大学课件无机及分析化学-第一章气体、溶液和胶体

无机及分析化学,化学学科的分类1.无机化学2.分析化学3.有机化学4.物理化学5.高分子化学,化学学科的重要性化学学科与其它学科的相互渗透，形成新的学科，如配位化学、放射化学、生物化学、环境化学、环境分析化学、食品化学、农药化学、土壤化学、植物化学等。农业院校的“无机及分析化学”是一门十分重要的基础课。,学习方法1234课前预习，找出难点。课间认真听讲，做好课堂笔记。课后做适当练习，巩固所学知识。做好阶段性总结，对所学知识点进行归纳。课程成绩：平时（30%）+期终考试（70%）平时：到课率，课堂练习，回答问题,参考书目1.无机及分析化学.呼世斌主编.高等教育出版社.2005年.2.无机及分析化学.浙江大学编.高等教育出版社.2003年.3.无机及分析化学.南京大学《无机及分析化学》编写组.高教出版社.2006年（第四版）.4.无机化学（上册）.武汉大学等校编.高等教育出版社，1996年（第三版）.5.分析化学.武汉大学等校编.高等教育出版社.2002年（第五版）.6.《无机及分析化学》习题解答（书后习题和补充习题）.,理论教学内容及学时安排第一章气体、溶液和胶体（8学时）化学热力学基础（10学时）化学反应速率（4学时）物质结构简介（10学时）分析化学概论（6学时）酸碱平衡与酸碱滴定法（10学时）沉淀溶解平衡与沉淀滴定法（4学时）配位化合物与配位滴定法（8学时）氧化还原反应与氧化还原滴定法（8学时）第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章约共68节课,第一章第一章气体、溶液和胶体第一节气体第二节溶液第三节胶体,第一章第一节一、理想气体第一节气体理想气体：分子本身不占体积，分子间无作用力。高温度、低压力条件下的实际气体视为理想气体。方程式：pV=nRTR=8.314Pa·m3·mol1·K1=8.314kPa·L·mol1·K1=8.314J·mol1·K1（Pa·m3=N·m2·m3=N·m=J）注意：运用时单位一定要一致。,二、道尔顿(Dalton)分压定律第一章第一节1.某组分气体分压力：是指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。2.分压定律：混合气体的总压力等于各组分气体分压力之和。p=p1+p2+p3+······=pi设有一混合气体，有i个组分，pi和ni分别表示各组分的分压力和物质的量，V为混合气体的总体积，则pi=(ni/V)·RTp=pi=(ni/V)·RT=(n/V)·RTpi/p=ni/npi=(ni/n)·p排水集气法中的应用！,第二节溶液广义地说，两种或两种以上的物质均匀混合而且彼此呈现分子（或离子或原子）状态分布者均称为溶液，溶液可以气、液、固三种聚集状态存在。通常所说的溶液都是指液态溶液。第一章第二节溶液由溶质和溶剂组成，被溶解的物质叫溶质，溶解溶质的物质叫溶剂。常把含量较少的组分称为溶质，含量较多的组分称为溶剂。,第一章第二节一、溶液浓度的表示法1.物质的量浓度单位体积的溶液中所含溶质B的物质的量称为溶质B的物质的量浓度。用符号cB表示，常用单位mol·L-1。2.质量摩尔浓度单位质量的溶剂中所含溶质B的物质的量称为溶质B的质量摩尔浓度，用bB表示，单位是mol·kg1。对于溶剂是水的稀溶液bB与cB的数值相差很小。,第一章第二节一、溶液浓度的表示法4.质量分数溶液中溶质B的质量mB与溶液的总质量m之比称为溶质B的质量分数（massfraction）。3.摩尔分数（物质的量分数）是指溶液中组分B的物质的量nB与溶液中总的物质的量n之比。若某一混合物为两组分A和B，物质的量分别为nA和nB，则：xA+xB=1多组分体系？,第一章第二节一、溶液浓度的表示法5.ppm和ppb浓度主要用于极稀的溶液（环境分析、食品分析中）。