第3章溶液和膠體溶液

第3章溶液和膠體1.1分散系1.2溶液濃度的表示方法1.3稀溶液的通性1.4膠體溶液溶液（solution）:凡是由一種或多種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中形成的混合體系。

分散質(zhì)(dispersionphase)

分散系

分散劑(dispersionmedium)分散質(zhì)和分散劑可以是固體、液體或氣體。3.1分散系表3-1按聚集狀態(tài)分類的各種分散系分散質(zhì)分散劑實例

氣氣空氣、家用煤氣液氣云、霧固氣煙、灰塵氣液泡沫、汽水液液牛奶、豆?jié){、農(nóng)藥乳濁液固液泥漿、油漆、墨水氣固泡沫塑料、木炭、浮石液固肉凍、硅膠、珍珠固固紅寶石、合金、有色玻璃

表3-2按分散質(zhì)粒子大小分類的各種分散系分散質(zhì)分散系類型分散質(zhì)主要性質(zhì)

粒子直徑<1nm低分子或離子小分子或離子均相，穩(wěn)定，擴散快分散系顆粒能透過半透膜1-100nm膠體分散系：高分子溶液高分子均相，穩(wěn)定，擴散慢顆粒不能透過半透膜

溶膠分子、離子、多相，較穩(wěn)定，擴散慢原子的聚集體顆粒不能透過半透膜

>100nm粗分散系：分子的大集合體多相,不穩(wěn)定,擴散很慢乳濁液、顆粒不能透過濾紙懸浮液

3.2

溶液濃度的表示方法

3.2.1物質(zhì)的量濃度

cB—B的物質(zhì)的量濃度，單位為mol·L-1。

nB

—

物質(zhì)B的物質(zhì)的量，單位為mol。

V—混合物的體積，單位為L。

注意:

使用物質(zhì)的量單位mol時，要指明物質(zhì)的基本單元。例：

c(KMnO4)=0.10mol·L-1

c(1/5KMnO4)=0.10mol·L-1的兩個溶液。兩種溶液濃度數(shù)值相同，但是，它們所表示1L溶液中所含KMnO4的質(zhì)量是不同的，前者15.8克，后者為3.16克。3.2.2質(zhì)量摩爾濃度

bB—溶質(zhì)B的質(zhì)量摩爾濃度，單位為mol·Kg-1。

nB—溶質(zhì)B的物質(zhì)的量，單位為mol。

mA

—溶劑的質(zhì)量，單位為kg。3.2.3摩爾分數(shù)

nB—B的物質(zhì)的量，SI單位為mol；n—混合物總的物質(zhì)的量，SI單位為mol；—物質(zhì)B的摩爾分數(shù)，量綱為一。溶質(zhì)B的摩爾分數(shù):溶劑A的摩爾分數(shù):

所以兩組分的溶液系統(tǒng)：

對任何一個多組分系統(tǒng)：則3.2.4質(zhì)量分數(shù)

mB—

物質(zhì)B的質(zhì)量；m—混合物的質(zhì)量；—B的質(zhì)量分數(shù)，量綱為一。

解：根據(jù)題意，100g溶液中含有NaCl10g，水90g。即m(NaCl)=10g,而m(H2O)=90g因此例3-1求ω(NaCl)=10%的NaCl水溶液中溶質(zhì)和溶劑的摩爾分數(shù)。3.2.5幾種溶液濃度之間的關(guān)系

1.物質(zhì)的量濃度與質(zhì)量分數(shù)

cB—溶質(zhì)B的量濃度;

—溶液的密度;—溶質(zhì)B的質(zhì)量分數(shù);

MB—溶質(zhì)B的摩爾質(zhì)量。

2．物質(zhì)的量濃度與質(zhì)量摩爾濃度

cB—溶質(zhì)B的量濃度;

—溶液的密度;m

—溶液的質(zhì)量;nB

—溶質(zhì)B的物質(zhì)的量。例1-2已知濃硫酸的密度＝1.84g·mL-1,含硫酸為96.6%，如何配制c(H2SO4)=0.10mol·L-1的硫酸溶液500mL?

解：根據(jù)題意,則有：

根據(jù)C(A)V(B)=C’(A)V’(B)

則有

所以需量取2.8mL濃硫酸，將濃硫酸慢慢加入400mL左右的蒸餾水中，然后稀釋至500mL。3.3稀溶液的通性

稀溶液的通性，或者稱為依數(shù)性(colligativeproperty):

稀溶液蒸氣壓的下降、沸點上升、凝固點下降和稀溶液的滲透壓與溶液中溶質(zhì)的獨立質(zhì)點數(shù)有關(guān)，而與溶質(zhì)的本身性質(zhì)無關(guān)。3.3.1溶液蒸氣壓的下降

