高中化学竞赛辅导无机化学13溶液知识点素材.docx
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高中化学竞赛辅导无机化学13溶液知识点素材
§1-3溶液
Solutions
一、一些基本概念（SomeBasicConcepts）
1．分散系（Dispersionsystem）
（1）一种或几种物质的质点分散在另一种物质的质点中所形成的体系，称为分散系。
分散系中又分为：
分散相（dispersionphase）：
被分散的物质称为分散相
分散介质（dispersionmedium）：
容纳分散相的物质称为分散介质
（2）分类（Classification）：
a．均匀分散系（homogeneousdispersionsystem）
b．不均匀分散系（heterogeneousdispersionsystem）
（3）分散相直径：
d<1nm溶液，d=1～100nm溶胶，d>100nm悬浊液、乳浊液。
2．溶液（Solutions）
（1）溶液是均匀的分散系。
它包括分散相─溶质（solute），分散介质─溶剂（solvent）。
（2）溶液的种类（kindsofsolution）
Table1.1ExamplesofSolutions
StateofSolution
StateofSolvent
StateofSolute
Example
Gas
Gas
Gas
Air
Liquid
Liquid
Gas
O
xygeninwater
Liquid
Liquid
Liquid
Alcoholinwater
Liquid
Liquid
Solid
Saltinwater
Solid
Solid
Gas
Hydrogeninpalladium
Solid
Solid
Liquid
Mercuryinsilver
Solid
Solid
Solid
Silveringold
3．溶解（Dissolve）
（1）溶解过程是物理化学过程。
固体盐的溶解常伴随热效应，两种液体之间的混合常伴随体积变化，也伴随热效应。
（2）溶解度（solubility）
a．溶解平衡是一个动态平衡（dynamicequilibrium）。
b．饱和溶液的浓度也可以认为是溶解度。
溶解度除了用g/100gH2O表示，
还可用mol·dm3，%表示。
c．在室温下，s＞10g/100gH2O称为易溶，s在1~10g/100gH2O称为可溶
，s在0.1g~1g/100gH2O称为微溶，s＜0.1g/100gH2O称为难溶。
绝对不溶的物质是没有的。
d．
影响溶解度的因素：
（i）内因：
“相似相溶”：
H2O（polarsolvent）－离子化合物（Ioniccompounds）,水－极性分子（polarmolecule）相溶较好
non-polarsolvent–non
-polarmolecule相溶较好
（ii）外因：
温度（temperature）和压强（pressure）
温度：
Solid：
温度升高，溶解度有增大，有不变，有减少；
Liquid：
温度升高，溶解度
增大。
∵温度升高液体分子间距增大，∴分子易互溶
Gas：
温度升高，溶解度减少。
压强：
压强增大时，对固体、液体溶解度变化不大，但对气体的溶解度影响很大。
4．享利定律（Henry’slaw）－气体溶解定律
（1）叙述：
在一定温度和一定体积的液体中，所溶解的气体质量与该气体的分压成正比。
例如：
0℃、1atm
的CO2的溶解度：
s0=0.335g/100mlH2O，0℃、2atm的CO2的溶解度
：
s0=0.670g/100mlH2O
（2）解释：
当气体的压强增加n倍，那么气体进入液体的机会也增加n倍，所以气体溶解的质量也增加n倍。
故亨利定律与其它气体的分压无关。
例如：
1atm的纯氧在水中的溶解度是空气中氧气的4.7倍，因为空气中氧的分压
=0.21atm。
所以若气相中有几种气体，则各种气体的溶解度皆与其分压成正比。
（3）数学表达式：
kH=p/x（kH：
Henry’sconstant）
p是被溶解气体的分压（以mmHg为单位），x是溶解的气体在溶液中所占的物质的量分数。
由于亨利定律有几种不同的叙述方式，浓度，压强都可以用不同的单位，所以在用公式时，特别要注意亨利定律常数kH的单位。
在我们这个表达式中，摩尔分数（x）是无量纲的，气体分压（p）的单位用mmHg柱，所以kH的单位也应是mmHg柱。
SampleExercise：
20℃时，氧气溶解在水中的亨利定律常数为2.95×107mmHg柱，在通常大气中，氧分压为0.21atm，此时有多少摩尔氧气溶在1000g水中？
Solution：
，
由亨利定律
，得
∴
（mol）
（4）亨利定律只适用于溶解度小、且不与溶剂相互作用的气体。
HCl、NH3等气体与水有相互作用，所以它们都不服从亨利定律。
二、溶液的浓度（TheConcentrationsofSolution）
1．溶液浓度表示法
（1）质量分数（m/m）：
（massfraction,masspercentage），ppm（partspermillion），ppb（partsperbillion）
