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第三篇 分散系及水溶液中的化学平衡理论

第三篇 分散系及水溶液中的化学平衡理论. 第六章 溶液和胶体分散系. 【 基本要求 】. 1. 了解分散系的概念。 掌握溶液组成标度的各种表示方法；掌握难挥 发、非电解质稀溶液依数性和有关计算及应用。 3. 了解胶体溶液的基本性质；掌握固体在溶液中的 吸附规律和胶团结构；理解溶胶的稳定性，溶的保护和破坏方法。 4. 了解表面活性物质的结构和应用。. 6.1 分散系. 基本概念. 1. 一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的系统叫做分散系统简称分散系 (dispersed system) 。

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第三篇 分散系及水溶液中的化学平衡理论

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  1. 第三篇 分散系及水溶液中的化学平衡理论

  2. 第六章 溶液和胶体分散系 【基本要求】 1.了解分散系的概念。掌握溶液组成标度的各种表示方法；掌握难挥 发、非电解质稀溶液依数性和有关计算及应用。 3.了解胶体溶液的基本性质；掌握固体在溶液中的 吸附规律和胶团结构；理解溶胶的稳定性，溶的保护和破坏方法。 4.了解表面活性物质的结构和应用。

  3. 6.1 分散系 基本概念 1.一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的系统叫做分散系统简称分散系(dispersed system)。 2.被分散的物质叫做分散质或分散相(dispersed phase)。 3.容纳分散质的物质叫做分散剂或分散介质（dispersed medium）。 6.1.1分散系的分类 按分散质粒子的直径的大小，分散系可分为粗分散系、胶体分散系和分子分散系。

  4. 1. 按分散质颗粒大小分类

  5. 2. 根据分散质与分散剂的聚集状态分类

  6. 6.2 溶液 6.2.1 溶液的组成标度 1.B的物质的量浓度 (amount of substance concentration of B) c(B) c(B)表示的是单位体积溶液内所含溶质基本单元的物质的量。 2. B的质量摩尔浓度(molality of solute B) b(B) b(B)表示单位质量(kg)的溶剂中所含溶质B基本单元的物质的量。

  7. 例 将 0.27 g KCl 晶体 溶于 100 g 水中，计算溶液中KCl的质量摩尔浓度。 解： KCl 的摩尔质量为 74.5 g·mol-1。 KCl 的质量摩尔浓度为：

  8. 对任何一个多组分溶液 3. B的物质的量分数浓度(mole fraction of B) x(B) 用x(B)表示， x(B)的量纲为一。 4. B的质量分数(mass fraction of B) ω(B) 用ω(B)表示， ω(B)的量纲为一。

  9. 例室温下，将112 g 乳酸钠（NaC3H5O3）溶于1.00 dm-3纯水中配成溶液，计算溶液中乳酸钠的摩尔分数。 解：室温下，水的密度约为 1000 g· dm-3； NaC3H5O3 的摩尔质量为 112 g·mol-1； H2O 的摩尔质量为 18g.mol-1。 溶液中乳酸钠的摩尔分数为：

  10. 5. 农业上常见的其他浓度 (1)常用mg·kg-1、µg·g-1或µg·kg-1等表示。可看成是每千克（或克）溶液中含溶质的质量为多少毫克（或微克)。。 (2)如果是水溶液，因其密度为1g·cm-3, 所以相应的浓度可看成是每立方分米（或立方厘米）溶液中含溶质的质量为多少毫克(或微克)。单位为：mg·dm-3、µg· cm-3和µg·dm-3。 实际可分两类： 一类是溶液中溶质和溶剂的相对质量； 另一类为体积浓度，表示一定体积溶液中所含溶质的量， 两类浓度之间可通过溶液的密度进行换算:

  11. 6.2.2 稀溶液的依数性 溶质的本性决定: 如溶液的颜色、密度、导电性等 另一类性质仅与溶质的量有关而与溶质的本性无关。 如：非电解质溶液的蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压等，这类性质叫依数性（colligative properties）。 当溶质是难挥发的非电解质稀溶液时，这类性质表现得更有规律。称之为稀溶液的依数性或稀溶液通性。 溶液的几种性质

  12. 1. 溶液的蒸气压下降 (1)液体的蒸气压 说明： 1.液体的蒸气压与液体的性质和温度有关。　 2.液体的蒸气压等于外压时的温度称为液体的沸点。 3.固体物质也具有一定的蒸气压。但固体的蒸气压较小。 在一定温度下，当液体与其蒸气达到液、气两相平衡时，液面上方的蒸气称为饱和蒸气，饱和蒸气所产生的压力称为该温度下液体的饱和蒸气压，简称蒸气压。

