第一章 分散體系.ppt

1、1,第一章 分散體系 Disperse System,1.1 分散系、氣體、溶液 1.2 稀溶液的通性 1.3 電解質(zhì)溶液 1.4 膠體溶液 1.5 乳濁液和高分子溶液,2,學(xué)習(xí)要求 1.了解分散系的分類及主要特征。 2.掌握理想氣體狀態(tài)方程式和氣體分壓定理。 3.掌握稀溶液的通性及其應(yīng)用。 4.熟悉膠體的基本概念、結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)等。 5.了解高分子溶液、表面活性物質(zhì)、乳濁液 的基本概念和特征。,無機及分析化學(xué) 第一章,3,分散系（disperse system）: 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。,分散相(dispersion phase) 分散系 分散介質(zhì)(dispers

2、ion medium) 分散相和分散介質(zhì)可以是固體、液體或氣體。,1.1 分散系,無機及分析化學(xué) 第一章,4,表 按聚集狀態(tài)分類的各種分散系 分散相 分散介質(zhì) 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,無機及分析化學(xué) 第一章,5,無機及分析化學(xué) 第一章,表 按分散相粒子大小分類的各種分散系 分散相 分散系類型 分散相 主要性質(zhì) 粒子直徑/nm 100 乳濁液 分子的大集合體 多相,不穩(wěn)定,擴(kuò)散很慢 懸浮液

3、顆粒不能透過濾紙,膠體分散系,溶液,粗分散系,6,相：系統(tǒng)中任何一個均勻的部分稱為一個相，在同 一相內(nèi)具有相同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。 單相系統(tǒng)：只含有一相，是均勻的。 多相系統(tǒng)：多于一相的系統(tǒng)叫多相系統(tǒng)。 說明：相與組分不同，相與物態(tài)不同，通常兩相 之間有明確的界面分開 氣態(tài)混合物均為一（單）相。液態(tài)混合物視互溶 與否分一、二、三相。 固態(tài)混合物有多少種純固體物質(zhì)，即有多少相。,無機及分析化學(xué) 第一章,7,氣體,理想氣體狀態(tài)方程,p 氣體的壓力 ，單位為Pa V 氣體的體積，單位為m3 n 氣體的物質(zhì)的量，單位為mol R 摩爾氣體常數(shù)，8.314Jmol-1L-1 T 氣體的熱力學(xué)溫度，單位

4、為K,壓力不太高、溫度不太低，分子本身體積和分子間的作用力可以忽略,適用條件,無機及分析化學(xué) 第一章,8,道爾頓分壓定律,由于在通常條件下，氣體分子間的距離大，分子間的作用力很小，所以氣體具有兩大特征，即擴(kuò)散性和可壓縮性，任何氣體都可以均勻充滿它所占據(jù)的容器。 如果將幾種彼此不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體放在同一容器中，各種氣體如同單獨存在時一樣充滿整個容器。 分壓力：在相同溫度下，混合氣體中某組分氣體單獨占有混合氣體的容積時所產(chǎn)生的壓力。,無機及分析化學(xué) 第一章,9,分壓定律(law of partial pressure):混合氣體 的總壓等于組成混合氣體的各組分 氣體的分壓之和。,p 氣體的總壓

5、pB 組分氣體B的分壓,(1-2),無機及分析化學(xué) 第一章,10,(1-2a),(1-2b),兩式相除，得,(1-3),將組分氣體B的摩爾分?jǐn)?shù)xB=nB/n代入，得,(1-4),無機及分析化學(xué) 第一章,11,(1-5),將式(1-5)代入式(1-3)，得,(1-6),在同溫同壓狀態(tài)下,無機及分析化學(xué) 第一章,分壓定律只適用于理想氣體混合物，但對壓力不太高的真實混合氣體，在溫度不太低的情況下也可以使用。,12,外加例題：在250C與101 kPa 壓力下，已知丁烷氣中 有1.00%(重量)的H2S , 求: H2S 和C4H10 的分壓力。,解：設(shè)現(xiàn)有1 公斤丁烷氣，則其中：,n(H2S) =,