饮水中的砷含量不得超过0.05ppm（=0.05mg/1LH2O）
（2）体积物质的量浓度（M=n/V）Molarity：
物质的量浓度（M）=molesofsolute/litersofsolution
（3）质量物质的量浓度（n/1000gH2O）Molality：
质量物质的量浓度（m）=molesofsolute/kilogramsofsolvent
当溶液很稀时，ρ=1，所以1kg溶剂近似看作1L溶液，则M≈m
（4）摩尔分数（xi）Molefractionofcomponent:
摩尔分数xi=ni/n=molesofcomponent/totalmolesofallcomponents
（5）Normality（N）（当量浓度）
当量浓度（N）=n×molesofsolute/litersofsolution
在酸碱反应中，n等于参加反应的H＋或OH－数目，在Ox-Red反应中，n等于1mol物质氧化数的总改变值。
离开化学反应讲当量浓度，是毫无意义的。
2．各种浓度之间的换算（Unitsexchange）
上面的
（1）换算成
（2）和（5）必须知溶液的密度，
（2）、（5）之间的互换必须知化学反应方程式。
3．各种不同纯度试剂的表示：
优级纯：
Guaranteereagent（G.R.）分析纯：
Analyticalreagent（A.R.）
化学纯：
Chemicalreagent
（C.R.）实验试剂：
Laboratoryreagent（L.R.）
三、稀溶液的依数性（ColligativePropertiesofDiluteSolution）
Colligative来自拉丁语：
colligare，意为团结、一起的意思。
依数性指的是仅仅与溶液中微粒的个数有关的性质
，而与溶质的种类无关。
1．溶液的蒸气压降低（Loweringthevaporpressure）──稀溶液依数性的核心
（1）在一定温度下，向纯溶剂中加入难挥发性的溶质，此溶液的蒸气压仍然是溶剂的蒸气压。
（2）在一定温度下，溶液的蒸气压小于纯溶剂的蒸气压。
（3）拉乌尔定律：
1880年法国化学家拉乌尔（Raoult）通过实验发现：
溶液的蒸气压下降与溶质的摩尔分数有关：
△
，称为Raoult’slaw.其中
为在某温度下纯溶剂蒸气压，p为同一温度下溶液蒸气压。
对于只有一种难挥发溶质的溶液：
x质+x剂=1
△
，故
这是一种更常用的形式。
文字叙述为：
在一定温度下，某难挥发性溶质的溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数。
（a）（b）
Fig.1.16Anaqueoussolutionandpurewaterinaclosedenvironment.
（a）Initialstage,（b）Afteraperiodoftime,thewateristransferredtothesolution.
SampleExercise1：
Glycerin,C3H8O3,isanonvolatilenonelectrolytewithadensityof1.26g/mlat25℃.Calculatethevaporpressureat25℃ofasolutionmadebyadding50.0mlofglycerinto500.0mlofwater.Thevaporpressureofpurewaterat25℃is
23.8torr.
Solution：
MolesofC3H8O3=
=0.684（mol）
MolesofH2O=
=27.8（mol）
如果难挥发性的非电解质溶质的溶液很稀时，则
， 而
， 等式两边乘以M剂
， 把
代入Δp式中
得△
（
）
即在一定温度下，某难挥发、非电解质稀溶液的蒸气压下降与其质量物质的量浓度成正比。
严格来讲，这个定律只适合理想溶液（idealsolution）。
在受到理想气体的启发下，人们也抽象出一种理想溶液：
a．在理想溶液中，各组分分子是如此相似，以致它们之间的相互作用情况完全一致；
b．当各组分分子混合时，不会产生热效应和体积变化。
所以拉乌尔定律的实质是理想溶液中分子的挥发和相应纯液体中的分子完全一样。
（4）两种挥发性成分组成的溶液（twovolatilecomponents），其溶液上方的蒸气压（pT）
如果两种挥发性液体混合成一种溶液，例如C6H6（benzene）和C7H8（toluene）的混合，没有热效应和体积变化，称为理想溶液，那么这两种液体以任何比例相混合，其溶液均服从拉乌尔定律。
即 p1=x1p10，p2=x2p20
∴ 溶液上方的蒸气压
SampleExercise2：
Suchasolution,consideramixtureofbenzene,C6H6,andtoluene,C7H8,containing1.0molofbenzeneand2.0moleoftoluene（xben=0.33andxtol=0.67）.At20℃,the
vaporpressureofthepuresubstancesare
Calculatexbeninvapor.
