《無機及分析化學》PPT課件.ppt

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2020 3 30 1 第一章溶液和膠體 1 了解物質的量及其單位摩爾的概念 掌握物質的量濃度 質量摩爾濃度 摩爾分數 質量分數的計算 2 了解離子活度的概念及強電解質溶液理論 3 了解稀溶液依數性產生的原理 掌握利用稀溶液的依數性測定溶質的摩爾質量 能定性判斷各類電解質溶液對稀溶液依數性的影響 4 了解分散系的概念及分類 了解溶膠的性質 掌握膠團結構 了解溶膠的穩(wěn)定性和聚沉及其影響因素 5 了解乳狀液的特點 類型 穩(wěn)定性 2020 3 30 2 1 1分散系 一 分散系的概念一種或幾種物質分散成微小的粒子分布在另外一種物質中所構成的系統(tǒng)稱為分散系 分散系中被分散的物質稱為分散質 或分散相 容納分散質的物質稱為分散劑 或分散介質 例如 細小的小水滴分散在空氣中形成的云霧 二氧化碳分散在水中形成的汽水 各種金屬化合物分散在巖石中形成的礦石等都是分散系 你能舉例說明嗎 2020 3 30 3 二 分散系的分類 按照分散質粒子直徑大小不同分類 2020 3 30 4 按照物質的聚集狀態(tài)進行分類 2020 3 30 5 三 分散度和比表面系統(tǒng)的分散度常以分散質粒子的總表面積與其總體積之比來表示 稱為比表面 如 S0 S VS0愈大 表明系統(tǒng)的分散度越高 2020 3 30 6 例 1立方厘米的正方體粒子 求比表面 S 6 平方厘米 S 6 1 6厘米 1平均分為1000個小立方體后小立方體的邊長S 0 1 0 1 6 1000 60 平方厘米 S 60 1 60厘米 1 2020 3 30 7 1 2溶液的濃度 一 物質的量及其單位 物質的量 是國際單位制中的基本物理量之一 它表示系統(tǒng)中所含基本單元的數量 分子 H2O離子 H 電子 e 質子 Z中子 N原子 C O特定組合 1 2NaOH1 3H3PO4 基本單元 2020 3 30 8 例如 M H3PO4 M 1 2H3PO4 M 1 3H3PO4 M 2H3PO4 的摩爾質量分別為多少 相同質量的磷酸的物質的量之間的關系是怎樣的 已知196克磷酸的n 1 2H3PO4 的物質的量為多少 解 1 M H3PO4 98M 1 2H3PO4 98 2M 1 3H3PO4 98 3M 2H3PO4 2 98 2 n H3PO4 1 2 n 1 2H3PO4 1 3 n 1 3H3PO4 2 n 2H3PO4 3 n 1 2H3PO4 196 49 4 mol 2020 3 30 9 二 物質的量濃度三 質量摩爾濃度定義 溶液上溶質B的物質的量 n 除以溶劑的質量 m 單位為kg 稱為溶質B的質量摩爾濃度 用符號bB表示 單位為mol kg 1 2020 3 30 10 例如 2020 3 30 11 四 摩爾分數摩爾分數 xi 混合系統(tǒng)中 某組分的物質的量 ni 與混合物 或溶液 總物質的量 n 之比 公式 五 質量分數公式 2020 3 30 12 二 五種濃度表示方法及相互關系 名稱定義公式單位1物質的量濃度cB溶質nB 溶液VcB nB V mB MB Vmol L 12質量摩爾濃度bB溶質nB 溶劑mAbB nB mA mB MB mAmol kg 13摩爾分數xB溶質nB 溶液ni總和xB nB nA nB14質量分數 B溶質mB 溶液m B mB m15質量濃度 