6、n(C4H10) =,P(H2S) =,P(C4H10 ) =,13,廣義地說，兩種或兩種以上的物質(zhì)均勻混合而且彼此呈現(xiàn)分子（或離子）狀態(tài)分布者均稱為溶液。,溶液的濃度：是指一定量溶液或溶劑中所含溶質(zhì)的量。 由于“溶質(zhì)的量”可取物質(zhì)的量、質(zhì)量、體積，溶液的量可取質(zhì)量、體積，溶劑的量常可取質(zhì)量、體積等，所以在實際生活中我們所遇到的濃度的表示方法是多種多樣的。,1.1溶液濃度的表示方法,14,1.1.1 物質(zhì)的量濃度 cB 溶質(zhì)B的物質(zhì)的量濃度 ，單位為molL-1 nB 溶質(zhì)B的物質(zhì)的量，單位為mol V 混合物的體積，單位為L,無機及分析化學(xué) 第一章,(1-7),15,注意: 使用物質(zhì)的量單位

7、mol時，要指明物質(zhì)的基本單元。,例： c(KMnO4)=0.10molL-1 c(1/5KMnO4)=0.10molL-1的兩個溶液。 兩種溶液濃度數(shù)值相同，但是，它們所表示1 L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。,無機及分析化學(xué) 第一章,16,1mol H3PO4與3mol (1/3 H3PO4 )的基本單元和基本單元數(shù)是否相同？質(zhì)量是否也相同？摩爾質(zhì)量比是多少？,Question,17,無機及分析化學(xué) 第一章,1.1.2 質(zhì)量摩爾濃度,bB 溶質(zhì)B的質(zhì)量摩爾濃度，單位為molkg-1 nB 溶質(zhì)B的物質(zhì)的量，單位為mol mA 溶劑A的質(zhì)量，單位為

8、kg,質(zhì)量摩爾濃度與溫度無關(guān),(1-8),18,無機及分析化學(xué) 第一章,1.1.3 質(zhì)量分?jǐn)?shù),mB 物質(zhì)B的質(zhì)量 m 混合物的質(zhì)量 B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，量綱為1,摩爾分?jǐn)?shù),(1-9),19,【例】：在常溫下取NaCl飽和溶液10.00cm3，測得其質(zhì)量為12.003g，將溶液蒸干，得NaCl固體3.173g。求：（1）NaCl飽和溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，（2）物質(zhì)的量濃度，（3）質(zhì)量摩爾濃度，（4）飽和溶液中NaCl和H2O的摩爾分?jǐn)?shù)。,(2) NaCl飽和溶液的物質(zhì)的量濃度為：,解：(1) NaCl飽和溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：,20,(3) NaCl飽和溶液的質(zhì)量摩爾濃度為：,（4）NaCl飽和溶液中,21,無

9、機及分析化學(xué) 第一章,1.1.4 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?jǐn)?shù) cB 溶質(zhì)B的量濃度 溶液的密度 溶質(zhì)B的質(zhì)量分?jǐn)?shù) MB 溶質(zhì)B的摩爾質(zhì)量,22,無機及分析化學(xué) 第一章,2物質(zhì)的量濃度與質(zhì)量摩爾濃度,cB 溶質(zhì)B的物質(zhì)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,若系統(tǒng)為二組分系統(tǒng)，且B組分含量較少，可認(rèn)為,23,無機及分析化學(xué) 第一章,例 已知濃硫酸的密度1.84gmL-1,含硫酸為96.6%， 如何配制c(H2SO4)=0.10molL-1的硫酸溶液500mL?,解：根據(jù)題意, 則有： 根據(jù) C(B)V= C(B)V 則有 所以需量取2.8mL濃硫酸

