第一章物质的聚集状态教材课件.ppt

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1、第一章 物质的聚集状态(Collective state of Matter),气态、液态、固态，等离子体态,1.1 分散系1.2 气体1.3 溶液浓度的表示方法1.4 稀溶液的通性 1.5 胶体溶液 1.6 高分子溶液和乳浊液,主要内容,分散相（被分散了的物 质，不连续状态）分散介质（容纳分散相的物质，连续状态）分散质和分散剂可以是固体、液体或气体。,1.1 分散系,分散系（Disperse Systerm)：由一种或多种物质分散在另一种物质中所形成的混合体系。,分散系,表 1-1 按聚集状态分类的各种分散系 分 散 相 分 散 介质 实 例 气 气 空气、家用煤气 液 气 云、雾 固 气

2、烟、霾 气 液 泡沫、汽水 液 液 牛奶、豆浆、农药乳浊液 固 液 泥浆、油漆、墨水 气 固 泡沫塑料、木炭、浮石 液 固 肉冻、硅胶、珍珠 固 固 红宝石、合金、有色玻璃,硫粉与铁粉的混合物是二组分的多相体系(具有两相)糖水、食盐水是二组分的单相体系，冰水混合物是单组分的两相体系(虽然液态水和固态冰的化学性质相同，但二者的物理性质不同。)铜锌合金、钢、洁净的空气(不含灰尘)是单相体系。,化学上把体系中物理性质和化学性质完全相同的一部分叫做“相”，相与相之间存在着明确的相界面。,按分散质粒子大小分类的液态分散系,*温度较高或压力较低时的稀薄气体可近似看成理想气体。,理想气体的假定：分子本身不占

3、有体积。(忽略尺寸)分子间没有相互作用力。(压力不太高，温度不太低时可忽略分子间相互作用),1.2 气体,1.2.1 理想气体状态方程,pV=nRT,在标准状况下，p101.325kPa，T273.15K（0 C)，1 mol理想气体的体积为22.414dm3或22.414L。,1Pam3=1J,热力学温度与摄氏温度的关系:T273.15K+摄氏温度,p:气体压力（Pa);V:气体体积（m3);n:物质的量（mol);R:摩尔气体常数（8.3214J.mol-1K)T:气体热力学温度（K),例：某氢气钢瓶容积为50.0L,25 C时，压力为500 kpa,计算钢瓶中氢气的质量。,pV=nRT,

4、m=10.1mol2.01gmol-1=20.3g,H2的摩尔质量M=2.01gmol-1,理想气体状态方程的运用,求分子量（摩尔质量）M pV=(m/M)RT(n=m/M)求质量m pV=(m/M)RT(n=m/M)求密度（r）r=m/V pV=nRT=(m/M)RT M=(m/V)(RT/p)=r(RT/p),例题（补充）：,惰性气体氙能和氟形成多种氟化物 XeFx。实验测定在80 oC，15.6 kPa 时，某气态氟化氙试样的密度为0.899（g dm-3)，试确定这种氟化氙的分子式。解：求出摩尔质量，即可确定分子式。,解：pV=nRT=(m/M)RT M=(m/V)(RT/p)=r(R

5、T/p)=(0.899 8.314 353)/15.6=169(g mol-1)已知 原子量 Xe 131,F 19,则 XeFx 分子量为 131+19x=169 x=2，这种氟化氙的分子式为：XeF2,1.2.2 分压定律,分压：各组分气体单独占有混合气体总体积时所呈现的压力。,若混合气体由 i 种气体混合而成，同理可得 p=p1p2p3pB,道尔顿气体分压定律：混合气体的总压等于混合气体的各组分气体的分压之和,在混合气体中，第 B种气体的分压力，混合气体的总压力，,或 pBp xB,道尔顿气体分压定律2：组分 B的分压力等于该组分摩尔分数(xB)与混合气体总压力的乘积。,组分气体B的体积