ppm(百万分浓度）：表示溶质的质量占溶液质量的百万分之几，即每kg溶液所含溶质的mg数。如：1ppm：1g/1,000,000g溶液=1mg溶质/1kg溶液。8ppm：8g/1,000,000g溶液=8mg溶质/1kg溶液。ppb（十亿分浓度）：表示溶质的质量占溶液质量的十亿分之几，即每kg溶液中所含溶质的g数。如：1ppb：1g/1,000,000,000g溶液=1g溶质/1kg溶液。8ppb：8g/1,000,000,000g溶液=8g溶质/1kg溶液。,第一章第二节例题1-1在100mL水中，溶解17.1g蔗糖(C12H22O11)，溶液的密度为1.0638g·mL1，求蔗糖的物质的量浓度、质量摩尔浓度、摩尔分数各是多少？解：,第一章第二节例题1-1在100mL水中，溶解17.1g蔗糖(C12H22O11)，溶液的密度为1.0638g·mL1，求蔗糖的物质的量浓度、质量摩尔浓度、摩尔分数各是多少？解：,溶液的性质有两类：第一类：如颜色、导电性、酸碱性等，这些性质由溶质的本性决定，溶质不同则性质各异；第二类：如溶液的蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降、渗透压等则与溶质的本性无关，取决于溶液中溶质的自由粒子（可以是分子、离子、原子等微粒）数目，即浓度。后一类性质常称为溶液的依数性，也称为溶液的通性。在难挥发非电解质的稀溶液中，这些性质就表现得更有规律。第一章第二节二、溶液的依数性,一定温度下，将纯溶剂放入密闭容器中，当溶剂蒸发为气态溶剂的速度与气态溶剂凝聚成液态的速度相等时，达到相平衡。此时的气体称为饱和蒸气，其所具有的压力称为该温度下液体的饱和蒸气压(简称蒸气压)。纯溶剂和溶液蒸发示意图●代表溶剂分子●代表溶质分子溶液蒸气压下降！第一章第二节1.溶液的蒸气压下降若在纯溶剂中加入少量难挥发非电解质时，此时会有什么结果产生呢？,拉乌尔（F.M.Raoult）定律：在一定的温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的饱和蒸气压与溶液中溶剂摩尔分数的乘积。数学表达式为：p=p*xA两组分的体系：xA+xB=1，xA=1–xBp=p*(1–xB)=p*–p*xBp=p*–p=p*xB第一章第二节1.溶液的蒸气压下降,第一章第二节1.溶液的蒸气压下降p=Kp·bB，Kp为蒸气压下降常数。对于稀溶液：nA+nBnA，1000g溶剂,一杯纯水和一杯溶液放入一个密闭的容器中会产生下面的现象！第一章第二节1.溶液的蒸气压下降,当某一液体的蒸气压等于外界压力时液体即沸腾，此时的温度称为该液体的沸点。若在纯水中加入少量难挥发的非电解质后，会产生什么现象呢？第一章第二节2.溶液的沸点升高,溶液凝固点下降溶液沸点升高！Tb=Kb·bBTb=Tb，Tb为溶液的沸点，为纯溶剂的沸点；Kb为溶剂沸点升高常数（K·kg·mol1）。第一章第二节2.溶液的沸点升高0.611,Tf=Kf·bBTf是溶液的凝固点下降值，Tf=Tf，为纯溶剂的凝固点，Tf为溶液的凝固点；Kf是溶剂的凝固点降低常数（K·kg·mol1）。测定溶液沸点升高和凝固点降低计算溶质的摩尔质量。凝固点是指在一定的外压下，该物质的液相和固相达到平衡共存时的温度。从蒸气压的角度而言，某物质的凝固点就是固相蒸气压和液相蒸气压相等时的温度。第一章第二节3.溶液的凝固点下降,解：第一章第二节例题1-2在20.40g葡萄糖水溶液中含有葡萄糖0.40g，测得溶液的凝固点为0.207℃，试计算葡萄糖的相对分子量。,第一章第二节3.溶液的凝固点下降应用：①植物细胞液中溶有氨基酸、糖类物质，有一定的抗旱性（蒸气压下降、沸点升高）和耐寒性（凝固点下降）。②用NaCl等物质与冰混合而制成的冷冻剂（凝固点下降）。