基礎(chǔ)化學(xué)第1章-氣體、溶液和膠體

1、基礎(chǔ)化學(xué)第1章 氣體、 溶液和膠體1.1 氣體1.3 溶液及其濃度表示方法1.5 非電解質(zhì)稀溶液的依數(shù)性教學(xué)要求： 1.掌握理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律。 2.掌握溶液濃度的表示方法和有關(guān)計(jì)算。 3.理解溶液的蒸汽壓下降和拉烏爾定律、溶液的沸點(diǎn)升高、溶液的凝固點(diǎn)下降、溶液的滲透壓和反滲透。重點(diǎn)： 理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律，溶液濃度的表示方法和有關(guān)計(jì)算。難點(diǎn)： 理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律，溶液濃度的表示方法和有關(guān)計(jì)算；稀溶液依數(shù)性的。 1.1 氣體 1.1.1 理想氣體狀態(tài)方程式 1.1.2 理想氣體分壓定律 氣體的基本特征是它的無限膨脹性和無限滲混性。不管容器的大小以及氣體量的多少，氣體都能充

2、滿整個(gè)容器，而且不同氣體能以任意的比例相互混合從而形成均勻的氣體混合物。此外，氣體的體積隨體系的溫度和壓力的改變而改變，因此研究溫度和壓力對(duì)氣體影響是十分重要的。 1.1.1 理想氣體狀態(tài)方程式 在壓力不太高和溫度不太低時(shí)的氣體，溫度、壓力和體積之間存在如下的關(guān)系： pV=nRT 理想氣體狀態(tài)方程式式中：n氣體物質(zhì)的量，單位為mol； V氣體的體積，單位為L(zhǎng)； T氣體的溫度，單位為K； P氣體的壓力，單位為Pa； R氣體常數(shù)，其值為8.314 kPaLmol1K1。 理想氣體狀態(tài)方程式也可表示為另外一種形式：pV=RT 式中：m氣體的質(zhì)量，單位為g； M氣體的摩爾質(zhì)量，單位為g/mol。 例1

3、 1 已知淡藍(lán)色氧氣鋼瓶容積為50L，在20時(shí)，當(dāng)它的壓力為1000kPa時(shí)，估算鋼瓶?jī)?nèi)所剩余氧氣的質(zhì)量。（見教材 P3） pV=RT 根據(jù)：m= 656.8(g) 1.1.2 理想氣體分壓定律 在混合氣體中，某組分氣體所產(chǎn)生的壓力稱為該組分氣體的分壓。它等于在溫度相同條件下，該組分氣體單獨(dú)占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力。 事實(shí)上，我們不可能測(cè)量出混合氣體中某一個(gè)組分氣體的分壓，只可能測(cè)出混合氣體的總壓。 道爾頓分壓定律 混合氣體的總壓等于各組分氣體的分壓之和。 pC + pD 式中： pCC 組分的分壓 pDD 組分的分壓如果混合氣體由C和D兩組分組成，則有： 分壓定律可表示為：式中：

4、 p混合氣體的總壓力 pi i 組分氣體的分壓 如果混合氣體中各組分氣體的物質(zhì)的量之和為n總，溫度T時(shí)混合氣體的總壓力為p總，體積為v，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程式則有： 混合氣體中 i 組分氣體的狀態(tài)方程式則可寫成： 將（2）式除以（1）式則得到下面的關(guān)系式：（1）（2）或?qū)懗桑簞t：令：為 i 組分氣體的摩爾分?jǐn)?shù) 此式是道爾頓分壓定律的另一種表示形式，它表示混合氣體中 i 組分氣體的分壓等于混合氣體的總壓力乘上該組分氣體的摩爾分?jǐn)?shù)。 在一定溫度和壓力下，混合氣體中 i 組分氣體的分體積（Vi）也可以定義為混合氣體的總體積乘以 i 組分氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，即： Vi = = xi 同理：對(duì)于混合氣

