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第三篇 水溶液化学原理 第 8 章 水溶液

第三篇 水溶液化学原理 第 8 章 水溶液. Chapter 8 Water Solution . 本章教学要求. 1． 进一步掌握溶液的浓度的表示方法。. 2． 了解稀溶液的通性。. 3． 初步了解强电解质理论。. 本章教学内容. 8-1 溶液的浓度和溶解度 8-2 非电解质稀溶液的依数性 8-3 强电解质溶液理论 . Concentration and solubility of solution. Colligative properties dilute nonelectroiyte solution.

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第三篇 水溶液化学原理 第 8 章 水溶液

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Presentation Transcript

  1. 第三篇 水溶液化学原理第8章 水溶液 Chapter 8 Water Solution

  2. 本章教学要求 1． 进一步掌握溶液的浓度的表示方法。 2． 了解稀溶液的通性。 3． 初步了解强电解质理论。

  3. 本章教学内容 8-1 溶液的浓度和溶解度 8-2 非电解质稀溶液的依数性 8-3 强电解质溶液理论 Concentration and solubility of solution Colligative properties dilute nonelectroiyte solution Theory of strong electrolyte solution

  4. 8-1 溶液的浓度和溶解度（concentration and solubility of solution） 8-1-1 溶液的浓度(The concentration of solution) 1、溶液浓度的表示方法 广义的浓度定义是溶液重的溶质相对于溶液或溶剂的相对量。 狭义的浓度定义是一定体积的溶液重溶质的“物质的量”。在历史上由于不同的实践需要形成了名目众多的浓度表示方法，已经学过的浓度表示方法有： 溶液浓度的几种表示方法 类型符 号 单 位 物质的量浓度(molarity) M mol/L 质量摩尔浓度(molality) m mol/kg 质量分数 w 无单位 摩尔分数 x(B) 无单位

  5. 2. 各种浓度之间的换算.如:p297表8-1 实验室常用酸碱溶液的浓度。 3. 各种不同纯度试剂的表示： 优级纯(G.R)：Guarantee Reagent (绿色) 分析纯(A.R)：Analytical Reagent(红色) 化学纯(C.P)：Chemical Pure(蓝色) 实验试剂(L.R): Laboratory Reagent (棕或黄色)

  6. 8-1-2 溶解度（solubility） 1、溶解度——一定温度和压力下溶质在一定量溶剂重形成饱和溶液时,被溶解的溶质的量。 其实，从相平衡的角度理解溶解度更确切，即在一定温度和压力下，固液达到平衡时的状态. 这时把饱和溶液里的物质浓度称为“溶解度”。按此把溶液分为： 不饱和溶液 饱和溶液 过饱和溶液 中学里介绍过把某温度 下100克水里某物质溶解 的最大克数叫溶解度.习 惯上按溶解度大小，把 溶液分为： 易溶 >10 可溶 1-10 微溶 0.1-1 难溶 <0.1

  7. 2、溶解度的影响因素 a. 温度对不同物质在水中的溶解度有不同的影响： 1.温度的升高有利于吸热过程，例如图中KNO3溶于水时是吸热反应； 2.温度升高不利于放热过程,例如Ce2(SO4)3溶于水时是放热反应； 3.NaCl在水中的溶解度受温度的影响不大,基本上是一条不变的直线； 4.硫酸钠的溶解度曲线较为复杂。在305.4K以下的曲线是含10个结晶水的Na2SO4·10H2O的溶解度曲线，溶解度随温度的升高而增大。在305.4K以上的曲线则是无水Na2SO4的溶解度曲线，溶解度随温度的升高而降低。

  8. b. 压力 压力的变化对固体溶质和液体溶质的溶解度一般影响不大，但对气体溶质的溶解度却有很大的影响。 表8-2 气体溶解度与气体压力的关系

  9. 3、享利定律------气体溶解定律 a.叙述：在一定温度下,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 b.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. c.数学表达式: p=K x (K—— Henry’s constant) 亨利定律只适用于溶解度小，不与溶剂相互作用的气体。所以HCl,NH3等气体都不适用。

  10. Example

  11. 8-1-3 相似相溶原理 （the principle of similitude between solute and solvent） “相似相溶”原理，即非极性物质可以溶解在非极性溶剂中(例如碘溶于四氯化碳中)，性物质和离子型晶体易溶于极性溶剂(如水)中。主要表现在： a. 溶质分子于溶剂分子的结构越相似，相互溶解越容易； b. 溶质分子的分子间作用力与溶剂分子间作用力越相似，越易互溶。

