基础无机化学 Basic Inorganic Chemistry

基础无机化学Basic Inorganic Chemistry 淮南联合大学化工系

教学情景一分散体系 1.1 气体 1.2 溶液 1.3 稀溶液的依数性 1.4 相律 1.5 相图 1.6 胶体

一般来说，物质有气态、液态和固态三种不同的聚集状态，可用符号 g 、 l 、 s 表示。这三种聚集状态各有其特点，并可以在一定条件下相互转化。其中，气体和液体物质都具有流动性，又总称为流体；液体和固体又总称为凝聚态。

1.1 气体 • 最基本特征：具有扩散性和可压缩性。 • 气体没有固定的体积和形状。 • 气体是最易被压缩的一种聚集状态。 • 不同种的气体能以任意比例相互均匀地混合。 • 气体的密度比液体和固体的密度小很多。气体分子间作用力较液、固体小得多，所以气体的性质相对液、固体简单得多，人们对气体研究比较完美, 比较方便。利用气体的一些性质，并加以修正，可处理想溶液、固体行为，所得结果能令人满意。

1.1.1理想气体状态方程式 pV = nRT R---- 摩尔气体常数

1.1.1 理想气体状态方程式 pV = nRT 也可以写为 pVm=RT 因为 Vm=V/n 再或P= ρRT/M

例2-1（见书P9) 计算25℃，101325Pa时空气的密度。（空气的分子量为29）解：

理想气体 • 人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为理想气体。 • 理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略。 • 根据理想气体定义，理想气体必须具有以下两个特征（微观模型）： • 气体分子是无体积的质点 • 分子间无作用力

真实气体并不严格符合理想气体状态方程，也就是说真实气体在方程 pV=nRT中的R不为常数。 • 真实气体只在较低压力、较高温度的情况下近似符合理想气体状态方程。

1.1.2理想气体分压定律 1）组分气体：理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。 2）分压力：组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做该组分气体B的分压。

3）道尔顿分压定律： 混合气体各组分气体分压之和等于该混合气体的总压力。数学式p1 + p2 +  =  pB = p 总证明如下： n1+ n2+=n总

分体积定律 1) 分体积：组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同压力时所占有的体积，叫做组分气体B的分体积。 2) 阿马格分体积定律: 混合气体各组分分体积之和等于总体积。数学式 VB = V总xB 同理可证明 体积分数等于压力分数等于该组分B的摩尔分数

例2-2（见书P10） • 例2-3（见书P10）运算注意：带入单位进行计算，避免发生错误，熟悉各种物理量的单位和量纲。适用条件: 理想气体

1.2 溶液 1.2.1 液体的蒸发和蒸气压 • 液体的最基本特征：具有流动性，有一定的体积而无一定形状。 1）液体的蒸发液体分子克服分子间引力逸出液体表面成为蒸气的过程称为液体的蒸发。 2）液体的凝聚蒸气中的分子撞击液面进入液体，这个过程称为凝聚。 3）液体的饱和蒸气压液体蒸发的速度和气体凝聚的速度相等时的蒸气压力。

性质 a)纯物质在指定温度下有确定的饱和蒸气压。 b)液体的分子间作用力越弱，越易蒸发，蒸气压越高。在某温度下，蒸气压大的物质为易挥发物质，蒸气压小的为难挥发物质。 c) 饱和蒸气压随着温度升高而增大。当液体的饱和蒸气压同外界压力相等,液体即发生沸腾，此时的温度即为沸点。外压降低，沸点也降低

1.2.2 溶液及其浓度表示方法 • 溶液（solution）：广义地说，两种或两种以上物质彼此以分子或离子状态均匀混合所形成的体系称为溶液。溶液以物态可分为气态溶液、固态溶液和液态溶液。 • 溶剂和溶质：如果组成溶液的物质有不同的状态，通常将液态物质称为溶剂，气态或固态物质称为溶质。如果都是液态，则把含量多的一种称为溶剂，含量少的称为溶质。

溶液组成的表示法 • 物质的量浓度c(B) • 物质的量分数x(B) • 质量摩尔浓度b(B) • 质量分数w(B) • 质量浓度ρ(B) 注意单位！例2-4（见书P15）

2008年1月16日 《楚天都市报》 2008年1月29日，温家宝总理在湖南长沙火车站看望滞留车站的旅客。环卫工人忙撒盐

由溶质的本性决定。如颜色、相对密度、导电性、粘度等；由溶质的本性决定。如颜色、相对密度、导电性、粘度等；取决于溶质粒子的浓度—依数性溶液的性质 CuSO4溶液 KMnO4溶液