5、體來說: 各組分的分壓之和等于總壓力，即pi p總 各組分的體積之和等于總體積，即vi v總各組分的摩爾分?jǐn)?shù)之和等于1，即xi1各組分的體積分?jǐn)?shù)之和等于1，即vi 1 根據(jù)上面的討論，我們可以得出下面的關(guān)系式：=例1-2 實(shí)驗(yàn)室用KClO3分解制取氧氣時(shí)，25、100kPa壓力下，用排水集氣法收集到氧氣0.245 L（收集時(shí)瓶?jī)?nèi)外水面相齊）。已知25時(shí)水的飽和蒸氣壓為3.17kPa，求在0、100kPa時(shí)干燥氧氣的體積。V2 = 0.217 L在0、100kPa壓力下得干燥氧氣的體積為0.217 L。1.3 溶液濃度的表示方法 溶液可以分為液態(tài)溶液（如糖水、食鹽水）、固態(tài)溶液（如合金）、氣態(tài)溶

6、液（如空氣）。通常所說的溶液指的是液態(tài)溶液，由溶質(zhì)和溶劑組成。水是最常用的溶劑，如不特殊指明，本書討論的溶液均指水溶液。 溶液的性質(zhì)常與溶液中溶質(zhì)和溶劑的相對(duì)含量有關(guān)。因此，在任何涉及溶液的定量工作中都必須指明溶液的濃度，即指出溶質(zhì)與溶劑的相對(duì)含量。溶液的濃度可以用不同的方法表示，最常見的有以下幾種： （1） 物質(zhì)的量濃度（2） 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（3） 質(zhì)量摩爾濃度（4） 質(zhì)量分?jǐn)?shù) （1） 物質(zhì)的量濃度物質(zhì)的量濃度： 單位體積中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量稱為該物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度，簡(jiǎn)稱濃度，用符號(hào)c表示 cB為物質(zhì)的量濃度，單位常用mol/L； nB為溶質(zhì)B的物質(zhì)的量，單位常用mol； V為溶液的體積，單位

7、常用L。 cB = n = cV 由于c =所以m溶質(zhì)的質(zhì)量，單位常用g ；M溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量，單位為g/mol。 （2） 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（摩爾分?jǐn)?shù)） 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(摩爾分?jǐn)?shù))：溶液中某組分物質(zhì)的量占溶液總物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)，用符號(hào)x表示。 如果溶液是由A和B兩種組分組成的，它們?cè)谌芤褐械奈镔|(zhì)的量分別為nA和nB，則組分A、B的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為： xA = 溶液中各組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)之和等于1即：（3） 質(zhì)量摩爾濃度 一千克質(zhì)量的溶劑中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量，此種表示的濃度叫做質(zhì)量摩爾濃度，用符號(hào)b表示。bB = bB溶質(zhì)B的質(zhì)量摩爾濃度，單位為mol/kg； nB溶質(zhì)B的物質(zhì)的量，單位為mol；m溶劑

8、的質(zhì)量，單位為kg。 （4） 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 溶質(zhì)的質(zhì)量與整個(gè)溶液的總質(zhì)量之比稱為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用w表示，即wB= mB溶質(zhì)B的質(zhì)量，單位常用kg； m溶液的總質(zhì)量，單位常用kg。 質(zhì)量分?jǐn)?shù)wB沒有單位，過去常用百分含量表示，但不能稱為質(zhì)量百分比濃度。 例1 3 已知質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液，密度為1.047g/mL。計(jì)算：（1）HCl的物質(zhì)的量濃度；（2）HCl的質(zhì)量摩爾濃度；（3）HCl的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。 1.5稀溶液的依數(shù)性 稀溶液的依數(shù)性： 指溶液的某些性質(zhì)僅依賴于溶質(zhì)粒子的數(shù)量，而與溶質(zhì)自身性質(zhì)無關(guān)。 稀溶液的依數(shù)性包括：溶液的蒸氣壓下降、溶液的沸點(diǎn)升高、溶液的凝固點(diǎn)下降和溶液的滲透壓力等。1