6、分数,（1-6）,书上例1-2，已知各组分体积分数，可求得各组分气体的分压。,pBxB p,例 在某实验室中(大气压力为90.12 kPa)，在19.0时用排水集气法收集到氢气0.187 L。已知19.0时水的饱和蒸气压为2.20 kPa，求在标准状况下经过干燥后所收集到的氢气的体积。,解：由道尔顿气体分压定律可得，,=90.12 kPa2.20 kPa=87.92 kPa,根据理想气体状态方程式,0.187L,273.15+19,273.15,101.325,1.3溶液浓度的表示方法,溶液:气体溶液(如大气)固体溶液(如合金)液体溶液(如糖水、食盐水、乙醚的苯溶液等)本章重点讨论液体溶液，以

7、下简称溶液。,CB B的物质的量浓度，单位为molL-1。nB 物质B的物质的量，单位为mol。V 混合物的体积，单位为m3。,注意：使用物质的量单位mol时，要指明物 质的基本单元。,1.3.1 物质的量浓度,例：溶液 c(KMnO4)=0.10molL-1 溶液 c(1/5KMnO4)=0.10molL-1 1 L溶液中所含KMnO4的物质的量是不同的，,后者,c(1/5KMnO4)=0.10molL-1,前者，c(KMnO4)=0.10molL-1 n(KMnO4)=0.10mol,奥运会标,与,的关系,n(KMnO4)=0.02mol,c(KMnO4)=1/5c(1/5KMnO4)=0

8、.02molL-1,不同,bB 溶质B的质量摩尔浓度，单位为molKg-1。nB 溶质B的物质的量，单位为mol。mA 溶剂的质量，单位为kg。,1.3.2 质量摩尔浓度,1.3.3 质量分数,mB 物质B的质量；m 混合物的质量；B的质量分数，单位为1。,1.3.4 摩尔分数,nBB的物质的量，SI单位为mol；n 混合物总的物质的量，SI单位为mol；SI单位为1。,任何一个多组分系统,解：根据题意，100g溶液中含有10g NaCl，90g 水。即 m(NaCl)=10g,而m(H2O)=90g,21,1、蒸气压下降（The lowering of the vapor pressure)

9、2、沸点上升(The elevation of the boiling point)3、凝固点降低(The depression of the freezing point)4、渗透压(The phenomenon of osmotic pressure),难挥发的非电解质稀溶液有一定的共同性和规律性。该类性质称为稀溶液的通性，或称为依数性。包括四个方面：,1.4 稀溶液的通性,在熔融状态和水溶液中都不能导电（不发生电离反应）的化合物。除羧酸及其盐、酚、胺以外，大多数有机化合物都是非电解质，如蔗糖、甘油、乙醇等。在无机化合物中，只有某些非金属的卤化物和所有非金属氧化物是非电解质。,非电解质,同

10、一温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压要小，它们之间的差值，叫“溶液的蒸气压下降”,1.4.1 溶液蒸气压的下降,蒸气压决定于分子之间的吸引力：极性分子（水，甘油），蒸气压小；非极性分子（汽油），蒸气压大；分子量越大，蒸气压越小；溶液的饱和蒸气压同样与温度密切相关,溶液的饱和蒸气压:,溶剂分子挥发和凝聚达到动态平衡时，溶剂蒸气所具有的压力,25,当溶质分散于溶剂之中，溶液表面的部分位置，被溶质分子所占据，使得单位表面所能逸出的溶剂的分子个数减少，因此溶液蒸气压较之纯溶剂有所降低。,蒸气压大,蒸气压小,P 溶液的蒸气压，单位为Pa；po 溶剂的饱和蒸气压，单位为Pa；A 溶剂的摩尔分数。,溶液蒸

11、气压的下降拉乌尔定律,一定温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的饱和蒸气压与溶液中溶剂的摩尔分数的乘积。,因为 A十Bl，即 Al一B,所以 p=poA=po（1-B）=po-poB,p=po-p=poB,一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压的下降值与溶质的摩尔分数成正比。拉乌尔定律,p=poA,27,1.溶液的沸点上升,沸点：液体蒸气压与外界压力相等时的温度。,难挥发物质的溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点，二者之差为：Tb=Tb T0=KbbB,沸点上升示意图,1.4.2 溶液沸点的升高和疑固点下降,bB溶质的质量摩尔浓度(molkg-1)Kb溶剂的沸点升高常数，单位为Kkgmol-1或 kg