1.3 稀溶液的依数性 依数性质指定溶剂的类型和数量后，这些性质只取决于所含溶质粒子的数目，而与溶质的本性无关。溶质的粒子可以是分子、离子、大分子或胶粒，这里只讨论粒子是分子的情况。前提：溶质是不挥发的，气相仅为溶剂，不生成固溶体依数性的种类： 2.凝固点降低 1.蒸气压下降 3.沸点升高 4.渗透压

问题的提出： 1.蒸气压下降

蒸发(evaporation) 蒸发 H2O (l) H2O (g) 凝结 → 液相气相 • 凝结(condensation) → 气相液相 1.蒸气压下降 • 饱和蒸气压(简称蒸气压)(vapor pressure)

（2）溶液的蒸气压下降原因 气相液相溶质分子溶剂分子 1.蒸气压下降 P0 P’ P” 液体饱和蒸气压p随温度t变化曲线，即气液两相平衡线 p< p0 蒸气压下降蒸气压：溶液p＜纯溶剂p*

应用蒸气压下降可预防动植物过快脱水 1.蒸气压下降同一温度下，溶液的蒸气压总是低于纯溶剂的蒸气压！变化的根本原因是溶液的饱和蒸气压下降！

1.蒸气压下降 设则（3）蒸气压下降值的计算公式这是造成凝固点降低，沸点升高和渗透压的根本原因！根据Raoult定律只有一种非挥发溶质B 结论：溶剂蒸气压下降的数值与溶质的摩尔分数xB成正比，而与溶质的性质无关。适用条件：难挥发的非电解质的稀溶液。

2. 沸点升高 (1)液体的沸点Tb： p液=p外时的温度（沸腾）。 • 液体的正常沸点: • 外压为101.3kPa时的沸点；

2. 沸点升高 （2）溶液沸点升高的原因定外压 P (kPa) B E p*101.3 纯水 A 水溶液 p D △Tb T (K) Tb 373 (Tb*) ΔTb = Tb - Tb* 原因：蒸气压下降

2. 沸点升高 注意：纯溶剂的沸点是恒定的，但溶液的沸点却不断在变动。溶液的沸点是指溶液刚开始沸腾时的温度。 (3)溶液的沸点升高值的计算公式 ——沸点升高值 Kb—溶剂的沸点升高常数，只与溶剂的性质有关，而与溶质种类无关结论：难挥发性的非电解质稀溶液的沸点升高只与溶质的摩尔浓度bB有关，而与溶质的本性无关。 • (4)应用： • 计算溶液的沸点和测定溶质的分子量。

3. 凝固点降低 (1) 纯液体的凝固点Tf：外压一定时，固相与液相平衡共存时的温度, 该温度下固相与液相蒸气压相等 • 稀溶液的凝固点： • 溶剂和溶质不形成固溶体，纯溶剂固相-溶液相平衡共存时的温度。

P (kPa) 水溶液冰 T (K) 3. 凝固点降低 (2) 溶液的凝固点降低原因定外压 B AB ：水的蒸气压曲线 E AC ：冰的凝固点曲线 A p* 0.61 DE：溶液的蒸气压曲线 D O P C ⊿Tf Tf 273 (Tf *) ΔTf = Tf* - Tf 原因：蒸气压下降

(3)溶液的凝固点降低值的计算公式 思考为什么海水比湖水难结冰？ ΔTf = Tf* - Tf= Kf bB ——凝固点降低值 Kf——凝固点降低常数 Kf只与溶剂的性质有关，而与溶质种类无关，数据有表可查。（P202表5.3）结论：难挥发性的非电解质稀溶液的凝固点降低只与溶质的质量摩尔浓度bB有关，而与溶质的本性无关。

（4）凝固点下降原理的应用： • 测定溶质的相对分子质量该方法的优点：１、kf 较大，实验误差较小。２、析出晶体，现象明显。３、低温下测量，适用于某些不宜加热和挥发性物质。

（4）凝固点下降原理的应用： • 制作制冷剂和防冻剂撒融雪剂往发动机水箱中加防冻液

2008年1月17日 《楚天都市报》大量撒盐会给环境带来危害吗？

4.渗透压 水稀溶液浓溶液浓溶液实验：蔗糖的扩散 • 扩散现象 • 浓溶液→稀溶液(自发过程)

