第二章-溶液

材料科学与化学工程学院第二章溶液化学材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020•溶液：一种物质以分子、原子或离子状态分散于另一种物质中所构成的均匀而稳定的体系•溶液不是化合物:在溶液中溶质和溶剂的相对含量可在一定范围内变化•溶解过程是一个物理化学过程（表现出化学反应的某些特征：放热、吸热、体积、缩小、体积增加）如:NaOH+H2O放热NH4NO3+H2O吸热C2H5OH+H2OV总VC2H5OH+VH2O苯+醋酸V总V苯+V醋酸2.1溶液材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/20202.1.1溶液的分类溶液液态溶液气态溶液固态溶液气液溶液固液溶液液液溶液HCl溶于水，将液态物质定为溶剂乙醇溶于水，将含量多的物质定为溶剂NaCl溶于水，将液态物质定为溶剂。所有的气态混合物：空气各金属合金，H2溶解在Pd中等材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/20202.1.2溶解度原理•液–液相溶相似者相溶溶质与溶剂在结构或极性上相似彼此互溶醇/水：甲醇乙醇丁醇辛醇随碳链增长溶解度降低•固–液溶解–非极性或弱极性固体物质易溶于非极性或弱极性溶剂,而难溶于强极性溶剂.–极性固体物质易溶于极性溶剂,而难溶于非极性或弱极性溶剂.–一些离子型盐类易溶于水.材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020–在同一溶剂中低熔点的固体将比类似结构的高熔点固体易溶解.•气–液溶解–在同一溶剂中高沸点气体比低沸点气体的溶解度大.–具有与气体溶质最为近似分子间力的溶剂为最佳溶剂.一些固态有机物在苯中的溶解度(298K)溶质熔点/(K)x溶质蒽4910.008菲3730.21萘3530.26联二苯3420.39熔点降低溶解度增大材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/20202.1.3影响溶解度的因素1.温度对溶解度的影响•对于吸热过程,温度升高溶解度增加.•对于因强的溶剂化作用而形成的放热溶解过程,温度升高溶解度降低.•气体的溶解度随温度升高而降低.材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/20202.压强的影响––亨利(Henry)定律•亨利(Henry)定律：在中等压强时，气体的溶解度与溶液上面气相中该气体分压成正比，即：Ci=Kpi0.887200.1×1030.100202.6×1050.707160.1×1030.061101.3×1050.544120.0×1030.030150.7×1050.447106.5×1030.015525.3×1050.38680.1×103298K时N2溶解度mol·dm-3压强/Pa373K时CO2溶解度mol·dm-3压强/Pa材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/20203.分配定律•一定温度下,一种溶质分配在互不相溶的两种溶剂中的浓度比值为一常数.cBbaK=cB萃取应用少量萃取剂进行多次萃取mn=moKVaKVa+Vbn•例:设有体积为Va的溶液(a相)中含某质量为mo的溶质,用另一种与a相互不相溶的溶剂(b相,又名萃取剂)进行多次萃取,每次用量为Vb.令m1为经过一次萃取溶液(a相)内剩余溶质的量.实验证明经n次萃取后,原溶液中剩余溶质的量mn为:材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020证明:一次萃取后二次萃取后依次类推,n次萃取后材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/20202.1.4溶液浓度表示法1.实验室常用酸碱溶液的浓度溶质r/mol·dm-3溶质质量分数密度r/g·dm-3盐酸HCl浓1236%1.18稀620%1.10硝酸HNO3浓1672%1.42稀632%1.19硫酸H2SO4浓1896%1.14稀325%1.18氨水NH3·H2O浓1528%0.90稀611%0.96材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/20202.