12、mol-1,Kb只与溶剂的性质有关，而与溶质的本性无关,28,2.溶液的凝固点下降,溶液的凝固点总是低于纯溶剂的凝固点 Tf=T0Tf=Kf bB,特点 不随溶液性质而变，只与溶剂有关 同种溶剂：Kf Kb,凝固点：液相和固相蒸气压相等时的温度固相与液相 共存时的温度。,凝固点下降示意图,Kf 称为溶剂的凝固点下降常数 单位为Kkgmol-1或 kgmol-1。,Tb和Tf都与溶质的质量摩尔浓度bB成正比，因此可以估算溶质的相对分子质量大小。溶液凝固点下降常数比沸点常数大，凝固点测定在低温下进行，被测样品组成与结构不会被破坏。故通常用测凝固点的方法来估算溶质的相对分子质量。,3利用沸点和凝固点

13、求摩尔质量,例1-3 有一质量分数为1.0%的水溶液,测得其凝固点为273.05K计算溶质的相对分子质量。,由于该溶液的浓度较小，所以mA+mBmA，即mB/mA mB/mA+mB=1.0%,nB,解：根据公式：Tf=KfbB,溶质的相对分子质量为183,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?冰-盐制冷剂 冰面撒盐融冰,拉乌尔定律是溶液的最基本的经验定律之一，溶液的其他依数性如沸点升高、凝固点降低都可以用溶剂的蒸气压降低来解释。非挥发性非电解质，溶液的蒸气压等于溶液中溶剂的蒸气压。溶液的蒸气压总是小于纯溶剂的蒸气压。,(补充内容)若溶质是易挥发非电解质，由于溶质与溶剂均能挥

14、发，所以整个溶液的蒸气压应该是二者蒸气压之和。,P=pA+pB,例（补充）：20时，将甲醇与乙醇相混合，其中甲醇的摩尔分数是1/3，20时p*甲醇11.83kPa，p*乙醇5.93(kPa)，求20时溶液的蒸气压力p。(甲醇和乙醇的混合物可视为理想溶液),pp甲醇p乙醇 p*甲醇x甲醇p*乙醇x乙醇,结果告诉我们，溶液的蒸气压相对于纯甲醇的饱和蒸气压是降低了，而相对于纯乙醇的饱和蒸气压是升高了。,解：溶液的蒸气压,半透膜：只允许溶剂分子通过而不允许溶质分子通过的膜。如动植物的膜组织例如动物膀胱、肠衣、植物的表皮层等。渗透：被半透膜分隔的溶液，两溶液的溶剂分子可以透过半透膜向对方扩散的现象。,渗

15、透压：为维持半透膜所隔开的 溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力。即阻止渗透作用进行时所需加给的额外压力。,渗透压示意图,1.4.3 溶液的渗透压,溶液的渗透压，单位为Pa；cB溶液的浓度，单位为mo1L-1；R气体常数，为8.31kPaLmol-1K-1；T体系的温度，单位为K。,V=nBRT即=cBRT,稀溶液渗透压与 浓度、温度的关系：,渗透压法估算溶质的相对分子质量：,例1-4 有一蛋白质的饱和水溶液，每升含有蛋白 质5.18克，已知在298.15K时,溶液的渗透压 为413Pa,求此蛋白质的相对分子质量。解：根据公式=cBRT,即该蛋白质的相对分子质量为30569。,将淡水鱼放

16、人海水中由于其细胞液浓度较低，因而渗透压较小。它在海水中就会因细胞大量失去水分而死亡。人体发高烧时，需要及时喝水或通过静脉注射与细胞液等渗的生理盐水和葡萄糖溶液以补充水分。,渗透压的应用,用于静脉注射的生理盐水是质量分数为0.9的NaCl水溶液，NaCl 的浓度不能大亦不能小。若 NaCl的质量分数小于0.9，当溶液被输进血液中后，血液中的红细胞会因细胞外的水分渗进细胞内而被胀破。反之，若溶液中 NaCl 的浓度过大，红细胞会因细胞内的水分渗出细胞外而皱缩。溶剂水分子总是从稀溶液透过细胞膜向浓溶液中渗透。,例 为人体做静脉注射用的葡萄糖溶液，其葡萄糖的质量分数为5.00，试推算人体血液的渗透压