9、.5.1 蒸氣壓下降1.5.2 沸點(diǎn)升高1.5.3 凝固點(diǎn)下降 1.5.4 溶液的滲透壓本節(jié)討論：液體的蒸氣壓： 1.5.1 溶液的蒸氣壓下降 一恒定的溫度下，密閉容器內(nèi)溶液和其蒸氣處于氣、液兩相平衡狀態(tài)時(shí)，蒸氣所具有的壓力，叫做該溫度下的飽和蒸氣壓，簡(jiǎn)稱蒸氣壓。 向液態(tài)的溶劑中添加少量的難揮發(fā)性的非電解質(zhì)溶質(zhì)，則該溶液就會(huì)表現(xiàn)出隨著溶質(zhì)總量的增加，溶液液面上蒸氣壓力減小的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為溶液的蒸氣壓下降。降低的數(shù)值與溶解的非電解質(zhì)的量有關(guān)，而與非電解質(zhì)的種類無關(guān)。1887 年，法國(guó)物理學(xué)家拉烏爾（ Raoult） 根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出： 在一定溫度下，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓降低

10、值與溶解在溶劑中的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)成正比。拉烏爾定律p =x溶質(zhì) 拉烏爾定律的另一表達(dá)形式為： p溶液 =x溶劑 式中 x溶劑溶劑的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。式中 p 溶液的蒸氣壓降低值； 溶劑的蒸氣壓； x溶質(zhì)溶質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。 拉烏爾定律的表達(dá)形式為： 拉烏爾定律是溶液最基本定律之一，是稀溶液其它依數(shù)性的基礎(chǔ)。 只有稀溶液中的溶劑才服從拉烏爾定律，溶質(zhì)不服從拉烏爾定律。 這是因?yàn)樵谙∪芤褐腥苜|(zhì)的量很少，對(duì)溶劑分子間的相互作用力幾乎沒有影響。但是由于溶質(zhì)分子的存在，降低了溶液中溶劑分子在溶液表面的覆蓋度， 溶液液面上方溶劑分子的數(shù)目比純?nèi)軇┮好嫔戏降纳伲?阻礙了溶劑分子的揮發(fā)，所以使溶劑的蒸氣壓降低。 因

11、此難揮發(fā)非電解質(zhì)溶液的蒸氣壓要比純?nèi)軇┑牡汀＠? -5 20時(shí)，將114g蔗糖溶解到1kg的水中形成糖水溶液，溶液的蒸氣壓力為2.251kPa，求蔗糖摩爾質(zhì)量（已知20時(shí)純水的飽和蒸氣壓為2.265kPa，蔗糖摩爾質(zhì)量的理論值為342g/mol）。M蔗糖 = 332 g/mol 液體的蒸氣壓與液體的性質(zhì)和溫度有關(guān)。在相同溫度下，不同的液體，其蒸氣壓不同。溫度升高時(shí)，液體的蒸氣壓增大。 液體的蒸氣壓等于外壓時(shí)的溫度稱為液體的沸點(diǎn)。 液體的沸點(diǎn)與外壓有關(guān)，外壓越大，沸點(diǎn)就越高。液體在101.325 kPa 下的沸點(diǎn)稱為正常沸點(diǎn)。1.5.2 溶液的沸點(diǎn)升高 什么是液體的沸點(diǎn)？ 在相同溫度下，難揮發(fā)非

