无机化学-气体和溶液

第一章气体和溶液（gas and solution）
1-1 气体
一、理想气体（ideal gas）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。
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。
Tb = Kb·b
II = bRT
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。
●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。
五、胶体的稳定性与聚沉(coagulation) 1）稳定性： 溶胶具有很大的比表面积，总是有自发聚集成更大颗粒，降低表面能的倾向，
因此，是热力学不稳定体系，但胶体具有相对稳定性。 溶胶相对稳定的原因： 1）布朗运动， 2）胶粒带电， 3）溶剂化作用（扩散层和吸附层离子都水合）——起保护作用。 可用来衡量溶胶的稳定性： 越大，胶粒带电量越多，扩散层厚，溶剂化层也厚，溶胶就越稳定。 2）聚沉： 聚沉：溶胶失去稳定性，相互碰撞导致颗粒变大，最后以沉淀形式析出。
p总
n1 V
RT
n2 V
RT
...
nn V
Байду номын сангаас
RT
p总
RT V
ni
n总
RT 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，混合气体的总压和分压都符合理想气体状态
方程，
pi
ni V
RT
p总
n总
RT V
pi ni p总 n总
pi
ni n总
p总
定义：xi
ni n总
, (x为摩尔分数)
则有：pi xi p总
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
1-3 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
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。
溶剂 水 苯 乙酸 奈 樟脑
沸点/℃ 100 80 118 218 208
常见溶剂的Kb和Kf
Kb /Kkgmol-1 0.512 2.53 2.93 5.80 5.95
凝固点/℃ 0 5.5 17 80 178
Kf /Kkgmol-1 1.86 5.10 3.90 6.9 40.0
2）渗透压(osmotic pressure)
因为吸附层中部分反离子抵消了固 相表面电荷， 因此，< E
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。
当电解质浓度增加到一定程度时，吸附层中的反离子完全抵消了颗 粒表面电荷， 变为0，扩散层厚度为0。
3）影响溶胶聚沉的主要因素： 1）电解质的聚沉作用：加入电解质，影响 , 导致聚沉，如: 河口聚沉作用。 聚沉值：使溶胶聚沉所需电解质的最低浓度，单位为mmolL-1。 电解质使溶胶聚沉起作用的是与胶粒相反电荷的离子，价态越高，聚沉能力
越强（叔尔采-哈迪规则）。 反号离子价态相同，不同离子聚沉能力也不一样： 如： 对负溶胶： Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+
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，（2）蔗糖溶液，（3）容器中的O2+N2， （4）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。
分类：
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*xB pB*为纯溶剂的蒸气压 xB为溶剂的摩尔分数
按分散质粒子的大小分类：
按分散质 粒子大小
分子分散系（粒子直径d<1nm） 胶体分散系（粒子直径d = 1-100 nm ） 粗分散系（粒子直径d > 100 nm ）
介绍几个概念： 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。
单相体系：只有一个相的体系。（如分子分散系）
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 向固相转化（凝固）
当固相蒸气压>液相蒸气压向液相 转化（融化）。
Tf = Kf·b
freezing point Kf：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。
渗透压的产生：
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。
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。
IIV = nRT II = cRT 对于稀溶液：II = bRT
依数性的应用：
由于测定蒸气压和渗透压的技术比较
●致冷剂：冰和盐混合物作致冷剂。 困难，常采用沸点升高和凝固点下降
T, V n1+n2+…+ni p1+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+…+ pn
p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:
pi
ni V
RT
根据道尔顿分压定律： p总 p1 p2 p3 ... pn
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 kPa
1-2 溶液（solution）
一、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
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。
●求分子量： p = K·b Tf = Kf·b
凝聚法
利用一种物质在不同溶剂中溶解度相差悬殊的 物理凝聚法： 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。 化学凝聚法： 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。
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
胶核 吸附层
胶粒
独立运动的单元
扩散层
问题：过量稀AgNO3 + 稀KIAgI溶胶？
KI过量
AgNO3过量
AgI溶胶粒子的胶团示意图
注意：胶体带电荷的原因有多种。
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。
T, V
T, V
n1, p1 + n2, p2 +……
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