B溶質mB 溶液V B mB Vkg L 1注 bB xB B與T無關 xA xB 1關系 1 CB nB V mB MB m B MB 2 c A 1 2c 1 2A 2c 2A b A 1 2b 1 2A 2b 2A 3 較稀水溶液 因V m 1 CB bB 2020 3 30 13 1 3稀溶液的依數性 通常溶液的性質取決于溶質的性質 如溶液的密度 顏色 氣味 導電性等都與溶質的性質有關 但是溶液的某些性質卻與溶質的本性無關 只取決于溶質的粒子數目 這些只與溶液中溶質粒子數目有關 而與溶質本性無關的性質稱為溶液的依數性 溶液的依數性有 溶液的蒸氣壓下降 溶液的沸點升高 溶液的凝固點降低和溶液的滲透壓 溶液的依數性只有在溶液的濃度很稀時才有規(guī)律 而且溶液濃度越稀 其依數性的規(guī)律性越強 2020 3 30 14 一 水的相圖1 系統(tǒng) 將研究討論的對象稱為系統(tǒng) 2 相 系統(tǒng)中化學性質和物理性質完全相同的部分稱為相 即系統(tǒng)內部是完全均勻的 組成和性質完全相同 相與相之間有明顯的界面 單相系統(tǒng)和多相系統(tǒng) 如 糖水是一個相 冰水是兩相冰為一相 水為一相 相與態(tài)之間有什么不同 2020 3 30 15 3 相變 固 氣 液三相之間的轉化稱為相變 4 相平衡 相變達到平衡時稱為相平衡 5 相圖 相平衡與溫度 壓力之間的關系圖稱為相圖 6 水的相圖 2020 3 30 16 水的三相點 氣相區(qū) 固相區(qū) 液相區(qū) 沸點 臨界點 2020 3 30 17 二 稀溶液的依數性1 溶液的蒸氣壓下降 1 蒸發(fā) 在一定的溫度下 將一杯純液體置于一密閉容器中 液體表面的高能量分子克服了其它分子的吸引力從表面逸出 成為蒸氣分子 這種液體表面的汽化現(xiàn)象稱為蒸發(fā) 2 凝聚 液面上方的蒸氣分子也可以被液面分子吸引或受到外界壓力的作用而進入液相 這個過程稱為凝聚 3 飽和蒸氣壓 當液體的蒸發(fā)速率和凝聚速率相等時 液體和它的蒸氣就處于兩相平衡狀態(tài) 此時的蒸氣稱為飽和蒸氣 飽和蒸氣所產生的壓力稱為飽和蒸氣壓 簡稱蒸氣壓 2020 3 30 18 2020 3 30 19 蒸氣壓的大小表示液體分子向外逸出的趨勢 它只與液體的本性和溫度有關 而與液體的量無關 通常把蒸氣壓大的物質稱為易揮發(fā)物質 蒸氣壓小的稱為難揮發(fā)物質 液體的蒸發(fā)是吸熱過程 所以溫度升高 蒸氣壓增大 2020 3 30 20 2020 3 30 21 vaporpressuresolute 2020 3 30 22 2020 3 30 23 在一定的溫度下 純水的蒸氣壓是一個定值 若在純水中溶人少量難揮發(fā)非電解質 如蔗糖 甘油等 后 則發(fā)現(xiàn)在同一溫度下 稀溶液的蒸氣壓總是低于純水的蒸氣壓 如圖1 2 由于溶質是難揮發(fā)的物質 因此溶液的蒸氣壓實際上是溶液中溶劑的蒸氣壓 溶液的蒸氣壓之所以低于純溶劑的蒸氣壓 是由于難揮發(fā)非電解質溶質溶于溶劑后 溶質分子占據了溶液的一部分表面 阻礙了溶劑分子的蒸發(fā) 使達到平衡時蒸發(fā)出來的溶劑分子數減少 產生的壓力降低 因此溶液的蒸氣壓就比相同溫度下純溶劑的蒸氣壓低 顯然溶液的濃度越大 溶液的蒸氣壓就越低 設某溫度下純溶劑的蒸氣壓為p 溶液的蒸氣壓為p p 與p的差值就稱為溶液的蒸氣壓下降 用 p表示 p p p 2020 3 30 24 