  12. 8-2 非电解质稀溶液的依数性 （colligative properties dilute nonelectroiyte solution） 各种溶液各有其特性，但有几种性质是一般稀溶液所共有的. 这类性质与浓度有关，或者是与溶液中的“粒子数”有关，而与溶质的性质无关. Ostwald 称其为“依数性” . 这里非常强调溶液是“难挥发的”，“非电解质的”和“稀的”这几个定语的. 溶液的几种性质与水的比较 物质Tb / ℃ Tf / ℃ 20℃ / (g·cm-3) 纯水 100.00 0.00 0.9982 0.5mol·kg -1糖水 100.27 -0.93 1.0687 0.5mol·kg -1尿素水溶液 100.24 -0.94 1.0012

  13. 8-2-1 溶液的蒸汽压下降——拉乌尔定律 （lowering of the vapor pressure of the solvent——Raoult’s law） (1) 溶液蒸汽压下降实验 实验： 在液体中加入任何一种难挥发的物质时，液体的蒸汽压便下降，在同一温度下，纯溶剂蒸汽压与溶液蒸汽压之差，称为溶液的蒸汽压下降（p）. 同一温度下，由于溶质的加入，使溶液中单位体积溶剂蒸发的分子数目降低，逸出液面的溶剂分子数目相应减小, 因此在较低的蒸汽压下建立平衡，即溶液的蒸汽压比溶剂的蒸汽压低. 解释：

  14. （2）拉乌尔定律（Raoult’s law） 根据实验结果，在一定温度下，稀溶液的蒸汽压等于纯溶剂的蒸汽压乘以溶剂在溶液中的摩尔分数，即

  15. Example 已知20 ℃时水的饱和蒸汽压为2.33 kPa.将17.1g蔗糖（C12H22O11）与3.00g尿素 [CO(NH2)2]分别溶于100g水. 计算形成溶液的蒸汽压. Solution 两种溶质的摩尔质量是M1=342 g/mol和M2=60.0 g/mol 则 所以，两种溶液的蒸汽压均为：p=2.33 kPa×0.991=2.31 kPa 只要溶液的质量摩尔数相同，其蒸汽压也相同.

  16. 蒸气压下降引起的直接后果之一 8-2-2 溶液的凝固点下降(depression of the freezing point) 必须注意到，溶质加到溶剂（如水）中，只影响到溶剂（如水）的蒸气压下降，而对固相（如冰）的蒸气压没有影响. 显然，只有当温度低于纯溶剂的凝固点时（对水而言为 0 ℃ ），这一温度就是溶液的凝固点，所以溶液的凝固点总是低于纯溶剂的凝固点，其降低值为Tf. 同理可得，△Tf=Kf·m

  17. Example 冬天，在汽车散热器的水中注入一定量的乙二醇可防止水的冻结. 如在 200 g 的水中注入6.50 g 的乙二醇，求这种溶液的凝固点. Solution （℃） ℃

  18. 蒸气压下降引起的直接后果之二 8-2-3 溶液的沸点升高(elevation of the boiling point) 当溶液的蒸汽压下降，要使其沸腾，即蒸汽压达到外界压力，就必须使其温度继续升高 ，达到新的沸点，才能沸腾. 这叫稀溶液的沸点升高. 溶液越浓，其 p越大，Tb越大，即Tbp，则 Kb为沸点升高常数，与溶剂的摩尔质量、沸点、气化热有关，可由理论推算，也可由实验测定：直接测定几种浓度不同的稀溶液的Tb ，然后用Tb对m作图，所得直线斜率即为Kb.

  19. Example 已知纯苯的沸点是 80.2 ℃，取 2.67 g萘（C10H8）溶于100g苯中，测得该溶液的沸点为 80.731 ℃，试求苯的沸点升高常数. Solution

  20. 蒸气压下降引起的直接后果之三 8-2-4 溶液的渗透压（osmotic pressure） （1）渗透-溶剂分子透过半透膜向溶液扩散使溶液变稀的现象。 （2）渗透压-施于溶液液面阻止溶剂 透过半透膜向溶液渗透的压强。

  21. （3）渗透压的测定 内管是镀有亚铁氰化铜 [Cu2Fe(CN)6]的无釉磁管，它的半渗性很好. 管的右端与带活塞的漏斗相连，用以加水，左端连结一毛细玻璃管，管上有一水平刻度(l). 外管是一般玻璃制的，上方带口，可以调节压力. 若外管充满糖水溶液，内管由漏斗加水至毛细管液面到达l处. 因内管蒸气压大于外管，水由内向外渗透，液面l就有变化，若在外管上方口处加适当压力 p，则可阻止水的渗透而维持液面l不变，按定义所加压力 p 就是渗透压.