12、電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓總比純?nèi)軇┑牡?。?dāng)溫度升高到純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)時(shí)，純?nèi)軇┑恼魵鈮旱扔谕饨鐗毫Χ序v；但溶液的蒸氣壓則低于外界壓力。要使溶液的蒸氣壓等于外界壓力，必須升高溫度。這樣必然導(dǎo)致溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為溶液的沸點(diǎn)升高。圖1 -1 溶液的沸點(diǎn)上升沸點(diǎn)的升高值: Tb=Tb-Tb 實(shí)驗(yàn)表明：難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的沸點(diǎn)升高值 與溶質(zhì)B的質(zhì)量摩爾濃度bB成正比。Tb kb為溶劑的沸點(diǎn)升高常數(shù)，單位為Ckgmol1 bB為溶液的質(zhì)量摩爾濃度。 沸點(diǎn)升高常數(shù)kb只與溫度和溶劑的性質(zhì)有關(guān)，與溶質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。 沸點(diǎn)升高公式只適用于含非揮發(fā)性溶質(zhì)的非電解質(zhì)稀溶液。 1.5.3 凝固點(diǎn)下降

13、凝固點(diǎn)（或熔點(diǎn)） 是在一定外壓下（通常是101.325kPa）物質(zhì)的固相蒸氣壓與液相蒸氣壓相等時(shí)的溫度。 例如：水的凝固點(diǎn)是冰水共存達(dá)平衡時(shí)的溫度，此時(shí)水和冰有共同的蒸氣壓。 非電解質(zhì)稀溶液會(huì)表現(xiàn)出隨著溶質(zhì)總量的增加而凝固點(diǎn)下降的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為溶液的凝固點(diǎn)下降。 溶液的凝固點(diǎn)下降也是由于溶液的蒸氣壓下降引起的（圖1 -2）。 圖1 -2 溶液的凝固點(diǎn)下降凝固點(diǎn)降低值可用下面的公式表示為： Tf = T Tf f 表示凝固點(diǎn)T 和Tf 表示純水和水溶液的凝固點(diǎn)溫度。 實(shí)驗(yàn)表明：溶液的凝固點(diǎn)下降值與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比關(guān)系：kf為溶劑的凝固點(diǎn)下降常數(shù)，單位為Ckgmol1 bB為溶液的質(zhì)量

14、摩爾濃度 凝固點(diǎn)下降公式不僅適用于含非揮發(fā)性溶質(zhì)的非電解質(zhì)的稀溶液，也適用于含揮發(fā)性溶質(zhì)的電解質(zhì)的稀溶液。 kf只與溫度和溶劑的性質(zhì)有關(guān)，與溶質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。例1-6 在25.00g的苯中加入0.244g的苯甲酸，測(cè)得凝固點(diǎn)下降值為0.2048C。求苯甲酸在苯中的分子式。 解: 查表可得苯的凝固點(diǎn)下降常數(shù)為5.12Ckgmol1。據(jù)凝固點(diǎn)下降公式：Tf = KfbB可以計(jì)算出bBb苯甲酸 = = =解得M苯甲酸 = 244 g/mol由于苯甲酸C6H5COOH的摩爾質(zhì)量為122 g/mol，所以苯甲酸在苯中的分子式為(C6H5COOH)2，是一個(gè)二聚體。1.5.4 溶液的滲透壓 1.5.4.1

15、滲透壓 有這樣一種膜，膜上具有許多微小的孔， 它們只允許某種或某些物質(zhì)透過，而不允許另外一些物質(zhì)透過，例如只能允許比較小的溶劑分子（水分子）通過，而不能允許較大的溶質(zhì)分子（例如蛋白質(zhì)分子、糖分子等）通過，或者不允許懸浮顆粒通過，這種膜稱為半透膜。 許多天然的或人造的薄膜對(duì)于物質(zhì)的透過都有選擇性，圖1 -3 滲透現(xiàn)象和滲透壓(a)滲透發(fā)生前；(b)滲透現(xiàn)象；(c)滲透壓 這種只有溶劑分子通過半透膜自動(dòng)擴(kuò)散的過程叫滲透。 水分子通過半透膜從純水進(jìn)入溶液或從稀溶液進(jìn)入較濃溶液的現(xiàn)象稱為滲透現(xiàn)象。滲透現(xiàn)象產(chǎn)生的原因： 滲透現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于半透膜兩側(cè)與膜接觸的溶劑分子數(shù)目不等引起的。相同體積的純水內(nèi)的水

