第一章 溶液和胶体汇总.docx

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第一章溶液和胶体汇总

第一章溶液和胶体

（SolutionandColloid）

§1.1分散系

1.分散系、分散质（相）和分散剂（介质）的概念

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称分散系。

被分散的物质称分散质（或称分散相），把分散质分散开来的物质称分散剂（或称分散介质）。

2.分散系的分类

按分散质粒子的大小，可将分散系分为分子分散系（粒子平均直径d＜1nm），胶体分散系（d约为1～100nm）和粗分散系（d＞100nm）。

3.体系和相（注意相和态的区别与联系）

常常把研究要对象称为体系或系统（以后还要讨论）。

体系中具有相同的组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀部分称为相，相与相之间有明确的界面。

超过此相界面，一定有某些宏观性质（如密度、折射率、组成等）要发生突变。

只有一个相的体系叫做单相体系（或均相体系）；有两个或两个以上相的体系叫做多相体系（或叫非均相体系）。

分子分散系为单相体系，胶体分散系和粗分散系为多相体系。

相与物态（物质的聚集状态）不同，物态一般分为气态、液态、固态和等离子态。

对相来说，通常任何气体均能无限混合，所以系统内不论有多少种气体都只有一个气相。

液体则按其互溶程度可以是一相、两相或三相共存。

例如，液态乙醇与水可以完全互溶，其混合液为单相系统；甲苯与水不互溶而分层，是相界面很清楚的两相系统。

对于固体，如果系统中不同种固体达到了分子程度的均匀混合，就形成了“固溶体”，一种固溶体就是一个相；否则，不论这些固体研磨得多么细，其分散度亦远远达不到分子、离子级，系统中含有多少种固体物质，就有多少个固相。

§1.2溶液浓度的表示方法

1.物质的量浓度

物质的量浓度是指物质B的物质的量除以混合物的体积。

在不可能混淆时，可简称为浓度。

用符号cB表示，即

式中nB为物质B的物质的量，SI单位为mol；V为混合物的体积，SI单位为m3。

体积常用的非SI单位为L，故浓度的常用单位为mol·L－1。

根据SI规定，使用物质的量单位mol时，要指明物质的基本单元。

而物质的量浓度单位是由基本单位mol推导得到的，所以在使用物质的量浓度时也必须注明物质的基本单元。

例如c（KMnO4）＝0.10mol·L－1与c（1/5KMnO4）＝0.10mol·L－1的两种溶液，它们浓度数值虽然相同，但是它们所表示1L溶液中所含KMnO4的质量是不同的，分别为15.8g与3.16g。

2.质量摩尔浓度

溶液中溶质B的物质的量除以溶剂的质量，称为溶质B的质量摩尔浓度。

其数学表达式为

式中bB为溶质B的质量摩尔浓度，其SI单位为mol·kg－1；mA是溶剂的质量，SI单位为kg。

由于物质的质量不受温度的影响，所以溶液的质量摩尔浓度是一个与温度无关的物理量。

3.摩尔分数

B的物质的量与混合物的物质的量之比，称为B的摩尔分数（molefraction），其数学表达式为

式中xB量纲为一。

对于一个两组分的溶液系统来说，溶质的摩尔分数与溶剂的摩尔分数分别为

所以xA＋xB＝1。

若将这个关系推广到任何一个多组分系统中，则∑xi＝1。

4.质量分数

B的质量与混合物的质量之比，称为B的质量分数，其数学表达式为

式中mB为B的质量，m为混合物的质量，wB为B的质量分数，量纲为一。

5.几种溶液浓度之间的关系

1）.物质的量浓度与质量分数

如果已知溶液的密度ρ，同时已知溶液中溶质B的质量分数wB，则该溶液的浓度可表示为

式中MB为溶质B的摩尔质量。

2）.物质的量浓度与质量摩尔浓度

如果已知溶液的密度ρ和溶液的质量m，则有

若该系统是一个两组分系统，且B组分的含量较少，则m近似等于溶剂的质量mA，上式可近似成为

若该溶液是稀的水溶液，则

cB≈bB

§1.3稀溶液的通性

1.液体

1）液体的蒸气压

当把纯液体放在敞开容器中，液体表面上某些能量较大的分子将克服液体分子间的吸引力而逸出表面，成为蒸气分子，这个过程称为蒸发。

蒸发过程一直进行到液体完全蒸发完为止。

如果把液体放在密闭容器中，当温度恒定时，液体将以一定的速度蒸发，同时，蒸气分子中能量较低的分子撞击液面重新变为液体，这一过程叫做凝聚。

开始时，由于没有蒸气分子凝聚速度为零，随着气相蒸气分子数的增多，撞回至液面的机会就越多，凝聚的速度也就越快，最后当凝聚的速度和蒸发的速度达到相等时，液体（液相）和它的蒸气（气相）便处于平衡状态。

