂有：钾肥皂、钠肥皂、蛋白质、动物胶等 常用亲油性乳化剂有钙肥皂、高级醇类、高级酸类、石墨等 37智囊经验习 题p22:1、2、4、5、6；p23: 9、1038智囊经验中文名：孕甾-4-烯-3，20-二酮（黄体酮）英文名：Progesterone分子式：C21H30O2分子量：314.4739智囊经验。