Solution:
虽然苯在溶液中仅占33mol%，但在蒸气中占63mol%，所以易挥发的成份在蒸气中富积，成为蒸馏技术（distillation）的重要基础。
（5）对于挥发性的固体非电解质溶质的溶液，其溶液上方的蒸气压pT
不饱和溶液时：
饱和溶液时：
（即与溶质的摩尔分数无关）
思考题：
请学生证明饱和的挥发性的固体非电解质溶质的溶液上方的蒸气压的公式。
2．溶液沸点的升高（Boilingpointelevationofsolution）
（1）由于溶液的蒸气压低于纯溶剂的蒸气压。
所以溶液的沸点要高于纯溶剂的沸点，即Tb＞Tb
，△Tb=TbTb
（2）由于△p=K·m质，而与溶液的性质无关，所以，沸点升高的表达式为△Tb=Kb·m，
Kb为molarboilingpointelevationconstant。
在数值上恰好等于1m溶液的沸点上升的度数，其单位为（℃）K·kg·mol1。
（3）Application:
a．已知Tb，求Kb
SampleExercise：
1.00g尿素[CO（NH2）2]溶解于75.0g水中，测得其溶液的沸点为100.114℃,已知尿素的分子量为60.1，求水的Kb
解：
CO（NH2）2的
（m）
Tb=100.114100=0.114℃，Kb=0.114/0.222=0.513（℃/m）
b．已知Tb，求溶质的摩尔质量
3．溶液的凝固点的降低（Freezingpointdepressionofsolution）
（1）由于液体的凝固点是指
时的温度，而在此温度下，
，
∴p固＞p溶液。
因此只有当温度下降时，由于p固下降得更快一点（从上图可以看出），才能实现p固=p溶液，这时的温度才是溶液的凝固点Tf，由于Tf＜Tf
，所以溶液的凝固点要低于纯溶剂的凝固点。
（2）同样由p=K·m，可以把凝固点降低表达式表示为：
Tf=Kf·m
Kfmolarfreezing-pointdepressionconstant.
（3）Application
SampleExercise1:
Auto
motiveantifreezeconsistsofethyleneglycol,C2H6O2,anonvolatilenonelectrolyte.Calculatethefreezingpointofa25.0mass
percentsolutionofethyleneglycolinwater.
Solution:
Molality=
Tf=Kf·m=1.86×5.37=9.99℃
∴5.37m乙二醇溶液的凝固点=09.99=9.99℃
SampleExercise2：
Laurylalcoholisobtainedfromcoconutoilandisusedtomakedetergents.Asolutionof5.00goflaurylalcoholin0.100kgofbenzenefreezesat4.1℃.Whatisthemolarmassofthissubstance?
（Kf=5.12，Tf
=5.5℃ofbenzene）
Solution:
Tf=5.54.1=1.4℃,由△Tf=Kf·m
得
，解得M=182.9（g·mol1）
（4）凝固点降低法测定分子量比沸点升高法测定分子量更准确。
因为Kf数值大于Kb，所以实验误差相对小一些；其次测凝固点时，可以减少溶剂的挥发。
（5）对于电解质溶液，m是指溶液中所有溶质含的离子的质量物质的量浓度。
例如1mNaCl（aq）中溶质的粒子浓度为2m。
Sampleexercise3：
3.24gHg（NO3）2和10.14gHgCl2分别溶解在1000g水中，溶液的凝固点分别为0.0558℃和0.0744℃，问哪种盐在水中以离子状态存在?
（Kf=1.86）
S
olution：
Hg（NO3）2
而
∴Hg（NO3）2在水中以离子状态存在
HgCl2：
而
∴HgCl2基本上以分子形式存在
Sampleexercise4：
Listfollowingaqueoussolutionsinorderoftheirexpectedfreezingpoints：
0.050mCaCl2、0.15mNaCl、0.10mHCl、0.050mCH3COOH、0.10mC12H22O11
Solution：
0.050mCaCl2～0.15minparticles0.15mNaCl～0.30m
0.10mHCl～0.20m0.050mCH3COOH～0.05～0.10m之间
∴freezingpoints’orderingisNaCl、HCl、CaCl2、C12H12O11、CH3COOH
low high
4．渗透压（Osmoticpressure）
（1）半透膜（semipermeablemembrane）
a．材料：
Certainmaterials,includingmanymembranesinbiologicalsystemsandsyntheticsubstancessuchascellophane,aresemipermeable.Cu2[Fe（CN）6]淀积在素烧粗瓷筒的细孔内，也有半渗透性。
b．作用：
Theypermitthepassageofsomemoleculesbutnotothers.Theyoftenpermitthepassageofsmallsolventmoleculessuchaswaterbutblockthepassageoflargesolutemoleculesorions.
c．structure:
Semipermeablemembranecharacterisanetworkoftinyporeswithinthemembrane.
（2）渗透（osmosis）：
溶剂分子通过半透膜从稀溶液向浓溶液方向移动的现象，称为渗透。
Thereisanetmovementofsolventmoleculesfromthelessconcentratedsolutionintothemoreconcentratedone.Thisprocessiscalledosmosis.