16、分子數(shù)目比溶液的多，由于溶劑水分子能自由通過半透膜，而溶質(zhì)分子不能通過。因此在相同時(shí)間內(nèi)由純水通過半透膜進(jìn)入溶液的水分子數(shù)目要比由溶液進(jìn)入純水的多，其結(jié)果是水分子從純水進(jìn)入溶液。 水分子從純水向溶液方向滲透的速度快，導(dǎo)致溶液液面不斷升高，其水的凈壓力漸漸增加，結(jié)果使溶液一側(cè)的水分子滲入稀溶液的速度漸漸加快，當(dāng)這種壓力增加到一定值時(shí)，恰好使半透膜兩側(cè)水分子的滲透速度相等，滲透達(dá)到平衡，溶液的液面不再上升。 由此可見，產(chǎn)生滲透作用必須具備兩個(gè)條件：一是要有半透膜存在；二是膜兩側(cè)單位體積內(nèi)溶劑的分子數(shù)不等，即存在濃度差。 我們要阻止純水透過半透膜進(jìn)入溶液，使?jié)B透現(xiàn)象不發(fā)生，就必須在溶液的液面上施加一

17、定的壓力。見圖13（c) 這種恰好能阻止?jié)B透進(jìn)行而施加于溶液液面上的額外壓力稱為溶液的滲透壓。滲透壓是阻止純?nèi)軇┲械娜軇┓肿舆M(jìn)入溶液的最小壓力。 注意：溶液的滲透壓只有溶液和純?nèi)軇┍话胪改じ糸_時(shí)才能顯示出來，凡是溶液均能產(chǎn)生滲透壓。 滲透壓力與濃度、溫度的關(guān)系 1877 年，德國(guó)植物學(xué)家 Pfeffer 用人工制成的半透膜測(cè)量蔗糖水溶液的滲透壓力。發(fā)現(xiàn)了如下兩個(gè)規(guī)律： （1）在熱力學(xué)溫度一定時(shí)，稀溶液的滲透壓力與溶液的濃度成正比； （2）在濃度一定時(shí)，稀溶液的滲透壓力與熱力學(xué)溫度成正比。 1886 年，荷蘭物理學(xué)家范特霍夫(Vant Hoff) 歸納出滲透壓力與濃度、溫度之間的關(guān)系,指出： 當(dāng)

18、溫度一定時(shí)，稀溶液的滲透壓與溶液的物質(zhì)的量濃度成正比，當(dāng)濃度一定時(shí)，稀溶液的滲透壓與絕對(duì)溫度成正比。范特霍夫滲透壓定律 范特霍夫滲透壓定律表示式為： cBRT 為滲透壓，單位為kPa； R為氣體常數(shù)（8.314kPaLmol-1K-1）； T為絕對(duì)溫度，單位為K； cB為物質(zhì)的量濃度，單位為mol/L。 滲透壓在生物學(xué)中具有重要的意義，因?yàn)橛袡C(jī)體細(xì)胞膜大多具有半透膜的性質(zhì)。例如: 植物細(xì)胞汁的滲透壓可達(dá)到2026kPa，所以樹木可以長(zhǎng)到數(shù)十米； 人體血液平均滲透壓為780kPa，當(dāng)我們出汗過多，或者吃了過咸的食物，就會(huì)引起滲透壓升高，產(chǎn)生口渴的感覺； 如果喝了大量的水，使體內(nèi)的可溶物濃度下降，就會(huì)使?jié)B透壓下降。1.5.4.2 反滲透 反滲透又稱逆滲透，實(shí)際上是一種滲透過程的逆過程。在滲透過程中，如果外加在溶液液面上的壓力超過了滲透壓的壓力，就會(huì)產(chǎn)生另外一種情況