③冬天，人们常往汽车的水箱中加入甘油等物质，以防止水箱因水结冰而胀裂（凝固点下降）。④为什么稀饭比水烫伤得更厉害（沸点升高）？,（1）渗透溶液的渗透(osmosis)：是指只有水分子（或溶剂分子）通过半透膜向单方向扩散（diffusion）的现象。产生渗透的两个条件：①有半透膜；②有浓度差。第一章第二节4.溶液的渗透压,（2）渗透压糖水液面比纯水液面高出h，液面高度差所产生的静压力称为该溶液的渗透压。换句话说，为阻止渗透作用发生所需施加于液面上的最小压力叫做该溶液的渗透压。第一章第二节4.溶液的渗透压,是渗透压，单位为kPa。1886年，van’tHoff把实验数据归纳、比较，发现稀溶液的渗透压与理想气体定律相似，可表述为：两溶液渗透压相等，称为等渗溶液；不等，则渗透压高的称为高渗溶液，渗透压低的称为低渗溶液。由上式看出，非电解质稀溶液的渗透压与溶液中所含溶质的物质的量浓度成正比，而与溶质的本性无关。第一章第二节4.溶液的渗透压,渗透作用的意义：口渴时一般不宜饮用含糖等成分过高的饮料。速溶咖啡和速溶茶的制造。将稀溶液首先用反渗透方法变浓，再用蒸发法蒸干，生产成本会大大降低。海水鱼与淡水鱼不能更换环境。第一章第二节4.溶液的渗透压,渗透压可用来测定溶质的分子量（主要用于大分子物质，虽c小，但RT值较大；另外，易获得相应的膜）。第一章第二节4.溶液的渗透压由于依数性都与溶液的浓度有关，因此，只要知道其中的一种性质，便可推算出其它的性质。但是：稀溶液的依数性的定量关系不适用于浓溶液和电解质溶液。,某难挥发、非电解质水溶液的凝固点为272.15K，计算：（1）此溶液的沸点；（2）298.15K时此溶液的蒸气压；（3）在273.15K时此溶液的渗透压。第一章第二节例题1-3解：（1）∵Tf=273.15272.15=1.0=KfbB∴bB=1.0/1.86=0.538mol·kg1又∵Tb=KbbB，∴Tb=0.5120.538=0.27KTb=373.15+0.27=373.42K（2）∵p*=3.17kPa，xA=55.6/(55.6+0.538)=0.99∴p=p*xA=3.170.99=3.14kPa（3）=bBRT=0.5388.314273.15=1220kPa,在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物称为电解质，不能导电的化合物称为非电解质。第一章第二节三、电解质溶液由表可看出，对同浓度的溶液来说，其沸点高低或渗透压大小的顺序为：A2B（或AB2）型强电解质溶液＞AB型强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液，而其蒸气压或凝固点的顺序则相反。几种质量摩尔浓度为0.100mol·kg1的电解质水溶液的i值电解质Tf(K)（实验值）Tf(K)（计算值）NaCl0.3480.1861.87HCl0.3550.1861.91K2SO40.4580.1862.46CH3COOH0.1880.1861.01,解离度是指溶液中已解离的电解质的物质的量占溶液中初始电解质物质的量的百分数，用表示。第一章第二节1．解离度弱电解质在水中只有部分解离，解离度较小，在水溶液中存在解离平衡；而强电解质在水中解离完全，在水溶液中不存在解离平衡。,离子氛模型：离子氛示意图在溶液中，一方面正负离子间的静电引力使离子有规则地排列；另一方面热运动又要使离子无序分布。总结果形成“离子氛”：①异电性离子的密度大于同电性离子的密度；②聚中心离子越近，异电性离子愈多，同电性离子越少。2.表观解离度,第一章第二节2.表观解离度根据“离子氛”模型，离子之间相互牵制，限制了离子的自由运动。所以强电解质的实际“解离度”都小于100%，如下表所示。