高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座第2讲溶液.docx
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1、高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座 第2讲 溶液【竞赛要求】分散系。胶体。溶解度。亨利定律。稀溶液通性。溶液浓度。溶剂(包括混合溶剂)。【学问梳理】一、 分散系的根本概念及分类一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物质中所形成的体系称分散系。被分散的物质称分散质,把分散质分开的物质称分散剂。依据分散质粒子的大小,常把分散系分为三类,见表2-1。表2-1 分散系铵分散质粒子的大小分类分散系类型分散质粒子直径 / nm分散质主要性质实例分散系分散质分散剂分子分散系1小分子、离子或原子均相*,稳定,扩散快,颗粒能透过半透膜糖水糖水胶体分散系高分子溶液1100大分子均相,稳定扩散慢,颗粒不能透过半透膜血液蛋
2、白质水溶胶1100分子的小聚集体多相,较稳定,扩散慢,颗粒不能透过半透膜Fe(OH)3胶体Fe(OH)3n水粗分散系100分子的大聚集体多相,不稳定,扩散很慢,颗粒不能透过半透膜泥水泥土水*在体系中物理性质和化学性质完全一样的一局部称相。分子分散系又称溶液,因此溶液是指分散质分子、离子或原子匀称地分散在分散剂中所得的分散系。溶液可分为固态溶液(如某些合金)、气态溶液(如空气)和液态溶液。最常见也是最重要的是液态溶液,特殊是以水为溶剂的水溶液。二、 溶解度和饱和溶液1、溶解度在肯定温度下的饱和溶液中,在肯定量溶剂中溶解溶质的质量,叫做该物质在该温度下的溶解度。易溶于水的固体的溶解度用100 g水
3、中溶解溶质的质量(g)表示;肯定温度下,难溶物质饱和溶液的“物质的量”浓度也常用来表示难溶物质的溶解度。例如298 K氯化银的溶解度为110-5 molL-1。2、饱和溶液在肯定温度下,未溶解的溶质跟已溶解的溶质到达溶解平衡状态时的溶液称为饱和溶液。在饱和溶液中,存在着下列量的关系: = 常数 = 常数3、溶解度与温度溶解平衡是一个动态平衡,其平衡挪动的方向听从勒沙特列原理。一个已经饱和的溶液,假如它的接着溶解过程是吸热的,上升温度时溶解度增大;假如它的接着溶解过程是放热的,上升温度时溶解度减小。大多数固体物质的溶解度随温度的上升而增大。气体物质的溶解度随着温度的上升而减小。4、溶解度与压强固
4、体或液体溶质的溶解度受压力的影响很小。气体溶质的溶解度受压力影响很大。对于溶解度很小,又不与水发生化学反响的气体,“在温度不变时,气体的溶解度和它的分压在肯定范围内成正比”,这个定律叫亨利(Henry)定律。其数学表达式是:Cg = Kgpg (2-1)式中pg为液面上该气体的分压,Cg为某气体在液体中的溶解度(其单位可用gL-1、LL、molL-1表示),Kg称为亨利常数。5、溶解平衡任何难溶的电解质在水中总是或多或少地溶解,肯定不溶的物质是不存在的。对于难溶或微溶于水的物质,在肯定条件下,当溶解与结晶的速率相等,便建立了固体和溶液中离子之间的动态平衡,简称溶解平衡。三、 溶液的性质1、稀溶
5、液的依数性稀溶液的某些性质主要取决于其中所含溶质粒子的数目,而与溶质本身的性质无关,这些性质称为依数性。稀溶液的依数性包括溶液的蒸气压下降、沸点上升、凝固点降低和和浸透压。(1)溶液的蒸气压下降19世纪80年头拉乌尔(Raoult)探讨了几十种溶液的蒸气压与温度的关系,发觉:在肯定温度下,难挥发的非电解质溶液的蒸气压p等于纯溶剂蒸气压p与溶剂的物质的量分数x的乘积,即:p = px (2-2) 这就是拉乌尔定律。用分子运动论可以对此作出说明。当气体和液体处于相平衡时,液态分子气化的数目和气态分子凝合的数目应相等。若溶质不挥发,则溶液的蒸气压全由溶剂分子挥发所产生,所以由液相逸出的溶剂分子数目自
