第1章-气体和溶液解析课件

无机与分析化学无机与分析化学Inorganic chemistry and analytical chemistry讲授教师：朱茂旭 教授办公地点：化学化工学院（崂山校区），海化楼409办公电话：66782513手机：15806514500Email:答疑时间、地点：（待定）所教课程：本科生：无机及分析化学无机及分析化学实验研究生：海洋沉积物化学留学生：Marine Chemistry学时：学时：68学时教材：教材：南京大学编无机及分析化学（2006年第4版）参考书：参考书：（1）武汉大学、吉林大学等校编无机化学（第3版）上、下册（2）南京大学傅献彩主编大学化学(面向21世纪教材)上、下册学习方法：学习方法：（1）课前预习，（2）认真听课，（3）课后复习，（4）认真做好课后练习。学习参考书：学习参考书：无机与分析化学题解华中科技大学出版社北京师范大学编武汉大学编南京大学编华中科技大学出版社Help each other and improve together!A piece of cake!It is too heavyStudy hard and play hard!Nothing is more difficult If you put your heart on it.第一章第一章气体和溶液气体和溶液（gas and solution）1-1 气体气体一、理想气体（一、理想气体（ideal gas）的状态方程：的状态方程：（1）分子本身不占体积，分子是具有质量的几何点，（2）分子之间没有作用力,（3）分子之间、分子与容器壁之间的碰撞不造成动能损失（完全弹性碰撞）。研究结果表明：在高温（高于273K）、低压（低于数百kPa）条件下，许多实际气体很接近理想气体。理想气体状态方程：理想气体状态方程：经常用来描述气体性质的物理量有：压强（p）、体积（V）、温度（T）和物质的量（n）。R为摩尔气体常数，R=8.315Jmol-1K-1。为气体密度（kg m-3）二、道尔顿（二、道尔顿（Dalton）分压定律分压定律将几种彼此不发生化学反应的气体放在同一容器中，则各种气体如同单独存在时一样充满整个容器。当气体混合后，各气体的压力将发生什么变化呢？道尔顿分压定律(1801年)：混合气体的总压力等于各组分气体分压之和。分压：该组分在同一温度下单独占有混合气体的容积时所产生的压力。n1,p1+n2,p2+T,VT,VT,Vn1+n2+nip1+p2+pi假如n种气体的分压为p1，p2，p3，pn，则道尔顿分压定律可表示为：p总=p1+p2+p3+pnp总=pi对于每一组分i的分压为pi，物质的量为n，混合气体的体积为V:由此可见：气体状态方程不仅适用于某一纯净气体，也适用于气体混合物。根据道尔顿分压定律：根据道尔顿分压定律，混合气体的总压和分压都符合理想气体状态方程，这是道尔顿分压定律的另一种表达形式。只有理想气体才严格遵守道尔顿分压定律，实际气体只有在较低压力和较高温度下才近似适用。道尔顿分压定律的应用：道尔顿分压定律的应用：道尔顿分压定律对于研究气体混合物非常重要。例如在分析排水法收集气体中干燥气体的体积。例题：在25下，将0.100 mol的O2和0.350 mol的H2装入3.00L的容器中，通电后氧气和氢气反应生成水，剩余过量的H2。求反应前后气体的总压和各组分的分压。反应后：2H2 +O2=2H2O 2 :1反应前：0.350 0.100剩余H2的量=0.350-20.100=0.150 mol p(H2)=124 kPa反应生成的水所占体积不计，但水产生的蒸气压必须考虑，p(H2O)=3.17 kPa(查表)p总=124+3.17=127 kPa1-2 溶液（溶液（solution）一、分散系分散系：分散系：一种或多种物质以极小的颗粒（称为分散质）分散在另一种物质（分散剂）中组成的一种体系。