無機及分析化學：第一章 氣體和溶液

無

機

化

學第一章氣體和溶液 氣體的基本性質(zhì)：擴散性、壓縮性。

狀態(tài)方程:聯(lián)系體積、壓力、和溫度之間關(guān)系的方程式。一、理想氣體狀態(tài)方程式pV=nRT

p–氣體的壓力V–氣體的體積n–氣體的物質(zhì)的量R–摩爾氣體常數(shù)

當p單位為atm、V單位為L時，R=0.08206atm·L/mol·K

當p單位為Pa、V單位為m3時，R=8.315Pa·m3/mol·KT–熱力學溫度或絕對溫度。

單位：開爾文（符號表示：開或K）

T=t+273.15（t表示攝氏溫度）

1－1氣體pV=nRTR=pV

nT如壓力單位為帕斯卡（符號：帕或Pa，1atm=1.0133×105Pa），體積單位用米3(1m3=1000L),則：R==8.3151.0133×105Pa×22.414×10-3

m3

Pa·m3

1mol×273.15Kmol·K

功的單位是焦耳(符號：焦或J，1Pa·m3=1J），則：R=8.315J/mol·K∴pV=RTm

M∴pM=ρRT

∵1mol任何氣體在標準狀態(tài)(p=1atm或760mmHg,T=273.15K)下占有22.414升體積（即V=22.414L）。∴R==0.082061atm×22.414L

atm·L1mol×273.15Kmol·K

∵n(mol)=m(g)M(g·mol-1)說明：1、理想氣體狀態(tài)方程是一個近似方程式。2、只有在分子本身體積極?。ń咏跊]有體積）或分子間引力極?。珊雎裕┑那闆r下，氣體方程式才是準確的。這時的氣體稱為理想氣體，pV=nRT才稱為理想氣體狀態(tài)方程式。3、真實氣體分子本身有體積，分子之間有引力，但在較高溫度（≥0oC),較低壓力（小于101.3kPa）的情況下，這2個因素都可忽略不計，用pV=nRT計算的結(jié)果能接近實際情況。pV=nRT二、道爾頓分壓定律1、分體積、體積分數(shù)、摩爾分數(shù)

如：n=nO2

+nN2，則nO2/n表示氧在混合氣體中的摩爾分數(shù)，nN2/n表示氮在混合氣體中的摩爾分數(shù)。摩爾分數(shù)：是指某組分氣體的“物質(zhì)的量”與混合氣體的“物質(zhì)的量”之比，用ni表示。等溫等壓下、將0.03LN2+0.02LO2混合，所得混合氣體的體積為0.05L，即混合氣體總體積（V）等于各組分氣體體積之和。V=V1+V2+……Vi分體積：是指相同溫度下，組分氣體具有和混合氣體相同壓力時所占的體積。xi=ViV總體積分數(shù)：是指組分氣體的分體積與總體積之比，用xi表示。上述混合氣體中，氮和氧兩種氣體的體積分數(shù)分別為：xO2

==0.40.020.05xN2

==0.60.030.05xi=nin總2、分壓定律道爾頓分壓定律：混合氣體的總壓力等于各組分氣體的分壓之和。某組分氣體分壓的大小和它在氣體混合物中的體積分數(shù)（或摩爾分數(shù)）成正比。（分壓力是指混合氣體中每一種氣體單獨占有整個混合氣體的容積時所產(chǎn)生的壓力。）數(shù)字表達式：p=p1+p2+……pi

nin總pi=p

xi=p

適用條件：只有理想氣體才嚴格遵守分壓定律，因而避免在低溫、高壓條件下應(yīng)用分壓定律，即高溫、低壓條件下適用。1—3溶液一、分散系分散系：一種或幾種物質(zhì)以細小的粒子分散在另一種物質(zhì)里所形成的體系。分散質(zhì)（分散相）：被分散的物質(zhì)。分散劑（分散介質(zhì)）：把分散質(zhì)分散開來的物質(zhì)。相：體系中物理性質(zhì)和化學性質(zhì)完全相同的一部分。相單相體系：只有一個相的體系。多相體系：有兩個或兩個以上相的體系。分子分散系（粒子平均直徑d〈1nm）分散系膠體分散系（粒子平均直徑d約為1－100nm）粗分散系（粒子平均直徑d〉100nm）溶液：分散質(zhì)以分子或者比分子更小的質(zhì)點（如原子或離子）均勻地分散在分散劑中所得的分散系。溶液固體溶液（如某些合金）液態(tài)溶液氣態(tài)溶液（如空氣）空氣N2，O21相2相水CaCO3☆○◎3相K2Cr2O7KMnO4CuSO4二、稀溶液的通性稀溶液的依數(shù)性：蒸氣壓、沸點、凝固點和滲透壓。圖1-2溶液蒸氣壓下降的示意圖

