第1章 氣體和溶液

無機及分析化學辦公室：化學樓810室E-mail:hmliu2004@126.com劉紅梅副教授緒論為什么學？怎么學？學什么？在原子-分子層次上研究物質的組成、結構、性質及其變化規(guī)律的科學?；瘜W被公認為是一門中心科學(centralscience)為什么學？化學與生命科學密切相關※化學與藥物早在16世紀，歐洲化學家就提出化學要為醫(yī)治疾病制造藥物。

1800年，英國化學家DavyH發(fā)現(xiàn)了一氧化二氮的麻醉作用。后來乙醚、普魯卡因(Procaine)...1932年，德國科學家DomagkG找到一種偶氮磺胺染料Prontosil，使一位患細菌性血中毒的孩子得以康復。在此啟發(fā)下，化學家制備了許多新型的磺胺藥物，并開創(chuàng)了今天的抗生素領域?！瘜W是醫(yī)學和生命科學最重要的工具箱之一化學向醫(yī)學和生命科學研究提供了許多重要方法，尤其是化學檢驗，在現(xiàn)代和未來醫(yī)學中都將發(fā)揮不可替代的作用?！瘜W是學習生命科學理論知識的基礎

生物化學可以認為是生命的化學，是研究微生物、植物、動物及人體等的化學組成和生命過程中的化學變化的一門科學。分子生物學是從分子水平研究生物大分子的結構與功能，從而闡明生命現(xiàn)象本質的科學。無機化學(InorganicChemistry)：研究除碳氫化合物及其衍生物以外的物質(單質及化合物)的組成、結構、性質及其相互變化的一門學科。學什么？無機化學理論部分內容產(chǎn)物(晶體結構)原子結構分子結構化學反應化學平衡沉淀平衡解離平衡氧化還原平衡配位平衡1.定性分析(Qualitativeanalysis)；2.定量分析(Quatitativeanalysis)。分析化學(AnalyticalChemistry)：研究物質化學組成、含量、結構的分析方法及有關理論的一門學科。1.化學熱力學(chemicalthermodynamics)2.化學動力學(chemicalkinetics)

物理化學(Physicalchemistry)：以物理的原理和實驗技術為基礎，研究化學體系的性質和行為，發(fā)現(xiàn)并建立化學體系中特殊規(guī)律的學科。

怎么學？預習聽課筆記練習復習無機及分析化學實驗自學討論課外讀物澄清師生概念Teacher/SupervisorvsDirector/AdviserLecturer---AudienceHelperandResourceFriendshipallthetime！考核方式成績%課外作業(yè)

30%期末考試

70%回答問題

加分？總成績

100%

(和加分？)教學內容安排第1章氣體和溶液第2章化學熱力學初步第3章化學平衡和化學反應速率 第4章解離平衡第5章氧化還原反應第6章原子結構、元素周期律 第7章分子結構與化學鍵第8章配位化合物 教學內容安排第9章生命元素及其在生物體內的作用(自學)第10章分析化學基礎知識第11章酸堿滴定分析法第12章比色法與分光光度法第13章分析化學中常用的分離方法和生物試樣的前處理(自學)

教材：無機及分析化學.南京大學《無機及分析化學》編寫組，第四版，高等教育出版社(2003).參考書:1.無機化學.大連理工大學編,第四版,高等教育出版社(2001).2.分析化學.武漢大學主編,第四版,高等教育出版社(2001).3.無機及分析化學題解，趙中一等，華中科技大學出版社4.無機及分析化學學習指導，鐘國清等，科學出版社第一章氣體和溶液1-1氣體一、理想氣體狀態(tài)方程1.理想氣體:

大量分子的集合體分子—幾何質點分子—分子無相互作用2.理想氣體狀態(tài)方程式:

pV=nRT

R

摩爾氣體常數(shù)8.315kPa·L·mol-1·K-1或8.315J·mol-1·K-1標準狀況下：p=101.325kPa

T=273.15K1mol氣體的標準摩爾體積為22.4141L

使用公式時注意各物理量單位的統(tǒng)一二、Dalton分壓定律

p=p1+p2+……=Σpi

說明：(1)混合物中所有組分的摩爾分數(shù)的和為1(2)道爾頓分壓定律對研究混合氣體非常重要衍生推導：理想氣體狀態(tài)方程式不僅適用于單一氣體，也適用于混合氣體

pi=niRT/V

p=∑pi=∑niRT/V=nRT/Vpi=(ni/n)p=xipxi=ni/n摩爾分數(shù)一、分散系(dispersesystem)分散系分散質(分散相)分散劑(分散介質)例如：葡萄糖水溶液分子分散系(d<1nm)Fe(OH)3膠體溶液膠體分散系(d:1-100nm)泥水體系粗分散系(d>100nm)1-2溶液相:物理性質和化學性質完全相同的一部分氣相固相液相單相系統(tǒng)(均相系統(tǒng))例分子分散系,又稱溶液多相系統(tǒng)例膠體分散相粗分散相