飽和蒸氣壓（saturatedvaporpressure）,簡稱蒸氣壓(po)：

將一種純液體（純?nèi)軇┲糜谝粋€密封容器中，當(dāng)蒸發(fā)為氣態(tài)的溶劑粒子數(shù)目與氣態(tài)粒子凝聚成液態(tài)的溶劑粒子數(shù)目相等時，這時液體上方的蒸氣所具有的壓力稱為溶劑在該溫度下的飽和蒸氣壓。拉烏爾定律p=po×χA法國物理學(xué)家拉烏爾(RoultFM)在1887年總結(jié)出一條關(guān)于溶劑蒸氣壓的規(guī)律。P—溶液的蒸氣壓，單位為Pa；

po

—溶劑的飽和蒸氣壓，單位為Pa；χA

—溶劑的摩爾分數(shù)。

由于

χA十χB＝l，即

χA＝l一χB所以

p=po×（1-χB）=po-p

o·χB

po-p=p

o·χB△p

=po-p=p

o·χB△p—溶液蒸氣壓的下降值，單位為Pa；B—溶質(zhì)的摩爾分數(shù)。結(jié)論:在一定溫度下，難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓的下降值與溶質(zhì)的摩爾分數(shù)成正比。——拉烏爾定律

3.3.2溶液沸點升高和疑固點下降

圖1—1溶液的沸點升高凝固點降低示意圖

△Tb=Kb×bB△Tb—溶液沸點的變化值，單位為K或℃；

bB—溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度，單位為mol·kg-1;

Kb—溶液沸點上升常數(shù)，單位為K·kg·mol-1或

℃·kg·mol-1,Kb只與溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。不同的溶劑有不同的Kb值。

表3-3幾種溶劑的Tb和Kb

△Tf

—溶液凝固點下降值，單位為K或℃；

bB—溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度，單位為mo1·kg-1；

Kf—溶液凝固點下降常數(shù)，單位為K·kg·mol-1

或

℃·kg·mol-1。Kb只與溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。△Tf＝Kf×bB表3-4幾種溶劑的Tf和Kf值

思考題：難揮發(fā)物質(zhì)的溶液在不斷沸騰時，它的沸點是否恒定？在冷卻過程中它的凝固點是否恒定？用測凝固點的方法來估算溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量。例3-3有一質(zhì)量分數(shù)為1.0%的水溶液,測得其凝固點為273.05K．計算溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量。解：根據(jù)公式：△Tf=Kf×bB則有所以有

即mB/mA≈1.0%所以溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量為183

由于該溶液的濃度較小，

所以mA+mB≈mA3.3.3溶液的滲透壓

滲透(osmosis)：由物質(zhì)粒子通過半透膜單向擴散的現(xiàn)象。半透膜(semipermeablemembrane)：在兩個不同濃度的溶液之間，存在一種能有選擇地通過或阻止某些粒子的物質(zhì)。

圖1-2滲透壓示意圖滲透壓(osmosispressure)：為維持只允許溶劑通過的膜所隔開的溶液與純?nèi)軇┲g的滲透平衡而需要的超額壓力。П—溶液的滲透壓，單位為Pa；cB—溶液的濃度，單位為mo1·L-1；

R—氣體常數(shù)，為8.31kPa·L·mol-1·K-1；

T—體系的溫度，單位為K。П×V=nB×R×T

即

П=cB×R×T

即該蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量為30569。

例3-4有一蛋白質(zhì)的飽和水溶液，每升含有蛋白質(zhì)5.18克，已知在298.15K時,溶液的滲透壓為413Pa,求此蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量。解：根據(jù)公式

П=cB×R×T

測定溶液滲透壓，也能估算溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量。稀溶液的定理：

難揮發(fā)、非電解質(zhì)稀溶液的某些性質(zhì)(蒸氣壓下降、沸點上升、凝固點下降和滲透壓)與一定量的溶劑中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量成正比，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。思考題：稀溶液的各項通性，為什么不適用于濃溶液和電解質(zhì)？表3-5NaCl和HAc溶液的凝固點下降

3.4膠體溶液

膠體分散系溶膠（如Fe(OH)3膠體和As2S3膠體等）

高分子溶液（淀粉溶液和蛋白質(zhì)溶液等）3.4.1分散度和表面吸附

分散系的分散度(dispersiondegree)常用比表面積(specificsurface)來衡量。s—分散質(zhì)的比表面積，單位是m-1；S—分散質(zhì)的總表面積，單位是m2；V—分散質(zhì)的體積，單位是m3。3.4.2膠團的結(jié)構(gòu)

圖1-3KI過量時形成的AgI膠團結(jié)構(gòu)示意圖

例：稀AgNO3與過量的稀KI溶液反應(yīng)制備AgI溶膠。AgI膠團結(jié)構(gòu)簡式：{（AgI)m

·nI-·

（n-x）K+}x-·xK+

膠核電位離子反離子反離子

吸附層擴散層

膠粒

膠團氫氧化鐵、三硫化二砷和硅膠的膠團結(jié)構(gòu)簡式可表示如下:{(Fe(OH)3)m·nFeO+·(n-x)Cl-}x+·xCl-{(As2S3)m·nHS-·(n-x)H+}x-·xH+{(H2SiO3)m·nHSiO3-·（n-x）H+}X-·xH+注意:在制備膠體時,一定要有穩(wěn)定劑存在。通常穩(wěn)定劑就是在吸附層中的離子。