几种强电解质的实测解离度（298.15K，0.1mol·L1）电解质KClHClHNO3NaOHH2SO4Ba(OH)2ZnSO4实测解离度(%)86929291618140为了区别于弱电解质的解离度，把强电解质的解离度称为“表观解离度”。弱电解质的解离度表示解离了的分子百分数，强电解质的表观解离度仅反映溶液中离子间相互牵制作用的强弱程度。,离子活度是离子在反应中发挥作用的有效浓度。若以c表示离子的浓度，表示活度系数，则离子活度a与浓度的关系为a=·c反映了电解质溶液中离子间相互牵制作用的大小。当溶液极稀时，→1，活度和浓度基本一致。对弱电解质溶液，当浓度不大时，可认为=1，即a=c。这是今后讨论弱电解质时用浓度表示的依据。第一章第二节3.活度和活度系数,将浓度均为0.01mol·kg1的KCl、Na2SO4、C6H12O6水溶液分别按蒸气压、沸点、凝固点从高到低的顺序排列。第一章第二节例题1-4解：（1）知溶液的p与bB成反比，所以蒸气压由高到低的顺序为：C6H12O6、KCl、Na2SO4。（2）知溶液的沸点与bB成正比，所以沸点由高到低的顺序为：Na2SO4、KCl、C6H12O6。（3）知溶液的凝固点与bB成反比，所以凝固点由高到低的顺序为：C6H12O6、KCl、Na2SO4。,第三节胶体一、分散体系分散系：一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物质里所形成的体系。例如糖水溶液，泥浆等。分散质（或分散相）：被分散的物质。分散剂（或分散介质）：把分散质分散开来的物质。相：混合体系中物理和化学性质完全相同的一部分。单相体系：只有一个相的体系。多相体系：有两个或以上相的体系（两相间有界面）。第一章第三节,一、分散体系第一章第三节冰和水两相体系,一、分散体系第一章第三节按分散质颗粒大小分类的分散系类型颗粒直径大小主要特征实例小分子、小离子分散系<1nm均相、稳定、粒子能通过滤纸与半透膜，扩散速度快NaCl溶液胶体分散系1~100nm粒子能通过滤纸但不能透过半透膜，扩散慢Fe(OH)3溶胶蛋白质溶液粗分散系>100nm多相、不稳定、粒子不能通过滤纸和半透膜，扩散很慢豆浆牛奶,胶体分散系是由颗粒大小在1~100nm的分散质组成的体系。它可分为两类：胶体溶液，又称溶胶。它是由小分子、原子或离子聚集成较大颗粒而形成的高度分散的多相体系。如Fe(OH)3溶胶和As2S3溶胶等。高分子溶液，是由高分子化合物溶解在适当的溶剂中形成稳定、均匀的溶液。如胶水、核酸水溶液。第一章第三节一、分散体系,两个条件：①分散质粒子大小在适合的范围内（1~100nm）；②必需加入适量的稳定剂。第一章第三节二、溶胶的制备制备方法大致可分为两大类：1.分散法（1）研磨法（2）超声波法（3）电弧法（4）胶溶法Fe(OH)3（加FeCl3稳定剂）Fe(OH)3（溶胶）,2.凝聚法（1）物理凝聚法：S溶于有机溶剂（如丙酮、苯等）加入水中（溶解度改变）S溶胶。（2）化学凝聚法FeCl3+3H2OFe(OH)3(溶胶)+3HClAgNO3+KIAgI(溶胶)+KNO3必须严格控制反应条件，否则沉淀析出。第一章第三节二、溶胶的制备,1.光学性质(b)狭缝式超显微镜第一章第三节三、溶胶的性质(a)Tyndall效应电弧光源显微镜可调狭缝溶胶,第一章第三节1.光学性质可见光的波长约在4107~7107m之间，当用一光束照射到微粒时，可能发生三种情况：（1）若d>，主要发生光的反射或折射。如粗分散体系，用光束照射时使体系呈现混浊。（2）若d，主要发生光的衍射。（3）若d<，主要发生光的散射，发出散射光。如溶胶和分子溶液。,散射光的强度与入射光的波长的四次方成反比。蓝光的波长小，故散射强度大；红光的波长大，散射强度弱（散射弱，透射强）。第一章第三节1.光学性质解释现象：晴朗的天空呈蓝色，晨曦和晚霞呈火红色；散射光的强度与粒子体积的平方成正比。