法國物理學家拉烏爾 Raoult 對溶液的蒸氣壓進行了定量研究 得出如下結論 在一定溫度下 難揮發(fā)非電解質稀溶液的蒸氣壓 p 等于純溶劑的蒸氣p 與溶液中溶劑的摩爾分數 xA 的剩積即 p p xA若是雙組分系統(tǒng)則 xA xB 1所以p p 1 xB p p xB p p p p xB說明 在一定溫度下 難揮發(fā)非電解質稀溶液的蒸氣壓下降與溶質的摩爾分數成正比 而與溶質的本性無關 2020 3 30 25 在純溶劑中加入難揮發(fā)的非電解質的物質以后 達平衡時 p溶液總是小于同T下的p純溶劑 即溶液的蒸氣壓下降 2020 3 30 26 2 溶液的沸點升高沸點是指液體的蒸氣壓等于外界大氣壓力時液體對應的溫度 如當水的蒸氣壓等于外界大氣壓力 101 325kPa 時 水開始沸騰 此時對應的溫度就是水的沸點 100 該沸點被稱為正常沸點 可見 液體的沸點與外界壓力有關 外界壓力降低 液體的沸點將下降 2020 3 30 27 對于水溶液而言 由于溶液的蒸氣壓總是低于溶劑的蒸氣壓 所以當純溶劑的蒸氣壓達到外界壓力而開始沸騰時 溶液的蒸氣壓尚低于外界壓力 若要維持溶液的蒸氣壓也等于外界壓力 必須使溶液的溫度進一步升高 所以溶液的沸點總是高于純溶劑的沸點 如圖1 3 2020 3 30 28 純溶劑 溶液 2020 3 30 29 若純溶劑的沸點為tb 溶液的沸點為tb tb tb tb tb即為溶液沸點升高 根據拉烏爾定律可以推導出 tb Kbb即難揮發(fā)非電解質稀溶液的沸點升高值 tb與溶質的質量摩爾濃度b成正比例 而與溶質的本性無關 Kb是溶劑的摩爾沸點升高常數 它只與溶劑的性質有關 單位是oC kg mol 1或K kg mol 1 可采用什么方法提高水的沸點 2020 3 30 30 例 將12 0g尿素 CO NH2 2 和34 2g蔗糖 C12H22O11 分別溶于2000g水中 計算此兩種溶液的沸點 Kb 0 52K kg mol 1 解 M尿素 60g mol 1b B 12 0 60 2000 1000 0 1mol kg 1 Tb尿 0 52 0 1 0 052 K Tb尿 373 15 0 052 373 2 K 2020 3 30 31 同理 蔗糖的M 342g mol 1b 蔗糖 34 2 342 2000 1000 0 05mol kg 1 Tb蔗 0 52 0 05 0 026 K Tb蔗 373 15 0 026 373 18 K 2020 3 30 32 例 若將12 0g尿素 CO NH2 2 和34 2g蔗糖 C12H22O11 都加于2000g水中 計算此溶液的沸點 Kb 0 52K kg mol 1 Tb 0 52 0 1 0 05 Tb尿 Tb蔗 0 078K結論 依數性存在加和性 2020 3 30 33 3 溶液的凝固點降低 1 凝固點是指液體的蒸氣壓等于其固體蒸氣壓時系統(tǒng)對應的溫度 此時液體的凝固和固體的熔化處于平衡狀態(tài) 2 例 0 時水的蒸氣壓和冰的蒸氣壓相等 水開始凝固 但此時溶液的蒸氣壓低于溶劑的蒸氣壓 也必定低于冰的蒸氣壓 所以此時溶液不能凝固 要使溶液凝固 就必須進一步降低溶液的溫度 使溶液和冰的蒸氣壓同時下降 由于冰的蒸氣壓下降率比水溶液大 當溫度降低到tf時 溶液和冰的蒸氣壓才相等 此時的溫度就是溶液的凝固點 2020 3 30 34 純溶劑 溶液 溶液的凝固點降低 2020 3 30 35 2020 3 30 36 3 