溶液固態(tài)溶液(鋁合金含鎂、錳、銅)氣態(tài)溶液(空氣)液態(tài)溶液(水溶液，有機溶液)二、稀溶液的通性溶液的濃度→溶質的粒子數(shù)例如：稀葡萄糖水溶液；乙二醇水溶液。NaCl水溶液？不同的溶質分別溶于某種溶劑中，所得溶液的性質往往不同。但只要溶液的濃度較稀，同時溶質為難揮發(fā)非電解質，則具有一些通性，包括:蒸氣壓降低、沸點升高、凝固點下降及滲透壓等。這類性質只與溶質粒子的數(shù)量有關,而與溶質的本性無關。依數(shù)性AnInterestingPhenomenonTwodifferentaqueoussolutionsinaclosedcontainer.Afteratime,thelevelsareunequal.Explainwhythisspontaneouschangeoccurred.在一定溫度下，將某純溶劑如純水放入密閉的容器中純水的蒸汽壓H2O(l)H2O(g)蒸發(fā)凝聚1.液體的蒸汽壓(一)溶液的(飽和)蒸汽壓下降定義：一定溫度時,液相蒸發(fā)速率與氣相凝聚速率相等時，氣液兩相處于平衡狀態(tài)時的蒸汽所具有的壓力叫飽和蒸汽壓。單位：Pa,kPa不同溫度下水的蒸汽壓

T/Kp/kPaT/Kp/kPa2732782832933033133230.61060.87191.22792.33854.24237.375412.333633334335336337342319.918335.157447.342670.1001101.3247476.0262影響蒸汽壓的因素①純溶劑的本性固體物質；易揮發(fā)性物質；難揮發(fā)性物質②溫度2.溶液蒸汽壓下降A純溶劑B溶液難揮發(fā)的非電解質溶液:單位時間逸出液面的溶劑分子數(shù)比純溶劑少AnInterestingPhenomenonTwodifferentaqueoussolutionsinaclosedcontainer.Afteratime,thelevelsareunequal.Explainwhythisspontaneouschangeoccurred.?氯化鈣作為干燥劑pB*:純溶劑的蒸汽壓xB:溶劑的摩爾分數(shù)p:溶液的蒸汽壓3.在一定溫度下,難揮發(fā)非電解質稀溶液的蒸汽壓等于純溶劑的蒸汽壓與溶劑的摩爾分數(shù)的乘積。4.拉烏爾(Raoult)定律∵xA+xB=1(xA溶質的摩爾分數(shù),XB溶劑的摩爾分數(shù))p=p*

xB=p*(1-xA)=p*-p*xA∴p*-p=p*xA令Δp=p*-p有

Δp=p*xA

Δp表示溶液的蒸汽壓下降,Δp≥0拉烏爾定律的另一表示式：由于nB>>nA，若A溶于1000g溶劑B，有則Δp=K

bA

K:與溶劑性質相關的常數(shù)結論：難揮發(fā)性的非電解質稀溶液，蒸氣壓下降數(shù)值只取決于溶劑的本性(K)及溶液的質量摩爾濃度bbA:溶質的質量摩爾濃度(mol·kg-1)令解

K=pB*MB/1000=77.30kPa×72.15g.mol-1/1000=5.578kPa.Kg.mol-1(2)(二)溶液的沸點升高和凝固點下降BoilingPointrisingandFreezingPoint

lowering

1.液體的沸點:液體的蒸汽壓等于外界壓強時的溫度。水的正常沸點是100℃。液體的正常沸點是指外壓為101.3kPa時的沸點。b為溶質的質量摩爾濃度(mol·kg-1)Kb為溶劑的摩爾沸點升高常數(shù)2.溶液的沸點溶液的沸點總是高于純溶劑的沸點。

Why?

溶液沸點升高是由溶液的蒸汽壓下降引起。Tb=Tb-Tb0

=KbbTb0

Tbb為溶質的質量摩爾濃度(mol·kg-1)Kf為溶劑的摩爾凝固點降低常數(shù)3.溶液的凝固點凝固點:物質的固、液兩相蒸汽壓相等時的溫度。純水的凝固點為273K,在此溫度水和冰的蒸汽壓相等。