10、，將濃硫酸慢慢加入400 mL左右的蒸餾水中，然后稀釋至500mL。,24,無機及分析化學(xué) 第一章,1.2 稀溶液的通性,對于難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液而言，他們具 有一些共同的通性，或者稱為依數(shù)性(colligative property) : 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)。,25,無機及分析化學(xué) 第一章,1.2.1 溶液蒸氣壓的下降,飽和蒸氣壓（saturated vapor pressure）,簡稱蒸氣壓(po) ：將一種純液體（純?nèi)軇┲糜谝粋€真空 容器中，當(dāng)蒸發(fā)速率與凝聚速率相 等時，液體上方的蒸氣所具有

11、的壓 力稱為溶劑在該溫度下的飽和蒸氣 壓。用符號 p*表示。,在純?nèi)軇┲屑尤腚y揮發(fā)的物質(zhì)以后，達(dá)平衡時，p總是小于同 T 下的p* ，即溶液的蒸氣壓下降。蒸氣壓下降值p = p* p。,26,p p* ，c 越大，p 越小， p* - p的差值也越大。,純?nèi)軇?溶液,蒸汽壓下降的原因：,27,無機及分析化學(xué) 第一章,拉烏爾定律,p =poA,法國物理學(xué)家拉烏爾(Roult F M) 在1887年總結(jié)出一條關(guān)于溶液蒸氣壓的規(guī)律。 p 溶液的蒸氣壓，單位為Pa； po 純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮?，單位為Pa； A 溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)。,28,無機及分析化學(xué) 第一章,由于 A十Bl，即 Al一B 所以 p =

12、p*（1-B）=p*-p*B p*-p = p*B p = p*-p = p*B p 溶液蒸氣壓的下降值，單位為Pa B 溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?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?jǐn)?shù)成 正比。拉烏爾定律,29,沸點（bp） 液體的蒸氣壓等于外界壓力時，液體 就會沸騰，此時的溫度稱為該液體的沸點。 凝固點（fp）物質(zhì)的液相蒸氣壓力和固相蒸氣壓力相等時的溫度。,1.2.2 溶液沸點升高和凝固點下降,30,無機及分析化學(xué) 第一章,溶液的沸點升高凝固點降低示意圖,31,無機及分析化學(xué) 第一章,Tb = KbbB 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

13、度，單位為molkg-1; Kb溶液沸點上升常數(shù)，單位為Kkgmol-1或 kgmol-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 。,32,無機及分析化學(xué) 第一章,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mo1kg-1； Kf 溶液凝固點下降常數(shù)，單位為Kkgmol-1 或 kgmol-1。 Kf只與溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與 溶質(zhì)的本性無關(guān)。,TfKfbB,33,冰和鹽混合物常用作制冷劑：冰的表面總附有少量水，當(dāng)撒上鹽后，鹽溶解在水中形成溶液，由于溶液蒸氣壓下降，使其低于冰的蒸氣壓，冰就要融化。隨著冰的融化，要吸收大量的熱，于是冰鹽

14、混合物的溫度就降低。采用NaCl和冰，溫度最低可降到-22，用CaCl26H2O和冰最低可降到-55。 凝固點下降還可用來測定作為溶質(zhì)的未知物的相對分子質(zhì)量。,溶液凝固點下降的應(yīng)用,34,無機及分析化學(xué) 第一章,用測凝固點的方法來估算溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量。 例 有一質(zhì)量分?jǐn)?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=KfbB 則有 所以有,35,無機及分析化學(xué) 第一章,即mB/mA1.0% 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+mBmA,36,無機及分析化學(xué) 第一章,思考題：難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液在不斷沸騰時， 它

15、的沸點是否恒定？在冷卻過程中它的凝固點是 否恒定？,否；不斷沸騰的過程中，溶質(zhì)濃度不斷發(fā)生變化，由于依數(shù)性與溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度有關(guān)，因此，濃度的改變會使沸點不斷發(fā)生變化。對于凝固點也是同理。,37,無機及分析化學(xué) 第一章,1.2.3 溶液的滲透壓,滲透(osmosis)：由物質(zhì)粒子通過半透膜單向擴(kuò)散的 現(xiàn)象。 半透膜(semipermeable membrane)：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)。,滲透作用產(chǎn)生的條件： 半透膜存在；膜兩側(cè)溶液的濃度不相等。,38,無機及分析化學(xué) 第一章,滲透壓示意圖,滲透壓(osmosis pressure)：為