3.4.3膠體溶液的性質(zhì)

膠體溶液的性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)溶膠的動力學(xué)性質(zhì)溶膠的電學(xué)性質(zhì)

1.光學(xué)性質(zhì)

1869年，丁達爾(Tyndall)在研究膠體時，他將一束光線照射到透明的溶膠上，在與光線垂直方向上觀察到一條發(fā)亮的光柱。這一現(xiàn)象稱為丁達爾效應(yīng)(Tyndalleffect)。由于丁達爾效應(yīng)是膠體所特有的現(xiàn)象，因此，可以通過此效應(yīng)來鑒別溶液與膠體。（1）顆粒的直徑遠遠大于入射光的波長，此時入射光被完全反射，不出現(xiàn)丁達爾效應(yīng)；（2）物質(zhì)的顆粒直徑比入射波長小的話，則發(fā)生光的散射作用而出現(xiàn)丁達爾現(xiàn)象。

因為溶膠的粒子直徑在1一100nm，而一般可見光的波長范圍在400一760nm，所以可見光通過溶膠時便產(chǎn)生明顯的散射作用。

光線照射到物體表面時，可能產(chǎn)生兩種情況：2.溶膠的動力學(xué)性質(zhì)

溶膠的布朗運動：

在超顯微鏡下看到溶膠的散射現(xiàn)象的同時，還可以看到溶膠中的發(fā)光點并非是靜止不動的，它們是在作無休止、無規(guī)則的運動。3.溶膠的電學(xué)性質(zhì)

1-4表示電泳的實驗裝置U形管中裝入棕紅色的氫氧化鐵溶膠

結(jié)論：氫氧化鐵溶膠粒子帶正電。

電泳(electrophoresis)：

在電場中，溶膠體系的溶膠粒子在分散劑中能發(fā)生定向遷移。

根據(jù)電泳實驗判斷溶膠粒子的帶電性。溶膠粒子帶電的主要原因：（1）吸附作用：氫氧化鐵溶膠，該溶膠是

FeCl3

溶液在沸水中水解而制成的。在整個水解過程中，有大量的FeO+存在，由于Fe(OH)3

對FeO+的吸附因而溶膠帶正電。（2）電離作用：硅膠粒子帶電就是因為H2SiO3電離形成HSiO3-或SiO32-，并附著在表面而帶負電。

H2SiO3＝HSiO3-+H+＝SiO32-+2H+3.4.4溶膠的穩(wěn)定性和聚沉

溶膠的穩(wěn)定性1.溶膠的穩(wěn)定性

布朗運動

膠粒的雙電層結(jié)構(gòu)溶膠的聚結(jié)穩(wěn)定性

溶劑化膜

2.溶膠的聚沉

聚沉(coagulation)：膠體分散系中的分散質(zhì)從分散劑中分離出來的過程。影響溶膠聚沉的因素主要有：（1）電解質(zhì)對溶膠的聚沉作用（2）溶膠的互聚電解質(zhì)對溶膠的聚沉作用電解質(zhì)的聚沉能力：用聚沉值的大小來表示。聚沉值—

指一定時間內(nèi)，使一定量的溶膠完全聚沉所需要的電解質(zhì)的最低濃度。電解質(zhì)的聚沉值，聚沉能力。電解質(zhì)的聚沉值，聚沉能力。例：Fe(OH)3正溶膠：聚沉能力：K3[Fe(CN)6]>MgSO4>AlCl3

帶負電溶膠：聚沉能力：Rb+＞K+＞Na+＞Li+

結(jié)論

（1）與膠粒所帶電荷相反的離子電荷越高，對溶膠的聚沉作用就越大。（2）隨著離子半徑的減小，離子的聚沉能力減弱。

As2S3負溶膠：

聚沉能力：AlCl3>MgSO4>K3[Fe(CN)6]溶膠的互聚兩種帶有相反電荷的溶膠按適當(dāng)比例相互混合，溶膠同樣會發(fā)生聚沉。例：

明礬凈水作用。天然水中膠態(tài)的懸浮物大多帶負電，明礬在水中水解產(chǎn)生的Al(OH)3溶膠帶正電，它們相互聚沉而使水凈化。3.5高分子溶液和乳濁液

1.5.1高分子溶液

（1）高分子溶液由于其溶質(zhì)的顆粒大小與溶膠粒子相近，屬于膠體分散系，所以它表現(xiàn)出某些溶膠的性質(zhì)，例如，不能透過半透膜、擴散速度慢等。（2）高分子溶液是一種熱力學(xué)穩(wěn)定體系。

（3）溶解的可逆性。（4）高分子溶液具有一定的抗電解質(zhì)聚沉能力。（1）定義：通過加入大量電解質(zhì)使高分子化合物聚沉的作用稱為鹽析。膠體分散系中的分散質(zhì)從分散劑中分離出來的過