溶液的凝固點tf總是低于純溶劑的凝固點tf 4 tf 與tf的差值即為溶液的凝固點降低 tf 非電解質稀溶液的凝固點降低 tf與溶質的質量摩爾濃度b成正比 而與溶質的本性無關 tf tf tf Kfb式中Kf叫溶劑的摩爾凝固點降低常數 Kf也只與溶劑的性質有關 其單位是 kg mol 1或K kg mol 1 5 應用溶液的蒸氣壓下降 沸點升高和凝固點降低可以測定溶質的摩爾質量 為什么海水較河水難結冰 2020 3 30 37 例 2020 3 30 38 例 為了防止汽車水箱中的水在266K時凝固 以無水乙醇 0 803g ml 做防凍劑 問每升水須加若干mL乙醇 假設溶液服從拉烏爾定律 解 已知水的凝固點為273K Kf 1 86 Tf 273 266 7 K Tf Kf b B b B Tf Kf 7 1 86 3 76 mol kg 即每升水加3 76mol乙醇 已知M乙醇 46 0 803 應加入乙醇體積為V 3 76 46 0 803 215 6 mL 2020 3 30 39 4 溶液的滲透壓 產生這種現(xiàn)象的原因是什么 2020 3 30 40 Semipermeabie 2020 3 30 41 1 產生滲透現(xiàn)象的原因是純溶劑的蒸氣壓大于溶液的蒸氣壓 所以純水分子通過半透膜進入溶液的速率大于溶液中水分子通過半透膜進入純水的速率 使溶液中液面升高 產生靜水壓 而純水中液面下降 當靜水壓恰好使半透膜兩邊水分子的滲透速率相等 滲透達到平衡 2 產生滲透現(xiàn)象條件 半透膜 半透膜兩側濃度不等 3 滲透壓 在一定條件下 為了阻止?jié)B透作用的進行而必須向溶液施加的最小壓力稱為溶液的滲透壓 用符號 表示 你能舉出日常生活中產生的滲透現(xiàn)象嗎 2020 3 30 42 低滲溶液 高滲溶液 2020 3 30 43 2020 3 30 44 4 滲透壓定律 V nRT n vRT cRT若溶液濃度很稀 則c b cRT bRT 5 在一定溫度下 非電解質稀溶液的滲透壓與溶質的質量摩爾濃度成正比 而與溶質的本性無關 6 可用于測定溶質的摩爾質量 會變換公式嗎 2020 3 30 45 2020 3 30 46 三 強電解質溶液簡介難揮發(fā)非電解質溶液的四個依數性都符合拉烏爾定律 電解質溶液的依數性是否符合拉烏爾定律呢 2020 3 30 47 拉烏爾定律引入校正系數可用電解質溶液依數性的計算 tf i tf iKfbB c 表觀濃度 為活度系數活度系數與離子的濃度和電荷有關 2020 3 30 48 1 4膠體溶液 膠體 顆粒直徑為1 100nm的分散質分散到分散劑中 構成的多相系統(tǒng)稱為膠體 如 氫氧化鐵膠體 硅酸 空氣 合金等一 表面吸附 2020 3 30 49 2 表面能 如果要增加表面積 必須將部分相內部質點遷移到表面 這樣就需要克服相內質點的阻力而消耗能量 所消耗的能量轉變成了表面質點的位能 因而表面層質點比相內質點能量高 高出來的這部分能量就稱為表面自由能 簡稱表面能 系統(tǒng)的分散度越高 比表面越大 表面自由能越高 系統(tǒng)越不穩(wěn)定 液體和固體都有自動降低表面自由能的能力 表面吸附是降低表面自由能的有效手段 2020 3 30 50 吸附是指物質表面吸住周圍介質中分子 離子和原子的過程 有吸附能力的物質稱為吸附劑 被吸附的物質稱為吸附質 吸附劑的吸附能力與比表面有關 比表面越大 吸附能力越強 