  13. 溶液蒸汽压下降实验 解释: 1.当水中溶入难挥发非电解质后，每个溶质分子和若干个溶剂分子形成了溶剂化分子，溶剂化分子束缚了一些高能量的溶剂分子。 2.溶液的表面被一部分难挥发非电解质的分子占据着。 （2）蒸气压下降 当加入某可溶物质形成溶液时，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压低。称为溶液的蒸气压下降(vapor pressure lowering)。

  14. 在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压p，等于相同温度下纯溶剂的饱和蒸气压乘以溶液中溶剂A的摩尔分数x(A)。这就是著名的拉乌尔定律(Raoult law)： 对由溶剂 A 和难挥发非电解质 B 组成的稀溶液： x(A)+ x(B) = 1 即 x(A)=1–x(B)

  15. 在稀溶液中，溶剂的物质的量远大于溶质的物质的量，即 n(A)+ n(B) ≈n(A) 任何一种溶剂，当温度一定时，令式中的 p﹡(A)MA=KP，故 ∆p = KP ·b(B) 该式表明，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降与溶质B的质量摩尔浓度成正比，而与溶质的本性无关。 KP物理意义：当b(B)=1mol·Kg-1是的蒸气压下降值。

  16. 2. 溶液的沸点(Tb)升高和凝固点(Tf)下降 当液体蒸气压等于外界压力时，液体就会沸腾，此时的温度称为该液体的沸点（boiling point）Tb。 一定外压下，纯物质发生固相与液相间转变时的温度，称为物质固相的熔点或液相的凝固点(freezing point)Tf。

  17. 应用：常常根据难挥发、非电解质稀溶液的沸点升高和凝固点降低的规律来测定非电解质物质的相对分子质量。

  18. 例 从尿中提取出一种中性含氮化合物，将90mg 纯品溶解在 12 g 蒸馏水中，所得溶液的凝固点比纯水降低了 0.233 K， 试计算此化合物的相对分子质量。 解： 该中性含氮化合物的摩尔质量为： 此中性含氮化合物的相对分子质量为：

  19. 3.溶液的渗透压（osmotic pressure） (1)渗透现象和渗透压力 （1）渗透 ②渗透压力 为了阻止渗透的发生，必须在溶液的液面上施加一额外压力。这种恰好能阻止渗透进行而施加于溶液液面上的额外压力称为溶液的渗透压力。 ①渗透现象 水分子通过半透膜从纯水进入溶液或从稀溶液进入较浓溶液的现象称为渗透。

  20. 渗透现象产生的原因：由于溶质分子不能通过半透膜但却占据了半透膜的表面，阻止了溶液中水分子的渗出，其结果是水分子从纯水进入溶液。渗透现象产生的原因：由于溶质分子不能通过半透膜但却占据了半透膜的表面，阻止了溶液中水分子的渗出，其结果是水分子从纯水进入溶液。 产生渗透现象的条件： （1）必须有半透膜存在; （2）半透膜两侧相同体积的液体中水分子数目不相等。

  21. (2)渗透压力与浓度、温度的关系 1886 年，荷兰理论化学家范特荷甫(Van’t Hoff 1852～1911) 指出：非电解质稀溶液的渗透压与其浓度和热力学温度成正比。 对很稀的水溶液来说，c(B)≈ b(B)，也可以写成： π= b(B)RTRT乘积是一常数故：π= Kb(B) π:渗透压(kPa) ；R = 8.31 kp·dm-3·mol-1·K-1

  22. >320 mmol·L-1质壁分离 <280 mmol·L-1溶血 等渗 通过测定溶液的渗透压力，可以计算溶质的摩尔质量。 (3)渗透压力在医学上的意义(等渗、低渗和高渗溶液) 医学上规定渗透浓度在 280~320 mmol·L-1的溶液为等渗溶液；渗透浓度小于 280 mmol·L-1,的溶液为低渗溶液；渗透浓度大于 320 mmol·L-1的溶液为高渗溶液。 　　

  23. 上述内容可归纳为： (1)难挥发的非电解质稀溶液的蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降和渗透压只和溶解于一定量的溶剂中溶质的物质的量成正比，而与溶质的本性无关称为稀溶液的依数性。这一规律称为稀溶液定律。凡符合依数性定律的溶液叫做理想溶液。 (2)浓溶液和电解质溶液虽然也具有蒸气压下降、沸点升高、凝固下降和产生渗透压等性质，但是不符合依数性的规律。