体系的特点：可以是均匀的，也可以是非均匀的；可以是稳定体系，也可以是不稳定体系；可以是固-固体系、固-液体系、固-气体系、液-气体系、气-气体系等等。例如：矿物分散在岩石中矿石 水滴分散在空气中云雾 糖分散在水中糖溶液 泥土分散在水中泥水 尘埃分散在空气中浮尘，（气溶胶）按分散质粒子的大小分类：介绍几个概念：相（相（phase）:物理性质和化学性质完全相同的一部分称为一个相。相与相之间有明确的界限。按分散质粒子大小分子分散系（粒子直径d 100 nm）单相体系：单相体系：只有一个相的体系。（如分子分散系）多相体系：多相体系：由两个或两个以上的相组成的体系。（胶体分散系和粗分散系）（1）NaCl+CaCl2 溶液，（溶液，（2）蔗糖溶液，（）蔗糖溶液，（3）容器中的）容器中的O2+N2，（4）河水中的泥沙河水中的泥沙溶液（solution）：一种物质以分子、原子或离子状态分散于另一种物质中形成的均匀而稳定的体系。是分子分散系，是单相体系。液态溶液水溶液：如：NaCl、糖等溶于水，形成水合分子和离子。非水溶液：如：酒精、汽油、苯等溶解一些有机物。固态溶液：Zn溶于Cu（合金）、H2溶于Pd液态溶液:气态溶液：空气分类：二、稀溶液的依数性二、稀溶液的依数性(colligative properties)依数性：稀溶液的某些性质主要取决于其中所含溶质粒子的数目，而与溶质本身的性质无关，叫依数性。(依赖于溶质粒子数的性质)依数性包括：溶液蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降、渗透压等。1）溶液的蒸气压(vapor pressure)蒸发：凝聚：饱和水蒸气压：当蒸发和凝聚速率相等时，达到平衡状态，水面上的蒸气压不变，此时的蒸气压叫饱和水蒸气压，简称水蒸气压。在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂在溶液中的摩尔分数，即：p=pB*xBpB*为纯溶剂的蒸气压xB为溶剂的摩尔分数注意：当溶质是电解质，或虽非电解质但溶液很浓时，溶液的依数性规律就会发生变化，所以，讨论依数性只能讨论非电解质稀溶液的依数性。p=pB*xB xB=1-xA p=pB*(1-xA)pB*-p=pB*xA p=pB*-p=pB*xA拉乌尔（Raoult）定律：在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降与溶质的摩尔分数成正比。（此定律只适用于稀溶液，溶液越稀，越符合此定律）拉乌尔也可以用质量摩尔浓度来表示。质量摩尔浓度的单位：molkg-1。（每千克溶剂中所溶解的溶质的摩尔数）p=pB*-p=pB*xA2）溶液的沸点(boiling point)和凝固点(freezing point)沸点：对溶液来说，蒸气压随温度的升高而增加，当蒸气压等于大气压时，液体开始沸腾，这个温度叫沸点。沸点随外压的改变而改变，外压越低，沸点越低。当水中加入难挥发性非电解质，因蒸气压下降，在相同温度下就比纯溶剂相低，就不会沸腾，只有再升高温度，才能沸腾。Tb=Kbbboiling pointKb：沸点上升常数，单位：K kg mol-1Kb的大小取决于溶剂的本性，与溶质的本性无关。2）溶液的沸点和凝固点凝固点：当物质的液相蒸气压和固相蒸气压相等时的温度叫凝固点。温度t/:0 -1 -5 -10 -15冰的蒸汽压p/Pa:611 562 402 260 165当固相蒸气压液相蒸气压向液相 转化（融化）。Tf=Kfbfreezing pointKf：凝固点下降常数，其大小取决于溶剂的本性，与溶质的本性无关。现象：海水在零度时不结冰。