6、然与溶剂的物质的量分数成正比,而气相中溶剂分子的多少确定蒸气压大小,因此有: = 即: p = px 由于溶质的物质的量分数x与x之和应等于1,因此p = px式可作如下变换: p = p(1x)pp = pxp = px (2-3)这是拉乌尔定律的另一表达式,p为溶液的蒸气压下降值。对于稀溶液而言,溶剂的量n远大于溶质的量n,n + n n,因此(2-3)式可改写为:p = p在定温下,一种溶剂的p为定值, 用质量摩尔度b表示,上式变为:p p = Kb (2-4)式中K = pM/1000,M是溶剂的摩尔质量。(2-4)式也是拉乌尔定律的一种表达形式。T T图2-1溶液的沸点上升温度溶液纯
7、溶剂蒸气压101.3kPa(2)液体的沸点上升液体的蒸气压随温度上升而增加,当蒸气压等于外界压力时,液体就沸腾,这个温度就是液体的沸点(T)。因溶液的蒸气压低于纯溶剂,所以在T时,溶液的蒸气压小于外压。当温度继续上升到T时,溶液的蒸气压才等于外压,此时溶液沸腾。T与T之差即为溶液的沸点上升值(T)TpT = kp kp = Kb即: T Kb (2-5) 式中K是溶剂的摩尔沸点上升常数。不同溶剂的K值不同(表2-2)。利用沸点上升,可以测定溶质的分子量。在试验工作中经常利用沸点上升现象用较浓的盐溶液来做高温热浴。(3)溶液的凝固点降低在101 k Pa下,纯液体和它的固相平衡的温度就是该液体的
8、正常凝固点,在此温度时液相的蒸气压与固相的蒸气压相等。纯水的凝固点为0,此温度时水和冰的蒸气压相等。但在0水溶液的蒸气压低于纯水的,所以水溶液在0不结冰。若温度接着下降,冰的蒸气压下降率比水溶液大,当冷却到T时,冰和溶液的蒸气压相等,这个平衡温度(T)就是溶液的凝固点。TT = T就是溶液的凝固点降低值。同样,它也是和溶液的质量摩尔浓度成正比,即:T Kb (2-6)式中K是溶剂的摩尔凝固点降低常数。不同溶剂的K值不同(表2-2)。利用凝固点降低,可以测定溶质的分子量,并且准确度优于沸点上升法。这是由于同一溶剂的K比K大,试验误差相应较小,而且在凝固点时,溶液中有晶体析出,现象明显,简洁视察,
9、因此利用凝固点降低测定分子量的方法应用很广。此外,溶液的凝固点降低在消费、科研方面也有广泛应用。例如在寒冷的冬天,汽车散热水箱中参加甘油或乙二醇等物质,可以防止水结冰;食盐和冰的混合物作冷冻剂,可获得22.4的低温。表2-2 常用溶剂的K和K溶剂T/KK/(Kkgmol-1)T/KK/(Kkgmol-1)水273.01.863730.512苯278.55.10353.152.53环己烷279.520.20354.02.79乙酸290.03.90391.02.93氯仿333.193.63萘353.06.90491.05.80樟脑451.040.00481.05.95从热力学观点看,溶液沸点上升和
10、凝固点降低乃是熵效应的结果。如水在沸点时的相变过程:H2O(1) H2O(g) G = 0。依据吉布斯-亥姆霍兹方程,有T= H/(SH2O(g)SH2O(l))参加难挥发的溶质后,使液体熵值增加,而SH2O(g)和H却几乎不变,于是式中分母项变小,导T上升。对凝固点降低,可作同样的分析。(4)溶液的浸透压半透膜糖水图2-2溶液的浸透压如图2-2所示,用一种可以让溶剂分子通过而不让溶质分子通过的半透膜(如胶棉、硝酸纤维素膜、动植物膜组织等)把纯水和蔗糖溶液隔开,这时由于膜内外水的浓度不同,因此单位时间内纯水透过半透膜而进入蔗糖溶液的水分子数比从蔗糖水溶液透过半透膜而进入纯水的水分子数多,从表观
11、看来,只是水透过半透膜而进入蔗糖溶液。这种让溶剂分子通过半透膜的单方向的扩散过程,称为浸透。由于浸透作用,蔗糖溶液的体积渐渐增大,垂直的细玻璃管中液面上升,因此静水压随之增加,这样单位时间内水分子从溶液进入纯水的个数也就增加。当静水压到达肯定数值时,单位时间内,水分子从两个方向穿过半透膜的数目彼此相等,这时体系到达浸透平衡,玻璃管内的液面停顿上升,浸透过程即告终止。这种刚刚足以阻挡发生浸透过程所外加的压力叫做溶液的浸透压。19世纪80年头,范特荷甫对当时的试验数据进展归纳比拟后发觉,稀溶液的浸透压与浓度、温度的关系,与志向气体状态方程相像,可表示为: = RT (2-8)式中是溶液的浸透压,V