  24. 6.3 表面现象 6.3.1 表面能 与液面相切方向上垂直作用于单位长度上的紧缩力称为表面张力（surface tension）。 若要增大表面积，就必须将分子从液体内部拉到表面，这一过程需要做功，这种功作为表面分子多余的能量贮藏在表面上，称为表面能（surface energy）。 表面积越大，表面能越高，系统越不稳定。

  25. 6.3.2 吸附现象 吸附剂(adsorbent)+吸附质(adsorbate)=吸附剂吸附质+放热 物理吸附与化学吸附区别

  26. 1．固体对气体的吸附 2．溶液中固－液界面上的吸附 (分子吸附和离子吸附) (1) 分子吸附 固体吸附剂在非电解质或弱电解质溶液中对溶质分子的吸附，称为分子吸附。 具有“相似相吸”的特点，即极性吸附剂较易吸附极性物质，非极性吸附剂较易吸附非极性物质。 例如，活性炭在含有色素的水溶液中能很好地吸附色素分子而对水分子的吸附很小。

  27. (2) 离子吸附 离子选择吸附 固体吸附剂对强电解质溶液中的离子吸附 离子交换吸附 ① 离子选择吸附 当溶液中含有多种离子时，吸附剂优先吸附其中某一种离子，这种现象称为离子的选择性吸附。一般来说，固体优先吸附与它组成相关的离子。 例如：AgCl固体，若溶液中有AgNO3，则Ag+被优先吸附而使固体带正电荷；若溶液中存在KCl，则Cl–1被优先吸附而使固体带负电荷。

  28. R―COOH＋Na+ R―COONa＋H＋ 2R―COOH＋Ca 2+ ② 离子交换吸附 同价离子的交换能力随离子水合程度的减小而增大。如一价阳离子交换能力为:Cs十＞Rb+＞K+＞Na+＞Li十 阳离子交换树脂含有许多羧基(—COOH)，能把羧基中的H+与水中的金属离子Ca2+、Mg2+、Na+等进行交换。如以R表示与羧基相联的其他树脂部分，则上述的交换过程可表示为：

  29. RNH2＋HCl (RNH3)Cl 2 RNH2＋H2SO4 (R NH3)2 SO4 再生：RCOONa＋HCl RCOOH＋NaCl RNH3Cl＋NaOH RNH2＋NaCl＋H2O 此外，对于土壤养分保持 若将其中的酸除去，可使这种水再通过阴离子交换树脂，即含有许多氨基(一NH2)的人造树脂，离子交换树脂与酸结合在一起而生成盐。例如：

  30. 6.4 溶胶 6.4.1 溶胶的制备(略)[分散法和凝聚法] 6.4.2 溶胶的一般性质 1. 光学性质－丁铎尔现象 一束光线照射到置于暗处的溶胶时，有一条发亮的光柱，这种现象称为丁铎尔现象

  31. 2．动力学性质－布朗运动 在超显微镜下观察胶体溶液可以看到胶体颗粒不断地作无规则的运动称为布朗运动。 胶粒的 Brown 运动是由于胶粒受到处于不停运动的分散剂分子撞击， 其合力不为零而引起的。

  32. 3．电学性质—电泳和电渗 ⑴电泳 将电极插入溶胶中，在外电场作用下，分散质颗粒在分散剂中定向移动称为电泳（electrophoresis)。

  33. ⑵电渗 若将分散质固定不动，分散剂在电场中的定向移动称为电渗(electro osmosis)。 电泳和电渗统称为电动现象（electrokinetic effects）。 电动现象说明溶胶粒子带电

  34. 某些溶胶的带电情况 (3)胶粒带电的原因 ①胶核的选择吸附 ②胶粒表面分子的解离

  35. 例如 例如用FeCl3水解来制备氢氧化铁溶胶： FeCl3＋3H2O＝Fe(OH)3＋3HCl FeCl3水解是分步进行的： FeCl3＋2H2O＝Fe(OH)2Cl＋2HCl Fe(OH)2Cl＝FeO＋＋Cl–＋H2O 又如制备硫化砷溶胶的反应为： 2H3AsO3＋3H2S＝As2S3＋6H2O 溶液中过量的H2S进行离解 H2S =H＋＋HS― HSiO-和SiO32-留在粒子表面，使粒子带负电荷。 使溶胶粒子带电荷的离子称为电位离子，而留在溶液中的符号相反的离子，称为反离子。