17、。葡萄糖的摩尔质量是180克摩尔。,解：设1升葡萄搪溶液是由 x 克葡萄糖和1000克水配制而成。,所以,解得 x52.6克即1升溶液中含52.6克葡萄糖,所以,所以 cRT 0.2928.315(273十37)753(kPa)人体血液的渗透压是753 kPa。,38,难挥发、非电解质的稀溶液的某些性质(蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压)与一定量的溶剂中所含溶质的物质的量成正比，而与溶质的本性无关。注意：为什么稀溶液的各项通性，不适用于浓溶液和电解质？,稀溶液的依数性定律,溶液有两大类性质：第一种，与溶液中溶质的本性有关：溶液的颜色、比重、酸碱性和导电性等；第二种，与溶液中溶质的独立质

18、点数有关，而与溶质的本身性质无关：如溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压等。,难挥发的非电解质稀溶液的依数性,第一章 物质的聚集状态(Collective state of Matter),气态、液态、固态，等离子体态,1.2.1 理想气体状态方程,pV=nRT,在标准状况下，p101.325kPa，T273.15K（0 C)，1 mol理想气体的体积为22.414dm3或22.414L。,1Pam3=1J,热力学温度与摄氏温度的关系:T273.15K+摄氏温度,p:气体压力（Pa);V:气体体积（m3);n:物质的量（mol);R:摩尔气体常数（8.3214J.mol-1K)T:气体热力学温度

19、（K),1.2.2 分压定律,分压：各组分气体单独占有混合气体总体积时所呈现的压力。,若混合气体由 i 种气体混合而成，同理可得 p=p1p2p3pB,道尔顿气体分压定律：混合气体的总压等于混合气体的各组分气体的分压之和,在混合气体中，第 B种气体的分压力，混合气体的总压力，,或 pBp xB,道尔顿气体分压定律2：组分 B的分压力等于该组分摩尔分数(xB)与混合气体总压力的乘积。,同一温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压要小，它们之间的差值，叫“溶液的蒸气压下降”,1.4.1 溶液蒸气压的下降,45,1、蒸气压下降（The lowering of the vapor pressure)2、沸

20、点上升(The elevation of the boiling point)3、凝固点降低(The depression of the freezing point)4、渗透压(The phenomenon of osmotic pressure),难挥发的非电解质稀溶液有一定的共同性和规律性。该类性质称为稀溶液的通性，或称为依数性。包括四个方面：,1.4 稀溶液的通性,46,高度分散的多相系统,分散相与分散介质之间亲和力较弱,相界面大,表面能高,能自动聚集成大颗粒,自动吸附某种离子而带电,是热力学不稳定系统.如Fe(OH)3胶体和As2S3胶体.高分子以分子形式溶于介质中,分散相与分散介质

21、之间没有相界面,是均相的热力学稳定系统.如淀粉溶液和蛋白质溶液等。,1.5 胶体溶液,溶胶:,高分子溶液:,47,表面吸附,内部质点:同时受到各个方向并且大小相近的作用力，它所受到的总的作用力为零。物质表面的质点:受到的来自各个方向的作用力的合力就不等于零。表面能：表面质点比内部质点所多余的能量。减少表面能的方法：吸附其他物质、减少表面积。,1.5.1 分散度和表面吸附,分散度 用比表面积来衡量。s分散质的比表面积，单位是m-1；S分散质的总表面积，单位是m2；V分散质的体积，单位是m3。,48,溶胶具有扩散双电层结构,Cl,Cl,Cl,Cl,Cl,Cl,FeO,FeO,FeO,FeO,FeO

22、,FeO,FeO,FeO,Cl,Cl,电位离子,反离子,反离子,1.5.2 胶团结构,例：稀AgNO3与过量的稀KI溶液反应制备AgI溶胶。,溶胶表面能很大，为了降低表面能，吸附溶液共存离子。,（AgI)m nI-（n-x）K+x-xK+胶核 电位离子 反离子 反离子 吸附层 扩散层 胶粒（带电荷，同电位离子符号相同）胶团（不带电荷）,50,(AgI)m nAg(nx)NO3x+xNO3 胶核 电位离子 反离子 反离子 吸附层 扩散层 胶粒 胶团,过量的稀AgNO3与稀KI溶液反应制备的AgI溶胶,AgI胶团结构简式：,1.5.3 胶体溶液的性质,光学性质,丁达尔效应，光散射，鉴别溶液与胶体。