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中去 此過程叫做解吸 吸附和解吸的關系 動態(tài)平衡 2020 3 30 51 1 固體對氣體的吸附 吸附劑 吸附質 吸附劑 吸附質 吸附熱吸附量 每克吸附劑所能吸附的吸附質的物質的量稱為吸附量 放出的熱稱為吸附熱 2 固體在溶液中的吸附固體在溶液中的吸附比較復雜 溶質和溶劑都可能被吸附 根據吸附劑在溶液中的吸附對象不同 可分為分子吸附和離于吸附 1 分于吸附固體吸附劑在非電解質或弱電解質溶液中的吸附主要是分子吸附 分子吸附的吸附規(guī)律是 與吸附劑極性相近的物質容易被吸附 即 相似相吸 在溶液中吸附劑對溶劑的吸附量越多 對溶質的吸附量就會越少 反之亦然 此外吸附劑的吸附量還與溶質的溶解度有關 通常溶解度小的溶液容易被吸附 溶解度大的不容易被吸附 2020 3 30 52 即極性的吸附劑容易吸附極性的溶質或溶劑 非極性的吸附劑容易吸附非極性的溶質或溶劑 紅墨水 活性炭 品紅的苯溶液 活性炭 2020 3 30 53 2 離子吸附固體吸附劑在強電解質溶液中的吸附主要是離子吸附 離子吸附又分為離子選擇吸附和離子交換吸附 固體吸附劑有選擇地吸附溶液中的某種離于 這種吸附稱為離子選擇吸附 其吸附原則是 吸附劑優(yōu)先選擇吸附與自身組成相關或性質相似且溶液中濃度較大的離子 例如 在過量的AgNO3溶液中 加入適量的KI即可形成AgI沉淀 根據離子選擇吸附原理 AgI固體表面必定選擇吸附Ag 而使固體表面帶正電 同時異號離子NO3 留在溶液中 使溶液保持電中性 2020 3 30 54 能使固體表面帶電的離子稱為電位離子 Ag 是電位離子 溶液中與電位離子符號相反的離子稱為反離子 NO3 是反離子 由于靜電吸引力和離子本身的熱運動 有一部分反離子被電位離子吸引吸附在固體表面附近 這樣電位離子和反離子在固體吸附劑表面構成了雙電層 雙電層結構在解釋溶膠穩(wěn)定性方面有重要應用 固體吸附劑吸附一種離子的同時釋放出等電量的其它同號離子的過程稱為離子交換吸附 2020 3 30 55 能進行離子交換吸附的吸附劑稱為離子交換劑 離子交換吸附是個可逆過程 離子交換能力的強弱與離子的電荷數及離子的水合半徑有關 離子電荷數越高 交換能力越強 水合離子半徑越小 離子交換能力越強 如 Al3 Ca2 Cs Rb K Na Li Cl Br NO3 I 陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂 土壤中的離子交換 2020 3 30 56 水合離子半徑 離子半徑 Li Na K Rb Cs Li Rb 交換能力 Cs Rb K Na Li 2020 3 30 57 2020 3 30 58 2020 3 30 59 二 溶膠的性質1 溶膠的光學性質 丁鐸爾效應 用于區(qū)別溶液和溶膠 2020 3 30 60 2 溶膠的動力學 布朗運動 熱運動 分散劑對膠粒的不均勻的撞擊 2020 3 30 61 3 溶膠的電學性質 溶膠中分散質與分散劑在外電場的作用下發(fā)生定向移動的現(xiàn)象稱為溶膠的電動現(xiàn)象 在電場作用下 膠粒在分散劑的定向移動稱為電泳 2020 3 30 62 電泳時 不僅膠粒向一電極移動 與此同時與膠粒對應帶相反電荷的離子向另一電極移動 膠體微粒的移動說明膠粒是帶電的 且有正負之分 膠粒帶正電 則向直流電源負極 陰 移動 膠粒帶負電 則向直流電源正極 陽 移動 由于膠體溶液是電中性的 所以 膠粒帶正電荷 