  22. （4） 渗透压定律 1877年，Pfeffer的实验结果， 在0 ℃蔗糖溶液的渗透压 溶液浓度c/g·dm-3渗透压/atm 10.03 0.68 0.068 20.14 1.34 0.067 40.60 2.75 0.068 61.38 4.04 0.066 1%蔗糖溶液在不同温度的渗透压 温度 T/K渗透压/atm 273 0.648 2.37 287 0.691 2.41 295 0.721 2.44 309 0.746 2.41

  23. 1885年，van’t Hoff把这些数据归纳、比较，发现: , n为一常数，并与理想气体常数 R 值相似. 因而认为稀溶液的渗透压定律与理想气体定律相似，可表述为： 式中  是kPa ，T用K， V是摩尔体积，n/V是摩尔浓度， R 用 8.31 k·dm-3·mol-1·K-1

  24. Example 测得人体血液的冰点降低值 Tf= 0.56，求在体温 37℃ 时的渗透压. Solution

  25. Example 有一种蛋白质，估计它的摩尔质量在12000 g·mol-1左右，请用渗透压法测定其摩尔质量是多少？ Solution ，因为溶液很稀，可设它的密度和水的1 g ·mol-1相同. 由于蛋白质摩尔质量很大，1%溶液的质量摩尔浓度或溶质摩尔分数都很小，p 与 Tb 值很小（ ），若用沸点上升法，不易精确测量， Tf 也相当小（ ），用冰点下降法也难以测准，所以用渗透压法最好.

  26. Question （1） 小结稀溶液依数性的应用. （2） 为什么测定普通物质分子量常用冰点下降法而 不用沸点上升法，而测定生物大分子的分子量 却又常用渗透压法.

  27. 8-3 强电解质溶液理论（theory of strong electrolyte solution） 人们最先认识非电解质稀溶液的规律，然后再逐步认识电解质溶液及浓溶液的规律. 几种盐的水溶液的冰点下降情况 盐 m/mol·kg-1 Ti/K（计算值） Ti/K（计算值） KCl 0.20 0.372 0.673 1.81 KNO30.20 0.372 0.664 1.78 MgCl2 0.10 0.186 0.519 2.79 Ca(NO3)2 0.10 0.186 0.461 2.48 1887年，Arrhenius是这样在电离理论中解释这个现象的： ●电解质在水溶液中是电离的. ●电离“似乎”又是不完全的. 然而，我们知道，强电解质离子晶体，在水中应是完全电离的，那么，这一矛盾又如何解释呢？

  28. I = 强电解质溶液理论 1923年，Debye和Hückle提出了强电解质溶液理论，初步解释了前面提到的矛盾. （1）离子氛和离子强度 强电解质在水溶液中是完全电离的，但离子并不是自由的，存在着“离子氛”。 用I—离 子强度表示 离子与“离子氛”之间的强弱，Zi表示溶液中种i离子的电荷数，mi表示i种离子的质量摩尔浓度，则

  29. Example 求下列溶液的离子强度. (1) 0.01 mol·kg-1的BaCl2的溶液. (2) 0. 1 mol·kg-1盐酸和0. 1 mol·kg-1CaCl2溶液等体积 混合后形成的溶液. (1) 所以 (2) 混合溶液中 所以 Solution

  30. （2）活度和活度系数 指电解质溶液中离子实际发挥的浓度，称为有效浓度或活度.显然 a = fc 这里，a—活度，c—浓度，f—活度系数 ● Z 越高，I 较大，f 的数值越小 ● c 越大，I较大，则 a 与 c 的偏离越大 ● c 很低，I也很小，一般可近似认为 f = 1.0 , 可用 c 代替 a 一个适于 r离子半径 3 × 10 –8cm , I < 0.1mol·kg-1的半经验公式为： 电解质溶液理论至今尚在不断发展，本课程不做要求！

  31. 本章作业 1、4、5、8、9

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