溶剂沸点/Kb/Kkgmol-1凝固点/Kf/Kkgmol-1 水苯乙酸奈樟脑100 0.51280 2.53118 2.93218 5.80208 5.95 0 1.865.5 5.1017 3.9080 6.9 178 40.0常见溶剂的Kb和Kf2）渗透压(osmotic pressure)渗透压的产生：IIV=nRTII=cRT对于稀溶液：II=bRT注意：渗透压只有当溶液与纯溶剂被半透膜隔开时才会产生。如果半透膜外不是纯水，而是一种稀溶液，则稀溶液和浓溶液之间同样产生渗透压。依数性的应用：依数性的应用：致冷剂：冰和盐混合物作致冷剂。NaCl和冰混合物最低温度可达250.6K(30gNaCl+100g水)；CaCl2和冰混合物最低温度可达218K(42.5g CaCl2+100g水)。防冻剂：在严寒的冬天，为防止汽车水箱冻裂，常在水箱的水中加甘油或乙二醇以降低水的凝固点。由于测定蒸气压和渗透压的技术比较困难，常采用沸点升高和凝固点下降来测定溶质的摩尔质量。只有对摩尔质量特别大的物质(如血红素等生物大分子)才采用渗透压法。求分子量：p=Kb Tb=Kbb Tf=Kfb II=bRT配制等渗透液：渗透现象在许多生物过程中有着不可缺少的作用，特别是人体静脉输液所用的营养液(如葡萄糖液等)都需要经过细心调节以使之与血液具有同样的渗透压(约780kPa)，否则血红细胞将遭到破坏。1-3 胶体溶液（胶体溶液（colloid solution）一、胶体的基本特征胶体的直径：1-100 nm多相性、高分散性、热力学不稳定性。二、胶体的制备：分散法凝聚法研磨法：机械分散法，（球磨机、胶体磨）。超声波法：超声分散。胶溶法：在某些沉淀物中加入胶溶剂，使沉淀变成胶体溶液。电弧法：用于制备贵金属溶胶。物理凝聚法：化学凝聚法：利用一种物质在不同溶剂中溶解度相差悬殊的特点制备溶胶。如Hg蒸汽通入冷水中，制Hg溶胶；S的乙醇溶液倒入水中制硫磺溶胶。控制化学反应的条件来制备溶胶。三、胶体的性质1）动力学性质：布朗运动2）光学性质：丁达尔现象当分散粒子大于入射光波长，主要发生反射；当分散粒子小于入射光波长，主要发生散射。可见光波长400-700 nm，溶胶直径1-100nm，发生散射。每一个胶体粒子变成一个小光源，向四周发射与入射光波长相同的光波。真溶液粒子太小，光散射微弱，显示不出丁达尔现象。可用丁达尔现象来区别溶胶和真溶液。3）电学性质：电泳电泳在电场作用下，胶体粒子在分散介质中作定向移动的现象。表明胶体粒子是带电荷的带负电荷的溶胶：负溶胶；带正电荷的溶胶：正溶胶。电泳现象四、胶团结构和电动电势1）胶团结构稀AgNO3+过量稀KIAgI溶胶问题：过量稀AgNO3+稀KIAgI溶胶？胶核吸附层扩散层胶粒独立运动的单元AgI溶胶粒子的胶团示意图溶胶粒子的胶团示意图注意：胶体带电荷的原因有多种。KI过量过量AgNO3过量过量2）电动电势（electrokinetic potential）注意：电势只有在电场作用下，胶粒和介质作相对运动时才表现出来。电势可通过电泳淌度的测定计算出来。滑动面吸附层厚度扩散层厚度热力学电势Helmholtze平行板平行板双电层模型双电层模型Gouy-Chapman扩散双电层模型扩散双电层模型Stern 模型模型的大小与反离子在双电层中的分布有关：（1）吸附层中反离子越多，越小，所以，是衡量胶粒带净电荷的多少；（2）胶粒吸附正离子，为正；吸附负离子，为负；（3）电解质对的影响非常大，加入电解质，更多反离子进入吸附层，扩散层变薄，下降。因为吸附层中部分反离子抵消了固相表面电荷，因此，Rb+K+Na+Li+对正溶胶：Cl-Br-NO3-I-2）溶胶的相互聚沉：将带相反电荷的溶胶混合，由于异号相吸，相互中和电性，而发生聚沉。如：明矾净水作用。Al(OH)3溶胶带正电荷，而水体中的悬浮物多带负电。3）加热：升高温度有利于被吸附离子的解吸，从而降低了电势；升温增加粒子的热运动，增加碰撞的机会，有利于聚沉。