或負電荷 則分散介質必帶負電荷 或正電荷 2020 3 30 63 膠粒帶正電荷稱為正溶膠 一般金屬氫氧化物的溶膠即為正溶膠 膠粒帶負電荷稱為負溶膠 如 土壤 硫化物 硅酸 金 銀 硫等溶膠 如果將膠粒固定 分散劑在電場作用下定向移動 這種現(xiàn)象稱為電滲 2020 3 30 64 2020 3 30 65 膠粒帶電的原因 1 溶膠的吸附作用FeCl3 3H2O Fe OH 3 3HClFeCl3 2H2O Fe OH 2Cl 2HClFe OH 2Cl FeO Cl H2OH3AsO3 3H2S As2S3 6H2OH2S HS H 2 溶膠的電離作用如 H2SiO3 H HSiO3 2020 3 30 66 Fe OH 3膠核吸附電位離子的示意圖 2020 3 30 67 三 膠團結構 2020 3 30 68 2020 3 30 69 2020 3 30 70 2020 3 30 71 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl 分散質AgCl 2020 3 30 72 2020 3 30 73 四 溶膠的穩(wěn)定性和聚沉1 溶膠的穩(wěn)定性 動力學穩(wěn)定性 布朗運動聚結穩(wěn)定性 膠粒帶電和溶劑化膜 2 溶膠的聚沉 加入電解質加入帶相反電荷的溶膠加熱 2020 3 30 74 1 加入電解質聚沉的原因 加入電解質后 吸附層的反離子增多 膠粒所帶電荷大大減少 排斥力減弱 使膠粒合并成大顆粒而聚沉 電解質的聚沉能力大小常用聚沉值來表示 聚沉值 使一定的溶膠在一定的時間內開始聚沉所需的電解質的最低濃度稱為聚沉值 單位 mmol L 1聚沉值大 表示該電解質的聚沉能力小 聚沉值與聚沉能力成倒數關系 聚沉能力主要取決于能引起溶膠聚沉的反離子電荷數 即化合價數 離子帶電荷越高 其聚沉能力越強 2020 3 30 75 一般來說聚沉能力 同種電荷 三價離子 二價離子 一價離子 2020 3 30 76 3 溶膠的保護高分子溶液對溶膠的保護和敏化作用高分子化合物是指具有較大相對分子質量的大分子化合物 如蛋白質 纖維素 橡膠 淀粉 動植物膠 人丁合成的各種樹脂等 高分子化合物在適當的溶劑中能強烈的溶劑化 形成很厚的溶劑化膜而溶解 構成了均勻 穩(wěn)定的單相分散系 稱為高分子溶液 2020 3 30 77 在溶膠中加入足量的高分子化合物后 能顯著降低溶膠對電解質的敏感性 提高溶膠的穩(wěn)定性 高分子化合物的這種作用稱為對溶膠的保護作用 產生保護作用的原因是溶劑化了的線狀高分子被吸附在膠粒表面 使膠粒表面多出一層溶劑化保護膜 從而提高了溶膠的穩(wěn)定性 但在溶膠中加入少量的高分子化合物后 反而使溶膠對電解質的敏感性大大增加 降低了其穩(wěn)定性 這種現(xiàn)象稱為高分子的敏化作用 產生敏化作用的原因是加入的高分子化合物量太少 不足以包住膠粒 反而使大量的膠粒吸附在高分子的表面 使膠粒間可以互相 橋聯(lián) 變大而易于聚沉 2020 3 30 78 1 5乳狀液 一 表面活性物質溶于水后能顯著地降低水的表面自由能的物質稱為表面活性物質或表面活性劑 表面活性物質的分子是由極性基團和非極性基團兩部分組成 親水基 如 COOH COO NH2 SO3H疏水基 R Ar 2020 3 30 79 2020 3 30 80 2020 3 30 81 2020 3 30 82 2020 3 30 83 二 乳狀液水包油O W油包水W O