因为真溶液的粒子体积太小，散射光的强度太弱，观察不到丁铎尔现象。,第一章第三节2.动力学性质布朗运动示意图1827年植物学家Brown用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规则的运动。人们称微粒的这种运动为Brown运动。1903年发明了超显微镜，用超显微镜观察到溶胶中胶粒在介质中也有同样的现象。,第一章第三节3.电学性质（1）电泳：在电场作用下分散质粒子在分散剂中定向的移动现象称为电泳。-+Fe(OH)3胶体电泳现象通电前通电后++,第一章第三节3.电学性质（2）电渗：在外电场下，使溶胶粒子不动，分散剂定向移动的现象称为电渗。半透膜Fe(OH)3溶胶电渗示意图溶剂,第一章第三节3.电学性质（3）溶胶带电原因①分散度与比表面分散体系的分散度常用比表面来衡量。比表面是指单位体积物质所具有的表面积。V代表物质的总体积，A表示物质的总表面积，S0代表比表面，则：立方体粒子：l愈小，S0愈大，分散度愈大。,第一章第三节3.电学性质例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：边长l/m立方体数比表面S0/(m1)总表面积A/m2110–216102610–4110–31036103610–3110–51096105610–1110–7101561076101110–9102161096103可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，相应地有很高的表面能。表面能的降低是一个自发过程，溶胶粒子大小处在109～107m，因此在形成过程中表现出强烈的吸附作用。,第一章第三节3.电学性质②吸附与吸附本质一种物质的分子自动聚集到另一种物质的界面上的过程，称为吸附。具有吸附能力的物质称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。固体物质之所以具有吸附能力，是因为固体物质表面的粒子与内部粒子所处的环境不同。常见的吸附现象有：固体对气体的吸附和固体在溶液中的吸附。,第一章第三节3.电学性质③固体在溶液中的吸附分为两类：分子吸附和离子吸附。Ⅱ.离子吸附固体吸附剂在强电解质溶液中对溶质离子的吸附称为离子吸附。离子吸附又可分为两种：离子选择吸附和离子交换吸附。Ⅰ.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。吸附规律：极性的吸附剂较易吸附极性的物质，非极性的吸附剂较易吸附非极性的物质。,第一章第三节3.电学性质离子选择吸附固体吸附剂从溶液中选择吸附某种离子的现象称为离子选择吸附。一般规律是：固体通常选择吸附与吸附剂组成相同的离子。如：AgI固体在AgNO3溶液中，选择吸附Ag+而使颗粒带正电荷，但在KI溶液中，AgI颗粒则选择吸附I而带负电荷。,第一章第三节3.电学性质离子交换吸附吸附剂吸附某种离子的同时，将原来已存在于吸附剂表面的电荷符号相同的另一种离子等量地释放到溶液中去，这种吸附称为离子交换吸附或离子交换。能进行离子交换的吸附剂称为离子交换剂。交换能力与溶液中离子的浓度和价数有关。浓度越大，交换能力越强。离子价数越高，交换能力越强。例如：交换能力Na＜Mg2＜Al3价数相同时，与水化离子半径有关。例如：水化离子半径：Li＞Na＞K＞Rb＞Cs交换能力：Li＜Na＜K＜Rb＜Cs,第一章第三节3.电学性质④溶胶带电原因Ⅰ.吸附作用溶胶在分散剂中选择吸附某种离子而带电。如：FeCl3+3H2OFe(OH)3+3HClFe(OH)3+HClFeOCl+2H2OFeOClFeO++ClⅡ.电离作用硅酸溶胶表面上H2SiO3分子可以电离，如:H2SiO3=HSiO3+H+或SiO32+2H+HSiO3或SiO32留在表面而使粒子带负电荷，H+进入溶液。