16、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。,39,無機及分析化學(xué) 第一章,溶液的滲透壓，單位為Pa cB溶液的濃度，單位為mo1L-1 R氣體常數(shù)，為8.31kPaLmol-1K-1 T體系的溫度，單位為K,V = nBRT即 = cBRT,40,滲透壓平衡與生命過程的密切關(guān)系： 給患者輸液的濃度； 植物的生長； 人的營養(yǎng)循環(huán)。,41,例 相同質(zhì)量的蔗糖和葡萄糖分別溶解于相同 體積的水中，所得溶液的滲透壓（ ）蔗糖 (C12H22O11)葡萄糖(C6H12O6) (A)前者大于后者 (B)后者大于前者 (C)兩者相同 (D)不能判斷,B,42,反滲透：在濃溶液

17、一側(cè)增加較大的壓力 可使溶劑進(jìn)入稀溶液（或溶劑）。,P,依此 可實現(xiàn)溶液的濃縮和海水的淡化。,滲 透,反滲透,43,【例】海水在298K時的滲透壓為1479kPa，采用反滲透法制取純水，試確定用1000cm3的海水通過只能使水透過的半透膜，提取100cm3的純水，所需要的最小外加壓力是多少?,解： 隨著反滲透的進(jìn)行，海水中鹽的濃度增大，當(dāng)?shù)玫?00cm3純水時，最終海水的滲透壓2和初始海水的滲透壓1的比值為,44,c1 = n mol1000cm3 c2 n mol (1000 -100)cm3,因為滲透前后溶質(zhì)的物質(zhì)的量未減少，,45,無機及分析化學(xué) 第一章,即該蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量為305

18、69。,例 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 =cBRT,測定溶液滲透壓，也能估算溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量。,46,無機及分析化學(xué) 第一章,稀溶液定理（依數(shù)性定律）： 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)？,47,1.3 電解質(zhì)溶液,強電解質(zhì)溶液簡介,幾種電解質(zhì)水溶液的Tf,電解質(zhì)溶液的依數(shù)性偏離了拉烏爾定律,48,對于正負(fù)離

19、子都是一價的電解質(zhì)，如 KNO3，NaCl，其Tf(實)較為接近，而且近似為計算值Tf的2倍； 電解質(zhì)溶液越濃，實驗值與計算值比值越小； 正負(fù)離子為二價的電解質(zhì)溶液的實驗值Tf(實)與計算值Tf(計)比值較一價的大。,結(jié)果分析：,49,無機及分析化學(xué) 第一章,1.4 膠體溶液,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）,膠體分散系,50,無機及分析化學(xué) 第一章,1.4.1 分散度和表面吸附,分散系的分散度(dispersion degree):物質(zhì)的分散 程度，分散質(zhì)粒子越小，分散程度越大。常用比 表面積(specific surface)來衡量。

20、S0分散質(zhì)的比表面積，單位是m-1 A分散質(zhì)的總表面積，單位是m2 V分散質(zhì)的體積，單位是m3,51,例 1立方厘米的正方體粒子。,S = 6 （平方厘米） S。= 6/1 = 6厘米-1,平均分為1000個小立方體后 S = 0.10.161000 = 60（平方厘米） S。= 60/1 = 60厘米-1,L愈小，則So愈大。在膠體分散系中，分散質(zhì)的顆粒較小，其分散程度很高，具有很大的比表面積，這對膠體溶液的性質(zhì)有著重要的作用。,52,表面能: 液體或固體表面粒子比內(nèi)部粒子多出的這部分能量。,系統(tǒng)的分散度越高，比表面積越大，表面能就越高，系統(tǒng)就越不穩(wěn)定，因此液體和固體都有自動降低表面自由能的