Theimportantpointtorememberisthatthenetmovementofsolventisalwaystowardthesolutionwiththehighersoluteconcentration.
（3）实验（experiment）
图1.18a中，半透膜左边放入浓溶液，右边放入稀溶液；溶剂从右边移动到左边（就好像溶液要获得相等的浓度）。
由于溶剂的净移动，产生了压力差，如图1.18b，它是由于渗透引起的，称为渗透压，表现为U型管两边的液面差；如果在U型管左边加一个压力，可以阻止溶剂分子的静移动，如图1.19。
（4）1887年van’tHoff（1852－1911）[范德霍夫，荷兰物理化学家，曾获1901年诺贝尔化学奖]研究溶液的渗透压，其结论为：
溶质分散在一定体积的溶剂中的渗透压和溶质扩散在等体积中的气体压力一样，即：
πV=nRTorπ=cRT
（Theosmoticpressureisfoundtoobeyalawsimilarinformtotheidealgaslaw）
注意：
a．此公式只适用于非电解质稀溶液；b．在极稀溶液中，一升溶液近似看作1kg溶剂，所以π≈mRT；c．只有在半透膜存在下，才能表现出渗透压；d．虽然稀溶液的π=cRT与气体的pV=nRT完全符合，但π与p产生的原因是不同。
（5）Application
a．求分子量。
渗透压常用于极高分子量的物质的测定。
Sampleexercise1：
在250C、1升苯中含5.0克聚苯乙烯的溶液，其π=7.6mmHg，试求聚苯乙烯的分子量？
Solution：
π=7.6/760=0.01（atm）
，T=298K
由π=cRT 得
∴
=1.22×104（g/mol）
故聚苯乙烯的分子量为1.22×104
b．配制等渗溶液（isotonicsolution）：
渗透压相等的溶液，例如红血球的渗透压与0.9%的NaCl（aq）的渗透压相同。
若把血液放入小于0.9%NaCl溶液中，水就渗入红血球中，红血球溶涨，可使红血球破裂，称为溶血作用（hemolysis）；若把血液放入大于0.9%的NaCl溶液中，红血球中的水分就渗出，红血球缩小（shrive），所以大量的静脉注射必须配制与血液相等的渗透压才能应用，否则会引起严重的疾病。
Sampleexercise2：
Theaverageosmoticpressureofbloodis7.7atmat25℃.Whatconcentrationofglucose,C6H12O6,willbeisotonicwithblood?
Solation：
由π=cRT 得
（mol/L）
c．可使海水淡化
5．稀溶液依数性的总结
（1）当难挥发性的非电解质溶解在溶剂中形成极稀溶液，它的蒸气压降低、沸点升高、凝固点降低以及渗透压，与在一定量的溶剂或一定体积的溶液中所溶解的溶质的摩尔数成
正比，而与溶质的本质无关。
我们把这种溶液在性质上变化的规律性称为稀溶液的依数性（colligativeproperties）
（2）蒸气压降低、沸点升高和凝固点降低都是由x剂或m质来决定的，因此它们之间有
联系，蒸气压下降是核心。
正是由于蒸气压的下降，引起了沸点升高和凝固点降低。
四、胶体溶液（ColloidalSolution）
1．胶体的定义：
分散相粒子的直径在1~100nm范围内的均匀分散系。
2．胶态体系有8种（gas-gas除外），我们研究固体分散在液体中的胶态体系－溶胶（sol-gel）。
3．溶胶制备（preparation）:
（1）凝聚法
a．物理凝聚法：
（i）更换介质法：
硫的洒精溶液倒入水中形成硫溶胶；
（ii）蒸气凝聚法：
在特制的反应器中，蒸发钠金属与有机化合物（苯），在蒸气相中形成钠溶胶（aerosol）。
b．化学凝聚法：
（i）还原法制Au溶胶：
2HAuCl4+3H2O22Au+8HCl+3O2
（ii）氧化法制硫溶胶：
2H2S+SO23S+2H2O
（iii）分解法制镍溶胶：
Ni（CO）4Ni（苯中）+4CO
（iv）水解法制Fe2O3水溶胶：
2FeCl3+（3+x）H2OFe2O3·xH2O+6HCl
（2）分散法：
机械、电、超声波等分散，胶体磨分散。
4．溶胶的特性：
除了高分子溶液的溶胶外，溶胶的分散相与分散介质之间存在着明显的物理界面
（1）丁铎尔效应（Tyndall’seffect）：
溶胶粒子质点大，散射能力大，只要λ～d质点，就可发生散射。
（2）电泳现象（Electrophoresis）：
在电流的作用下，胶体粒子的定向移动。
这说明溶胶粒子带同性电荷，如果电场中固相
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