定量表示法①质量摩尔浓度mB(mol·kg–1)=溶质B的物质的量(mol)溶剂的质量(kg)②物质的量浓度cB(mol·dm–3)=溶质B的物质的量(mol)混合物体积(dm)nBV=③质量分数w=溶质的质量m溶质m溶液=溶液的质量④摩尔分数xB=物质B的物质的量nBn总=混合物的总物质的量xi=1⑤体积分数B=组分B的体积VBV总=混合气体总体积材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020例1:计算由1.00gCO(NH2)2(尿素)溶于48.0g水所配制成溶液的质量摩尔浓度?0.0167mol解:CO(NH2)2的溶摩尔质量M=60.0g·mol–1故溶质的物质的量为1.00/60.0=0.0167mol溶液的摩尔质量为:m(CO(NH2)2)=0.048kg=0.348mol·kg–1例2:怎样由浓盐酸(12mol·dm–3)配制0.10dm32.0mol·dm–3的盐酸溶液?解:0.10dm32.0mol·dm–3的盐酸溶液中HCl的物质的量为:nHCl=0.10dm32.0mol·dm–3=0.20mol所需12mol·dm–3的HCl的体积为:V12mol·dm–3=0.20molV=0.017dm3材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020例3:如何将25gNaCl配制成wNaCl为0.25的食盐溶液?解:wNaCl=mNaClm溶液=mNaClm溶剂+mNaCl0.25=25m溶剂+25m溶剂=75g2.1.5非电解质稀溶液的依数性•基本概念：稀溶液的那些主要取决于所含溶质粒子的数目而与溶质本身的性质无关的性质.–蒸气压下降–沸点升高–凝固点下降–渗透压•讨论对象:非电解质稀溶液材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020蒸发凝聚蒸发凝聚=饱和蒸气压pAoAA(xA)B(xB)p=pA·xAoppAo溶剂的摩尔分数溶质的摩尔分数1、蒸汽压下降––拉乌尔(Raoult)定律15(2)蒸气压下降同一温度下，溶有难挥发溶质B的溶液中，溶剂A的蒸气压力总是低于纯溶剂A的蒸气压力。蒸气分子液体分子溶质分子原因在于溶剂的一部分表面被溶质微粒占据，使得单位时间内从溶液中蒸发的分子减少，使得溶液的蒸发速率降低。同一温度下，纯溶剂的蒸气压力与溶液的蒸气压力之差叫做溶液的蒸气压下降。材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020•拉乌尔定律：在一定温度下,稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂摩尔分数的乘积.由于xA+xB=1，因此•在一定温度下,难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降值Dp和溶质的摩尔分数成正比.•拉乌尔定律只适用于非电解质的稀溶液p=pA(1–xB)opA–p=pAxBooDp=pAxBo材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020①在稀溶液中,因nAnB,故:xB=nBnA+nBnBnA以水为溶剂,溶质的质量摩尔浓度为m,则1000g水中nA=1000/18.01=55.51故xB=nBnA=m/55.51Dp=pA(m/55.51)=Kmo材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020②对于理想溶液,溶剂和溶质不发生作用,且均有挥发性,则:pA=pAxAopB=pBxBop=pA+pB苯和甲苯所组成的溶液为一理想溶液p甲苯=3.2kPaop苯=10.0kPao当x本=x甲苯=0.5p总=0.510.0+0.53.2=6.6kPa192.溶液的沸点上升和凝固点下降蒸气分子固体固体的蒸气压:固体放在密闭容器中，固体（固相）和它的蒸气（气相）之间也能达成平衡，此时固体具有一定的蒸气压力。20沸点（bp:boilingpoint）：当某一液体的蒸气压力等于外界压力时，液体沸腾，此时的温度称为沸点。凝固点（fp:freezingpoint）：某一物质的液相蒸气压力和固相蒸气压力相等时的温度。固相蒸气压力液相蒸气压力固相液相固相蒸气压力液相蒸气压力液相固相一切可形成晶体的纯物质，在给定的条件下，都有一定的凝固点和沸点。