21、能力。表面吸附是降低表面能的有效手段之一。,無機及分析化學(xué) 第一章,1.4.2 表面能,53,1.4.3 固體對氣體的吸附 物質(zhì)分子自動聚集到界面的過程，稱為吸附。,被吸附的粒子由于自身的熱運動，有些可能脫離固體表面重新回到周圍的介質(zhì)中去，此過程叫做解吸。,吸附和解吸的關(guān)系： 動態(tài)平衡,被固體表面所吸住的分子或離子稱為吸附質(zhì)，具有吸附能力的固體物質(zhì)稱為吸附劑,吸附劑的比表面積越大，則吸附作用越顯著。,吸附質(zhì)+吸附劑 吸附質(zhì)吸附劑+吸附熱,54,氣固吸附中，吸附量與溫度、氣體的分壓有關(guān)：,在壓力較小范圍內(nèi)，吸附量隨著氣體壓力的增大而急劇增加；壓力繼續(xù)增大，吸附量隨壓力增大的速率減慢；最后，當(dāng)壓力

22、大到一定程度，吸附量不再隨著氣體分壓的增大而增大。 溫度升高，平衡向著解吸的方向移動，吸附量減少。,55,（1）分子吸附：是指固體吸附劑對溶液中的非電解質(zhì)或弱電解質(zhì)分子的吸附。,這類吸附與溶質(zhì)、溶劑及固體吸附劑三者的性質(zhì)都有關(guān)。遵循的原則是所謂的“相似相吸原理”。即極性的吸附劑容易吸附極性的溶質(zhì)或溶劑；非極性的吸附劑容易吸附非極性的溶質(zhì)或溶劑。,1.4.4 固體在溶液中的吸附,56,品紅的苯溶液 + 活性炭,紅墨水+活性炭,57,（2）離子吸附：,固體吸附劑對強電解質(zhì)溶液的吸附主要是 離子吸附。 離子選擇性吸附,As2S3 選擇吸附HS- 而帶負(fù)電荷。,58,、離子交換吸附：當(dāng)固體從溶液中吸附

23、某種離子后，同時它本身又向溶液排放出等電量的同種電荷離子，這種過程稱為離子交換吸附。,能進(jìn)行離子交換的物質(zhì)為離子交換劑。如；NaR（磺化媒）、陰、陽離子交換樹脂。,59,2R-SO3H+Ca2+ = (R-SO3)2+2H+,2R-N(CH3 )3OH+SO42- = R-N(CH3 )32 SO4+2OH-,2H+ + 2OH- 2H2O,60,無機及分析化學(xué) 第一章,1.4.5 膠體溶液的性質(zhì),光學(xué)性質(zhì)（丁達(dá)爾效應(yīng)） 溶膠的動力學(xué)性質(zhì)（布朗運動） 溶膠的電學(xué)性質(zhì) （電泳）,膠體溶液的性質(zhì),61,無機及分析化學(xué) 第一章,1.4.7 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu),KI過量時形成的AgI膠團(tuán)結(jié)構(gòu)示意圖,例：稀Ag

24、NO3與過量的稀KI溶液反應(yīng)制備AgI溶膠。,膠體是一個高度分散的系統(tǒng)，膠體粒子的總表面積非常大，因而具有很高的吸附能力，并能選擇性地吸附異性電荷的離子。,62,無機及分析化學(xué) 第一章,AgI膠團(tuán)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(kuò)散層 膠粒 膠團(tuán),思考題：如果AgNO3過量，那么其膠團(tuán)結(jié)構(gòu)式如何表示？,63,例: 在AgNO3 稀溶液中加入少量的 KI 稀溶液。,無機及分析化學(xué) 第一章, （AgI)m nAg+ （n-x）NO3-x+ xNO3- 膠核 電位離子 反離子 反離子 吸附層 擴(kuò)散層 膠粒 膠團(tuán),64,無機及分析化學(xué) 第一章,氫氧化鐵、三硫化二砷和硅膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)簡式可表示如下:,(F