这是动态平衡，即在单位时间内，从气相中回到液面上的分子数与逸出同一液面的分子数相等，宏观上气相中蒸气分子数目不再变化，我们把这时的蒸气称为饱和蒸气。

饱和蒸气所产生的压力叫做饱和蒸气压，简称蒸气压。

图1-1液体的蒸气压示意图

在一定温度下各种液体的蒸气压是不同的，蒸气压的大小取决于液体的本性，与液体的量无关。

通常把蒸气压大的叫做易挥发性物质，蒸气压小的叫做难挥发性物质。

2）液体的沸点

液体的沸点，是指液体的饱和蒸气压与外界压力相等时的温度。

在此温度下，气化在整个液体中进行，称为液体的沸腾；而在此温度以下，则气化仅限于在液体表面上进行，即为蒸发。

这就是达到沸点时和在沸点以下液体气化之间的区别。

图1-2几种液体的蒸气压曲线

液体的蒸气压随温度的上升而迅速增大，将液体的蒸气压对温度作图就得到该液体的蒸气压曲线。

如图1-2所示，很显然，液体的沸点同外界气压密切相关。

外界气压升高，液体的沸点升高；外界气压下降，液体的沸点也下降。

当外界气压为101.325KPa时，液体的沸点称之为正常沸点。

图1-2可见水的正常沸点为100℃，当外界气压高于101.325KPa时，水的沸点高于100℃，外界气压低于101.325KPa时，水的沸点低于100℃。

在高山上，由于空气稀薄，大气低于101.325kPa，水在100℃以下就沸腾了。

例如，在珠穆朗玛峰上，大气压力只有32.4KPa，水在7l℃就沸腾了。

2.稀溶液的通性。

不同的溶质和溶剂组成的溶液往往有不同的性质，如颜色、密度、导电性等。

但是溶液有一些性质如蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降以及溶液的渗透压等，只和溶液中溶质的微粒数有关，它们随溶质微粒数的改变而改变，与溶质的本性无关，故又称为溶液的依数性。

1）溶液的蒸汽压下降

若往溶剂（如水）中加入任何一种难挥发的溶质，使它溶解而形成溶液时，由实验可以测出溶剂的蒸气压便下降。

即在同一温度下，溶有难挥发溶质B的溶液中，溶液的蒸气压总是低于纯溶剂A的蒸气压。

在这里，所谓溶液的蒸气压实际是指溶液中溶剂的蒸气压（因为溶质是难挥发的，其蒸气压可忽略不计）。

同一温度下，纯溶剂蒸气压力与溶液蒸气压力之差叫做溶液的蒸气压下降。

溶液的蒸气压比纯溶剂的要低的原因可以理解如下：

由于溶剂中溶解了难挥发的溶质后，溶剂的一部分表面或多或少地被溶质的微粒所占据，从而使得单位时间内从溶液中蒸发出的溶剂分子数比原来从纯溶剂中蒸发出的分子数要少，以致溶剂与其蒸气在较低的溶剂蒸气压力下即可以达到平衡，因此，难挥发溶质的溶液中溶剂的蒸气压力低于纯溶剂的蒸气压力。