4.渗透压 （1）渗透现象 • 半透膜：只允许某些物质透过,而不允许另一些物质透过的薄膜。人工制备膜(如火棉胶膜、玻璃纸及羊皮纸等)；生物膜(如动物膀胱、细胞膜、毛细血管壁等)。 • 理想的半透膜：仅允许溶剂分子而不允许溶质分子通过的薄膜。

4.渗透压 （1）渗透现象 • 渗透作用: 溶剂透过半透膜进入溶液的自发过程. • 渗透方向: 溶剂分子从纯溶剂→溶液，或从稀溶液→浓溶液。 • 渗透条件： ①半透膜 ②膜两侧溶液浓度不等 • 渗透压力：在一定温度下，恰好阻止渗透作用的进行所需加的最小压力。 • 符号： Π • 单位: Pa或kPa

（3）溶液的渗透压力与浓度、温度的关系 — Van’t Hoff 定律关系式：Π = cBRT 其中 cB — 物质的量浓度 (mol·L-1) R — 常数 8.314 J·K-1·mol-1 T — 绝对温度(273 + ℃) T (K ) 结论：难挥发性的非电解质稀溶液的渗透压只与溶质的cB有关，而与溶质的本性无关。

mBRT = MB mBRT MB= Π V （4）渗透压力的应用 • 测定大分子溶质的分子量方法最灵敏 Π = cBRT Π V = n RT 例题（见书）

正常红细胞 红细胞内液的渗透压力低于浓NaCl溶液，红细胞内的水向外渗透生理盐水与红细胞内液的渗透压力相等，细胞内外液渗透平衡红细胞内液的渗透压力高于稀NaCl溶液，红细胞外的水向细胞内渗透（4）渗透压力的应用 • 配制等渗溶液： • 正常人血浆的渗透浓度cos = 303.7 mmol·L-1 保持原形肿胀，溶血萎缩,血栓等渗溶液低渗溶液高渗溶液

（4）渗透压力的应用 • 溶液的浓缩和海水的淡化 • 当外压大于渗透压时，溶剂会透过半透膜向纯溶剂一方渗透，称为反渗透。 • 大型反渗透设备海水淡化工厂 • 反渗纯水机

小结依数性质只与溶质微粒的数目有关，而与溶质的本性无关

1.4 相律 相平衡是热力学在化学领域中的重要应用之一。研究多相系统的平衡在化学、化工的科研和生产中有重要的意义，例如：溶解、蒸馏、重结晶、萃取、提纯及金相分析等方面都要用到相平衡的知识。

1.4.1 基本概念 1）相和相数定义：相:是指体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。特点： 1）相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。 2）体系可以是单相和多相. 相数：相的总数称为相数，用 表示。

1.5.1 基本概念 气体：不论有多少种气体混合，只有一个气相。如：N2 + O2 + CO2(一相) 二相液体：按其互溶程度可以组成一相、两相或三相。如：乙醇水溶液；水+苯固体：一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外，它是单相）。如：铁粉＋铜粉（二相）

同质多晶

2）物种数和组分数 物种数S：系统中所含化学物质种类的的数目。如：水和水蒸气, S=1 组分数K：在平衡体系所处的条件下，能够确保各相组成所需的最少独立物种数称为独立组分数。 K= S – R– R’ R：独立的化学平衡数 R’：独立的浓度关系数(或称各物种间的浓度限制条件)

2）物种数和组分数 化学反应是按计量式进行的，在有些情况下，某些物质的浓度间还满足某种关系，即某种浓度限制条件，如反应： (NH 4)2S(s) = 2NH3(g)+ H2S(g) 如果NH3和H2S都是由(NH4)2S分解生成的，则 2c(NH3) = c(H2S) 但如果分解产物在不同相则不然，如反应： CaCO3(s) = CO2(g)+ CaO(s) c(CO2, g)和c(CaO, s)无关，则无浓度限制条件。设浓度限制条件的数目为R’，则又有R’个关于浓度的方程式。

例1 NH4Cl(s)=NH3(g) + HCl(g) K= S – R– R’ S=3 R =1 Kp= P(NH3) × P(HCl) R´=1 P(NH3)=P(HCl) K= 1

例2 系统中有C(s), H2O(g), CO2(g), CO(g), H2(g)共存，Ｋ=？答：系统中有反应： (1) C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) (2) C(s)+CO2(g)  2CO(g) (3) CO(g)+H2O(g)  CO2(g)+H2(g) 其中S=5，独立化学平衡数 R3=2, K=5– 2=3 注意：系统确定后，其组分数是确定的，物种数有一定随意性。

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