,1.胶团结构第一章第三节四、胶团结构和电动电势以KI为稳定剂的AgI胶团的示意图为：胶核胶粒胶团例如：{[Fe(OH)3]m·nFeO+·(nx)Cl}x+·xCl[(H2SiO3)m·nHSiO3·(nx)H+]x·xH+,2.电动电势第一章第三节四、胶团结构和电动电势双电层结构及电势差示意图电解质对ζ电势的影响,第一章第三节五、溶胶的稳定性与聚沉1.溶胶的稳定性2.溶胶的聚沉如果溶胶失去稳定因素，胶粒相互碰撞，将导致聚结成大颗粒，最后以沉淀形式析出。这个过程称为聚沉。溶胶之所以具有相对的稳定性，主要原因有：（1）布朗运动；（2）胶粒带电（双电层结构）；（3）溶剂化作用。,（1）溶胶聚沉的因素第一章第三节2.溶胶的聚沉①外加电解质的影响这影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使||电势下降，促使胶粒聚结。②溶胶浓度的影响浓度增加，粒子碰撞机会增多，促使溶胶聚沉。③温度的影响温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加，促使溶胶聚沉。④胶体体系的相互作用带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。,（2）电解质的聚沉作用第一章第三节2.溶胶的聚沉聚沉值：能使一定量的溶胶在一定时间内开始聚沉所需电解质的最低浓度，单位为mmol·L1。规律：主要考虑与胶粒带相反电荷的离子的作用。（1）不同价离子的影响。价数愈高，聚沉值愈小，聚沉能力愈大。如对于As2S3负溶胶，AlCl3、MgCl2、NaCl三种电解质的聚沉值之比为1︰8︰548。（2）同价离子的影响。对负溶胶来说，一价金属离子的聚沉能力是Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+。这是因为水合离子半径依次增大的缘故。,第一章第三节2.溶胶的聚沉（3）溶胶的相互聚沉相互聚沉是指将带相反电荷的溶胶适量混合，发生聚沉。聚沉作用力为静电吸引力。完全聚沉的条件：当两种溶胶的用量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全聚沉；否则可能会聚沉不完全，甚至不聚沉。典型实例：明矾[KAl(SO4)2·12H2O]净水。,高分子溶液：相对分子质量在10000以上的有机化合物溶于水或其它溶剂中所得的溶液。第一章第三节六、高分子溶液高分子溶液与溶胶的相同点：（1）分散相粒子大小在1~100nm之间；（2）扩散慢，颗粒不能通过半透膜。高分子溶液与溶胶不同之处：（1）溶胶是多相体系，是热力学不稳定体系；而高分子溶液是均相体系，是热力学稳定体系。（2）溶胶对电解质十分敏感；但要使高分子物质从水溶液中析出，必须加入大量的电解质——盐析。,第一章第三节六、高分子溶液在溶胶中加入高分子溶液，加入的量不同，会出现两种情况：（1）保护作用：在溶胶中加入适量的高分子物质溶液，可以大大地增加溶胶的稳定性。（2）絮凝作用：在溶胶体系中加入极少量的大分子物质溶液，反而促使溶胶体系产生聚沉。保护作用转动敏化作用,第一章第三节例题1-5试分别比较MgSO4，K3[Fe(CN)6]和AlCl3三种电解质对下列两溶胶的凝聚能力及聚凝值大小。（1）0.010mol·L1AgNO3溶液和0.020mol·L1KCl溶液等体积混合制成的AgCl溶胶。（2）0.020mol·L1AgNO3溶液和0.010mol·L1KCl溶液等体积混合制成的AgCl溶胶。解：（1）因KCl过量，所以AgCl吸附Cl而带负电，则聚沉能力为：AlCl3>MgSO4>K3[Fe(CN)6]；聚沉值相反。（2）因AgNO3过量，所以AgCl吸附Ag+而带正电，则聚沉能力为：AlCl3