  36. 6.4.3 胶团结构 1.由许多Fe(OH)3分子聚集而成直径在1~100nm的[Fe(OH)3]m颗粒，称为胶核。 2.胶核[Fe(OH)3]m优先吸附FeO+而带正电荷，FeO+称为电势离子。 3.与电位离子电荷相反的离子叫做反离子。 4.一部分反离子被电位离子吸引得较牢固，它们与所有的电位离子一起构成吸附层或固定层，胶核与吸附层构成的固相部分称作胶粒。 5.另一部分反离子与固相结合不牢固，构成扩散层。带电的胶粒与扩散层一起构成电中性的胶团。

  37. 氢氧化铁的胶团结构图 6.胶粒带正电荷的溶胶称为正溶胶，胶粒带负电荷的溶胶称为负溶胶。胶粒在电场中的定向移动就是电泳。

  38. AgI 溶胶的胶团结构示意图： 又如： [(AgI)m.nI-.(n-x) .K+]x-.xK+ AgI 负溶胶的结构简式表示为:? AgI 正溶胶的结构简式表示为:? [(AgI)m.nAg+.(n-x) . NO3-]x+.x NO3-

  39. 6.4.4 溶胶的稳定性和聚沉 1. 溶胶的稳定性 (1)动力稳定性Brown 运动溶胶的胶粒的直径很小，Brown 运动剧烈，能克服重力引起的沉降作用。 (2)聚结稳定性是指溶胶在放置过程中不发生分散质的粒子相互聚结的作用。　 　　①胶粒有双电层结构 ②溶剂化作用

  40. 2. 溶胶的聚沉(aggregation)或凝结(coagulation) ⑴ 电解质的聚沉作用 聚沉值是指在一定时间内使一定量的某溶胶完全聚沉所需电解质的最小浓度，一般用mmol·dm–3 电解质对溶胶的聚沉规律为： ① 叔采-哈迪(Schuize—Hardy)规则。电解质中与溶胶带相反电荷的离子主要起聚沉作用，且聚沉能力随离子电荷的增加而显著增大。

  41. ② 同价离子的聚沉能力随水化离子半径增大而减小。例如碱金属离子的聚沉能力为： Cs十＞Rb+＞K+＞Na+＞Li十 对正溶胶来说， Cl-＞Br-＞I-这种顺序称为感胶离子序(lyotropic series)。 ③ 一般来说，有机离子都有非常强的聚沉能力。 ⑵ 溶胶的相互聚沉作用 ⑶ 加热 (4) 溶胶浓度过大

  42. 6.6 表面活性剂 乳浊液 6.6.1 表面活性剂的结构及作用机理 凡加入少量而能显著降低液体表面能的物质叫表面活性剂(surface active agent)。凡是溶于水后能增加水的表面能的物质叫表面惰性剂。 表面活性剂的分子具有极性和非极性两部分。极性部分如-OH、-COOH、-COO¯、-SO3H等亲水基；非极性部分如碳氢链，是疏水基。总称“双亲分子”（亲水亲油分子） 可发生在油—水系统和固液界面上，使表面活性剂分子发生定向排列。例如润滑作用，润滑油是非极性的，金属是极性的.

  43. 表面活性剂溶于水时，亲水基受到水分子吸引，疏水部分被水分子排斥。可采取两种方式稳定存在：一是亲水基在水中，疏水基在液面形成单分子膜。二是许多活性剂分子自动聚结，形成“胶束”。胶束可为球形，也可为层状结构，都尽可能将疏水基藏于胶束内部使亲水基外露。表面活性剂溶于水时，亲水基受到水分子吸引，疏水部分被水分子排斥。可采取两种方式稳定存在：一是亲水基在水中，疏水基在液面形成单分子膜。二是许多活性剂分子自动聚结，形成“胶束”。胶束可为球形，也可为层状结构，都尽可能将疏水基藏于胶束内部使亲水基外露。 6.6.2 表面活性剂的分类与应用 (1)洗涤作用 (2) 乳化作用 乳浊液（emulsion）是一种液体以小液滴分散在另一种液体中的粗分散系。若油分散在水中，称为水包油型乳浊液，用O／W表示；若水分散在油中(如开采出来的原油)，称为油包水型乳浊液，用W／O表示。 将油与水放在一起剧烈振荡所得到的乳浊液不稳定，分散质的液滴互相碰撞会自动合并而分层。若要得到稳定的乳浊液，必须加入乳化剂作为稳定剂。这种作用叫做乳化作用(mulsification）。

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