溶液的凝固點總是低于純溶劑。溶液凝固點下降是由溶液的蒸汽壓下降引起。ΔTf

=|Tf-Tf0|=KfbTf

Tf04.應用測定溶質的相對分子質量(特別是小分子)。

雖然理論上沸點升高和凝固點降低兩種方法都可測量分子量，可是后者不起破壞作用、且Kf值較大，故常用。(三)溶液的滲透壓(osmosispressure)滲透現(xiàn)象及基本原理滲透壓的計算滲透壓在醫(yī)學上的意義1.滲透現(xiàn)象滲透現(xiàn)象:溶劑分子透過半透膜進入溶液的自發(fā)過程.半透膜：只允許某些物質透過而不允許另一些物質透過的薄膜。例:透析袋、超濾膜、細胞膜、毛細血管壁等水現(xiàn)象1：在鮮嫩的蔬菜上撒上鹽，立即會滲出水來，蔬菜因失水而發(fā)蔫?，F(xiàn)象2：產(chǎn)生滲透條件:⑴有半透膜存在⑵膜兩側單位體積內溶劑分子數(shù)目不等（溶液濃度不同）純溶劑→溶液稀溶液→濃溶液由于溶質(葡萄糖)分子不能透過半透膜，而水分子可以自由透過。滲透方向：產(chǎn)生滲透原因：滲透現(xiàn)象會無止境地進行下去嗎?單位時間內從膜兩側透過的溶劑分子數(shù)目相等時達到滲透平衡(v左=v右)。滲透壓(Π):阻止?jié)B透過程進行的壓力稱該溶液的滲透壓。滲透壓是溶液的一個重要性質，凡是溶液都具有滲透壓。稀溶液濃溶液反滲透技術的應用:海水淡化，濃縮果汁,處理廢水等。反滲透(reverseosmosis)

如果外加在溶液上的壓力超過了滲透壓，則會使溶液中的溶劑向純溶劑方向流動，使純溶劑的體積增加。2.溶液的滲透壓力與濃度及溫度的關系

關系式：Π=cART

(kPa)

其中cA—物質的量濃度(mol·L-1)

R—8.315J·K-1·mol-1

T—絕對溫度

(273+t)Π=bART(在濃度很稀時，b≈

cA)注意：若半透膜隔開的濃度不等的兩個非電解質溶液，為了防止?jié)B透現(xiàn)象發(fā)生，必須在濃溶液液面上施加一超額壓力，此壓力是兩溶液滲透壓力之差。3.滲透壓在醫(yī)學、生物學上的意義細胞都具有半透膜的性質，滲透現(xiàn)象普遍存在醫(yī)學上的等滲、高滲和低滲溶液是以血漿的滲透壓為標準確定的。正常人血漿的滲透濃度：303.7mmol·L-1臨床上規(guī)定：等滲溶液：cos280-320mmol·L-1

高滲溶液：cos

＞320mmol·L-1

低滲溶液：cos

＜280mmol·L-10.9%的生理鹽水及5%的葡萄糖溶液都是等滲溶液。當紅細胞處于等滲、低滲或高滲的溶液時，會發(fā)生什么現(xiàn)象？淡水魚與海水魚的區(qū)別?Aninterestingquestion:電解質稀溶液？Δp=iK·bAΔTb=iKb·bAΔTf=iKf·bA難揮發(fā)的非電解質稀溶液的依數(shù)性:

Δp=K·bAΔTb=Kb·bAΔTf=Kf·bA

對AB型強電解質(NaCl),i≈2A2B型(Na2SO4)或AB2型(MgCl2)強電解質，i≈3(近似值)。i:校正因子CaCl2HClC12H22O11?小結：Π=bART的依數(shù)性:膠?？梢允且恍┬》肿?、離子或原子的聚集體，也可以是單個的大分子。分散介質可以是液體、氣體，或是固體。溶膠:由固相物質高度分散到水中所形成的多相分散系統(tǒng)。溶膠的特征:多相性、高分散性、熱力學不穩(wěn)定性。膠體是一種或幾種物質以微粒的形式(膠粒)分散在另一種物質中形成的分散體系，膠粒的大小1~100nm。1-3膠體溶液1.動力學性質---布朗運動(不規(guī)則運動)溶膠中的膠體粒子在超微顯微鏡下被觀察到不斷地做不規(guī)則運動。一、溶膠的性質布朗運動示意圖布朗運動的本質2.光學性質---丁鐸爾效應丁鐸爾效應產(chǎn)生的原因:當分散粒直徑(粗分散系)

＞入射光波長→光投射在粒子上起反射作用→反射光。當分散粒直徑(膠體分散系)

＜入射光波長→光波可繞過粒子前進且迫使粒子振動→第二次波源向各方發(fā)射→散射光3.電學性質---電泳

在外電場作用下，帶電膠粒在介質中定向移動的現(xiàn)象稱電泳。膠體粒子帶電荷正溶膠；負溶膠1.膠團結構吸附層與擴散層帶電荷相反，形成擴散雙電層吸附層擴散層二、膠團結構和電動電勢例如，F(xiàn)e(OH)3溶膠(帶電)(帶電)(電中性)FeCl3+3H2O→Fe(OH)3+3HClFe(OH)3+HCl→FeOCl+2H2OFeOCl→FeO+