但溶液的情况并非如此，一般由于溶质的加入使溶剂的凝固点下降，溶液的沸点上升；而且溶液越浓，沸点和凝固点改变越大。21P(H2O,g)/PaT/K101325373.15273.15611水和冰的蒸气压力曲线水冰373.15K时，水的蒸气压力与外界相等，水沸腾273.15K时，水的蒸气压力与冰的蒸气压力相等，水凝固22P(H2O,g)/PaT/K101325373.15273.15611水和冰的蒸气压力曲线水冰溶质的加入使溶液的蒸气压力下降溶质溶于水，不溶于冰，冰的蒸气压力无变化23P(H2O,g)/PaT/K101325611水溶液的沸点上升和凝固点下降示意图水冰TfpTbpΔTbpΔTfp沸点增加凝固点降低ΔTbpΔTfp溶液24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：ΔTbp=kbp*mkbp:溶剂的摩尔沸点上升常数ΔTfp=kfp*mkfp:溶剂的摩尔凝固点下降常数应用：向汽车水箱中加入乙二醇防冻液材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020H2O血红细胞血红素蛋白质(a)(b)给植物浇水植物茎叶挺立(c)在萝卜上插玻璃管,并加水3、渗透现象及渗透压(d)26半透膜溶液纯水由渗透压形成的液面差渗透：溶液通过半透膜进入溶液的单方向扩散过程渗透压：为维持被半透膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的额外压力27半透膜溶液纯水F渗透压：为维持被半透膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的额外压力28反渗透：如果外加在溶液上的压力超过了渗透压，则会使溶液中的溶剂向纯溶剂方向流动，使纯溶剂的体积增加。半透膜溶液纯水F’291886年范托夫(van'tHoff)指出:难挥发的非电解质稀溶液的渗透压与溶液的浓度及绝对温度成正比：∏=C*R*T=n*R*T/V或∏*V=n*R*T∏:渗透压C:浓度T:热力学温度n:溶质的物质的量V:溶液的体积30渗透压的应用一般植物细胞的渗透压：∏=2000KPa生理盐水的浓度海水与淡水鱼类不能互换在淡水中游泳眼睛涩痛材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020M=179g·mol–1(理论值180g·mol–1)5、依数性的应用解：查表得水的Kb=0.512K·mol–1·kg根据DTb=Kb·m则0.156=0.512K·mol–1·kg1.09M201000kg(1)测定分子的摩尔质量例4:把1.09g葡萄糖溶于20g水中所得溶液在101325Pa下沸点升高了0.156K,求葡萄糖的摩尔质量M.材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020例5:把0.322g萘溶于80g苯中所得溶液的凝固点为278.34K,求萘的摩尔质量M.80M解:查表得苯的凝固点为278.50K,苯的Kf=5.10K·mol–1·kg根据DTf=Kf·m则:DTf=278.50K–278.34K=0.16K0.16K=5.10K·mol–1·kg0.3221000kgM=128g·mol–1(理论值128g·mol–1)材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020例6:1dm3溶液中含5.0g马的血红素,在298K时测得溶液的渗透压为1.82102Pa,求马的血红素的摩尔质量M.解:根据p=cRTc=p/RT=1.82102Pa8.314Pa·m3·mol–1·K–1298K=0.073mol·m–3=7.310–5mol·dm–3c=nB/V=(mB/M)/VM=(mB/V)/cM=5.0g·dm–37.310–5mol·dm–3=6.8104g·mol–1材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020(2)制作防冬剂和制冷剂•防冻剂如：水箱的水中加甘油或乙二醇以降低水的凝固点•制冷剂①30gNaCl+100gH2O，T最低=250.6K②42.5gCaCl2+100gH2O，T最低=218K•水和溶液的冷却曲线–低共熔混合物–低共熔点(冰晶共析点)材料科学与化学工程学院上一页下一页6/17/2020解：由p＝CRT得C＝p/RT=0.3026mol/dm3∵是稀溶液C=m=0.3026mol/dm3∴浓度