當凝聚速度與蒸發(fā)速度相等，達到平衡狀態(tài)（圖1-2（a）），水面上的蒸氣濃度不再改變時，水面上的蒸氣壓力稱為飽和水蒸氣壓，簡稱水蒸氣壓。

水蒸氣壓與溫度有關(guān)，溫度越高，水蒸氣壓越高。

如果在水中加入一些難揮發(fā)的溶質(zhì)時，由于溶質(zhì)的加入必然會降低單位體積內(nèi)水分子的數(shù)目。在單位時間內(nèi)逸出液面的水分子數(shù)目便相應(yīng)地減少了，因此溶液在較低的蒸氣壓下建立平衡，即溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┑恼魵鈮旱?。（圖1-2（b））1、溶液的蒸氣壓

實驗證明：在一定溫度下，難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓等于純?nèi)軇┑恼魵鈮撼艘匀軇┰谌芤褐械哪柗謹?shù)。即：

p=pB*xB

p—溶液的蒸氣壓pB*—純?nèi)軇┑恼魵鈮簒B—溶劑的摩爾分數(shù)。

將xB

=1-xA（xA為溶質(zhì)的摩爾分數(shù)）代入上式，得

p=pB*（1-xA)

Δp=pB*-p=pB*xA

上式表明:在一定溫度下，難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓下降與溶質(zhì)的摩爾分數(shù)成正比，這稱為拉烏爾定律。（此定律只適用于稀溶液，溶液越稀，越符合定律。）質(zhì)量摩爾濃度（b）：溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量除以溶劑的物質(zhì)的量，單位為mol·kg-1。

在稀溶液中，nB》nA

,∴xA

=≈

nAnA+nBnBnA

若溶劑為水，溶解在1kg水（即55.6mol）中的溶質(zhì)的物質(zhì)的量nA就等于該溶液質(zhì)量摩爾濃度b，則：nBnA

Δp=pB*xA

≈pB*≈pB*55.6b在一定溫度下，pB*為一常數(shù)，pB*/55.6可合并為另一常數(shù)，用K表示：

即：Δp=K·b上式表明：在一定溫度下，稀溶液蒸氣壓下降與溶液的質(zhì)量摩爾濃度b成正比。ABCP/kPa611

Ti0

t/oC

圖1-4冰點下降

100Tbt/oC

101.325P/kPa圖1-3溶液的沸點上升沸點：當某一液體的蒸氣壓等于外界壓力，液體沸騰時的溫度。凝固點：物質(zhì)的液相和固相達到平衡時的溫度,即該物質(zhì)的液相蒸氣壓和固相蒸氣壓相等時的溫度。正常沸點：外界壓力為101.325kPa下的沸點。

因為在水中加入難揮發(fā)的溶質(zhì)后，溶液的蒸氣壓下降，在100oC其蒸氣壓小于101.325kPa，在100oC時溶液不能沸騰。只有將溫度升高，使溶液的蒸氣壓達到101.325kPa時，溶液才能沸騰。溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c。圖1-4中AB是水的蒸氣壓曲線，AC是冰的蒸氣壓曲線，AB與AC的交點對應(yīng)的溫度（0oC）即為水的凝固點。如果在0oC的冰水共存體系中加入一些溶質(zhì)，溶液的蒸氣壓下降了。所以，溶液的凝固點總是低于純?nèi)軇┑哪厅c。2、溶液的沸點和凝固點

造成溶液沸點升高和凝固點下降的原因是溶液的蒸氣壓下降，而溶液的蒸氣壓下降與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比（Δp=K·b），因此，可認為稀溶液的沸點升高和凝固點下降也與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比。即：

ΔTb=Kb·bΔTf=Kf·b

ΔTb—溶液沸點升高值；ΔTf—溶液凝固點下降值

單位：K·kg·mol-1,取決于溶劑的本性而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。Kb

—溶劑的摩爾沸點升高常數(shù)

Kf—溶劑的摩爾凝固點下降常數(shù)在生產(chǎn)和科學實驗中，溶液的凝固點下降這一性質(zhì)得到廣泛應(yīng)用。例如，冰和鹽混合物常用來做致冷劑，溫度可降到-22oC冰點下降還可用來測定未知物的相對分子質(zhì)量。例1-4將5.50g某純凈試樣溶于250g苯中，測得該溶液的凝固點為4.51oC。

求該試樣的相對分子質(zhì)量（純苯的凝固點為5.53oC）。解設(shè)該試樣的摩爾質(zhì)量為MΔTf=Kf·b=Kf5.50×10-3kgM0.250kgM==0.110kg·mol-15.12K·kg·mol-1×5.50×10-3kg(5.53–4.51)K×0.250×kg所以該試樣的相對分子質(zhì)量為110