显然，溶液的浓度越大，溶液的蒸气压下降就越多。

图1-3溶液蒸气压下降示意图

实验证明，在一定温度时，难挥发的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

式中p为溶液的蒸气压，pB*为纯溶剂的蒸气压，xB为溶剂的摩尔分数。

将xB＝1－xA（xA为溶质的摩尔分数）代入上式，得

上式表明，在一定温度下，难挥发的非电解质稀溶液中溶剂的蒸气压下降（△p）与溶质的摩尔分数成正比，这通常称为拉乌尔定律。

此定律只适用于稀溶液，溶液越稀，越符合定律。

2）溶液的沸点上升和凝固点下降

溶液的沸点是指溶液的蒸气压等于外界压力时，溶液沸腾时的温度。

而凝固点是物质固液两相平衡时的温度，也就是固相蒸气压和液相蒸气压相等时的温度。

—切纯物质都有一定的沸点和凝固点，而溶液的沸点和凝固点不同于纯溶剂。

如果在溶剂中加入难挥发的溶质，溶液的沸点比纯溶剂高，溶液的凝固点比纯溶剂低。

这些现象都是溶液的蒸气压下降的必然结果。

现在通过水溶液的例子来说明这个问题。

以蒸气压力为纵坐标，温度为横坐标，画出水和冰的蒸气压曲线，如图1-4所示。

水在正常沸点（100℃即373.15K）时其蒸气压恰好等于外界压力（101.325kPa）。

如果水中溶解了难挥发性的溶质，其蒸气压就要下降。

因此，溶液中溶剂的蒸气压力曲线就低于纯水的蒸气压力曲线，在373.15K时溶液的蒸气压就低于101.325kPa。

要使溶液的蒸气压与外界压力相等，以达到其沸点，就必须把溶液的温度升到373.15K以上。

从图1-4可见，溶液的沸点比水的沸点高△Tbp（沸点上升度数）。

图1-4水溶液的沸点上升和凝固点下降示意图

从图1-4还可以看到，在273.16K时冰的蒸气压曲线和水的蒸气压曲线相交于一点，即此时冰的蒸气压力和水的蒸气压相等，均为611Pa。

由于溶质的加入使所形成的溶液的溶剂蒸气压下降。

这里必须注意到，溶质是溶于水中而不溶于冰中，因此只影响水（液相）的蒸气压，对冰（固相）的蒸气压则没有影响。

这样在273.16K时、溶液的蒸气压必定低于冰的蒸气压力，冰与溶液不能共存，冰要转化为水，所以溶液在273.16K时不能结冰。

如果此时溶液中放入冰，冰就会融化，而融化是吸热过程，因此系统的温度就会降低。

在273.16K以下某一温度时，冰的蒸气压曲线与溶液的蒸气压曲线可以相交于一点，此温度就是溶液的凝固点。

它比纯水的凝固点要低△Tfp（凝固点下降度数）。

溶液的蒸气压下降程度与溶液浓度有关，而溶液的蒸气压下降又是溶液沸点上升和凝固点下降的根本原因，因此，溶液的沸点上升和凝固点下降也必然与溶液的浓度有关。

难挥发的非电解质稀溶液的沸点上升和凝固点下降与溶液的质量摩尔浓度成正比，可用下列数学式表示：

式中，Kb与Kf分别称做溶剂的摩尔沸点上升常数和溶剂的摩尔凝固点下降常数（SI单位K·kg·mol－1）。

在生产和科学实验中，溶液的凝固点下降这一性质得到广泛的应用。

例如，汽车散热器（水箱）的用水中，在寒冷的季节，通常加入乙二醇C2H4（OH）2使溶液的凝固点下降以防止结冰。

溶液沸点上升和凝固点下降都与加入的溶质的质量摩尔浓度成正比；而质量摩尔浓度又与溶质的相对分子质量有关。

因此，可以通过对溶液沸点上升和凝固点下降的测定来估算溶质的相对分子质量大小。

由于同一物质的溶液凝固点下降常数要比沸点升高常数大，而且溶液凝固点的测定也要比沸点测定容易，因此通常用测凝固点的方法来估算溶质的相对分子质量。

由于凝固点的测定是在低温下进行的，所以被测试样的组成与结构不会遭到破坏。

因此，该方法通常用于生物体液及易被破坏的试样体系中可溶性物质浓度的测定。

现代科学研究表明，植物的抗旱性和抗寒性与溶液蒸气压下降和凝固点下降规律有关。

当植物所处的环境温度发生较大改变时，植物细胞中的有机体就会产生大量的可溶性碳水化合物来提高细胞液的浓度，细胞液浓度越大，其凝固点下降越大，使细胞液能在较低的温度环境中不冻结，从而表现出一定的抗寒能力。

同样，由于细胞液浓度增加，细胞液的蒸气压下降较大，使得细胞的水分蒸发减少，因此表现出植物的抗旱能力。

3）渗透压

①渗透及渗透压

扩散（diffusion）

溶质在溶剂中的溶解是由于溶质粒子扩散运动的结果，这种粒子的热扩散运动使得溶质从高浓度处向低浓度处迁移，同时溶剂粒子也发生类似的迁移。

当双向迁移达到平衡时，溶质在溶剂中的溶解达到最大程度。

这种物质自发地由高浓度处向低浓度处迁移的现象称为扩散。

扩散现象不但存在于溶质与溶剂之间，也存在于任何不同浓度的溶液之间。

半透膜（semipermeablemembrane）：

一种能有选择地通过或阻止某些粒子的物质即一种只允许溶剂的分子通过，而不允许溶质的分子