23、,溶胶的动力学性质,布朗运动，无休止无规则运动,溶胶的电学性质,电泳(electrophoresis)：在电场中，溶胶粒子在分散剂中能发生定向迁移。,（1）吸附作用：,（2）电离作用：,(Fe(OH)3)mnFeO+(n-x)Cl-x+xCl-,(H2SiO3)mnHSiO3-（n-x）H+X-xH+,(As2S3)mnHS-(n-x)H+x-xH+,1.溶胶的稳定性 动力学稳定性 布朗运动 聚结稳定性 带电胶粒排斥，溶剂化膜,1.5.4 溶胶的稳定性和聚沉,2.溶胶的聚沉(coagulation),（1）电解质对溶胶的聚沉作用,聚沉值 指一定时间内，使一定量的溶胶完全聚沉所需要的电解质的最低

24、浓度。电解质的聚沉值 越小，聚沉能力越强。,使负溶胶聚沉：聚沉能力AlCl3MgSO4K3Fe(CN)6,使正溶胶聚沉：聚沉能力K3Fe(CN)6MgSO4AlCl3,Rb+K+Na+Li+,结论：*与胶粒电荷相反的离子，电荷越高，聚沉作用越大。*与胶粒电荷相反的离子，半径越大，聚沉能力越大。,比较负电荷,比较正电荷,两种带有相反电荷的溶胶按适当比例相互混合，溶胶同样会发生聚沉。,（2）溶胶的互聚,例：明矾净水作用。天然水中胶态的悬浮物大多带负电，明矾在水中水解产生的Al(OH)3溶胶带正电，它们相互聚沉而使水净化。,1.6.1 高分子溶液 1.高分子溶液的特性（1）高分子溶液由于其溶质的颗粒

25、大小与溶胶粒 子相近，属于胶体分散系，所以它表现出某 些溶胶的性质，例如，不能透过半透膜、扩 散速度慢等。（2）高分子溶液是一种热力学稳定体系。（3）溶解的可逆性。（4）高分子溶液具有一定的抗电解质聚沉能力。,1.6 高分子溶液和乳浊液,（1）盐析 通过加人大量电解质使高分子化合物聚沉的作用。（2）溶胶聚沉 胶体分散系中的分散质从分散剂中分离出来的过程。（3）盐析除中和高分子化合物所带的电荷外，更重要的是破坏其水化膜，需加大量电解质；溶胶聚沉只需加少量的电解质。,2.盐析(salting out)与溶胶聚沉：,溶胶中加入适量的高分子化合物，就会提高溶胶对电解质的稳定性。在溶胶中加入高分子，高分

26、子化合物附着在胶粒表面，可以使疏水的胶粒变成亲水，提高胶粒溶解度；在胶粒表面形成一个高分子保护膜，增强溶胶抗电解质的能力。所以高分子化合物经常被用来作胶体的保护剂。,3.高分子化合物对溶胶的保护作用,表面活性剂性质：当它被加入到某一物质中后，能够显著降低其表面张力，从而使一些极性相差较大的物质也能相互均匀分散、稳定存在。表面活性剂的分子结构：由极性基团(亲水)（通常是一OH、一COOH、一NH2，=NH、一NH3+等基团构成）和非极性基团(疏水)（主要是由碳氢组成的长链或芳香基团所构成）两大部分构成。,1.6.2 表面活性剂,乳浊液：分散质和分散剂均为液体的粗分散系。乳浊液中被分散的液滴直径约在0.1-50m之间。油水型，如牛奶、豆浆、农药乳化剂等，水油型乳浊液，例如石油。,1.6.3 乳浊液,许多乳化剂都是表面活性物剂。因此，表面活性剂有时也称为乳化剂。可根据其亲和能力的差别分为亲水性乳化剂和亲油性乳化剂*常用的亲水性乳化剂有：钾肥皂、钠肥皂、蛋白质、动物胶等。*常用亲油性乳化剂有钙肥皂、高级醇类、高级酸类、石墨等。,