滲透：溶劑分子通過半透膜自動擴散的過程。滲透壓：為了在半透膜兩邊維持滲透平衡而需要施加的壓力。反滲透：如果外加在溶液上的壓力超過滲透壓，則反而會使溶液中的水向純水的方向流動，使水的體積增加的過程。范托夫指出稀溶液的滲透壓П與溫度、濃度的關(guān)系：ПV=nRT(a)П=cRT(b)V—溶液的體積n—該體積中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量；

R—摩爾氣體常數(shù)T—熱力學溫度c—物質(zhì)的量濃度（mol·L-1）很稀的溶液，c近似等于質(zhì)量摩爾濃度b,所以，П=bRT

從式（a）或（b）可以看出，在一定溫度下，稀溶液的滲透壓與溶液的濃度成正比，與溶質(zhì)的本性無關(guān)。3、滲透壓

滲透壓在生物學中，具有重要意義。動植物細胞膜大多具有半透膜性質(zhì)，水分養(yǎng)料在動植物體內(nèi)循環(huán)是通過滲透實現(xiàn)的。植物細胞汁的滲透壓可達2X103kPa，所以水由植物的根部可輸送到高達數(shù)十米的頂端。人體血液的平均滲透壓為780kPa，在做靜脈輸液時應(yīng)該使用滲透壓與其相同的溶液，在醫(yī)學上把這種溶液稱為等滲溶液。例如臨床上使用質(zhì)量分數(shù)為0.9%的生理鹽水或質(zhì)量分數(shù)0.5%的葡萄糖溶液就是等滲溶液,如果靜脈輸液時使用非等滲溶液就可能產(chǎn)生嚴重后果。如果輸入溶液的滲透壓小于血漿的滲透壓（醫(yī)學上稱這種溶液為低滲溶液），水就可以通過血紅細胞膜向細胞內(nèi)滲透，致使細胞腫脹甚至破裂，這種現(xiàn)象醫(yī)學上稱為溶血。如果輸入溶液的滲透壓大于血漿的滲透壓（醫(yī)學上稱之為高滲溶液），血紅細胞內(nèi)的水會通過細胞膜滲透出來，引起血紅細胞的皺縮，并從懸浮狀態(tài)中沉降，這種現(xiàn)象醫(yī)學上稱為胞漿分離。溶膠:粒子直徑在1-100nm之間,含有數(shù)百萬乃至上億個原子的一類難溶多分子聚集體.溶膠的基本特征:多相性、高分散性、熱力學不穩(wěn)定性。1—4膠體溶液一、溶膠的制備制備條件：1、分散相粒子大小在合適的范圍內(nèi)。2、膠粒在液體介質(zhì)中保持分散而不聚結(jié)，必須加入穩(wěn)定劑。制備方法：1、分散法：用適當?shù)氖侄问勾髩K物質(zhì)在有穩(wěn)定劑存在下分散成膠體粒子般大小。常用方法：研磨法、超聲波法、電弧法、膠溶法2、凝聚法：常用方法：物理凝聚法：利用適當?shù)奈锢磉^程使某些物質(zhì)凝聚成膠粒般大小的粒子。例：制取汞溶膠，將汞蒸汽通入冷水中。

化學凝聚法：使能生成難溶物質(zhì)的反應(yīng)，在適當?shù)沫h(huán)境下進行，所得到的產(chǎn)物恰好處于膠體狀態(tài)。例如將H2S通入稀的亞砷酸溶液，通過復(fù)分解反應(yīng)，可得到硫化砷溶膠

2H3AsO3+3H2S=As2S3(溶膠）+6H2O

通過水解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)制得溶膠。如:FeCl3+3H2O==Fe(OH)3（溶膠）+3HCl2AuCl3+3HCHO+3H2O==2Au(溶膠）+6HCl+3HCOOH沸騰Δ二、溶膠性質(zhì)動力性質(zhì)——布朗運動電學性質(zhì)----電泳光學性質(zhì)----丁鐸爾效應(yīng)

大多數(shù)金屬硫化物、硅酸、土壤、淀粉、金、銀等膠粒帶負電，稱負溶膠。大多數(shù)金屬氫氧化物的膠粒帶正電，稱正溶膠。+AgAg-變深變淺As2O3帶負電三、膠團結(jié)構(gòu)和電動電勢1、膠團結(jié)構(gòu)以稀AgNO3與過量的稀KI溶液反應(yīng)制備AgI溶膠為例。膠團結(jié)構(gòu)簡式：K+K+K+

K+K+

K+K+K+AgI

膠團結(jié)構(gòu)示意圖膠核

[（AgI）m·nI-·(n-x)K+]x-·xK+膠粒膠團K+K+K+圖中：縱坐標—電勢高低橫坐標—離膠粒固相表面的距離MN—膠粒固相的界面AB—膠粒運動時的滑動面MA—吸附層的厚度AC—擴散層的厚度2、電動電勢－

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