12、式溶液体积,n是溶质的物质的量,R是气体常数,T是肯定温度。浸透作用在动植物生活中有特别重要的作用。动植物体都要通过细胞膜产生的浸透作用,以汲取水分和养料。人体的体液、血液、组织等都有肯定的浸透压。对人体进展静脉注射时,必需运用与人体体液浸透压相等的等渗溶液,如临床常用的0.9 %的生理盐水和5 %的葡萄糖溶液。否则将引起血球膨胀(水向细胞内浸透)或萎缩(水向细胞外浸透)而产生严峻后果。同样道理,假如土壤溶液的浸透压高于植物细胞液的浸透压,将导致植物枯死,所以不能运用过浓的肥料。化学上利用浸透作用来分别溶液中的杂质,测定高分子物质的分子量。近年来,电渗析法和反浸透法普遍应用于海水、咸水的淡化。
13、非电解质稀溶液的p,T,T以及的试验值与计算值根本相符,但电解质溶液的试验值与计算值差异相当大。如0.01 molkg-1的NaCl溶液,T计算值为0.0186 K,而实际测定T值却是0.0361 K。阿累尼乌斯认为,这是由于电解质在溶液中发生了电离的结果。有些电解质(如醋酸、氨水、氯化汞等)电离度很小,称为弱电解质;有些电解质(如盐酸、氢氧化钠、氯化钾等)的电离度相当大,称为强电解质。现代的强电解质溶液理论认为,强电解质在水溶液中是完全电离的,但由于离子间存在着互相作用,离子的行动并不完全自由,所以实际测定的“表观”电离度并不是100 %。2、安排定律(1)安排定律在肯定温度下,一种溶质安排
14、在互不相溶的两种溶剂中的浓度比值是一个常数,这个规律就称为安排定律,其数学表达式为:K = c/c (2-9)式中K为安排系数;c为溶质A在溶剂中的浓度;c为溶质A在溶剂中的浓度。(2)萃取分别萃取分别法是利用一种与水不相溶的有机溶剂与试液一起震荡,使某组分转入有机相,另外的组分留在水相,从而到达分别的目的。溶剂萃取的本质是物质在互不相溶的两种溶剂中的安排差异。萃取过程是物质在两相中溶解过程的竞争,听从相像相溶原理。萃取分别的主要仪器是分液漏斗。详细操作如下:将试液(水溶液)置于60 125mL的梨形分液漏斗中,参加萃取溶剂后马上震荡,使溶质充分转移至萃取溶剂中。静置分层,然后将两相分开。在实
15、际工作中,常用萃取百分率E来表示萃取的完全程度。萃取百分率是物质被萃取到有机相中的比率。 E = 100%萃取时,为进步萃取效率,通常采纳“少量屡次”的方法。设有V(mL)溶液内含有被萃取物质m(g),用V(mL)溶剂萃取n次后,水相中剩余被萃取物质m(g),则m= m()n (2-10)式中K为安排系数,K = ;c为溶质A在水溶液中的浓度,c为溶质A在萃取溶剂中的浓度。3、溶解度原理(相像相溶原理)限于理论开展程度,至今我们还无法预言气体、液体、固体在液体溶剂中的溶解度,但是我们可以依据“相像相溶”这个一般溶解度原理来估计不同溶质在液体溶剂中的相对溶解程度。“相像”是指溶质与溶剂在构造或极
16、性上相像,因此分子间作用力的类型和大小也根本一样;“相溶”是指彼此互溶。也就是说,极性分子易溶于极性溶剂(如水),而弱极性或非极性分子易溶于弱极性或非极性溶剂(如有机溶剂氯仿、四氯化碳等)液体溶质,如乙醇C2H5OH在水中的溶解度比乙醚CH3OCH3大得多,这是因为乙醇是极性分子,分子中含有OH基,与水相像,而且C2H5OH与C2H5OH、C2H5OH与H2O、H2O与H2O分子间都含有氢键,作用力也大致相等;而乙醚属非极性分子。在固体溶质中,大多数离子化合物在水中的溶解度较大,非极性分子如固态I2难溶于水而易溶于弱极性或非极性的有机溶剂(如四氯化碳)中。另外,固态物质的熔点对其在液体溶剂中的
17、溶解度也有肯定的影响,一般构造相像的固体化合物在同一溶剂中低熔点的固体将比高熔点固体易溶解。对于气体而言,在液体溶剂中的溶解度规律是: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是该气体的最佳溶剂。如卤化氢气体较稀有气体易溶于水,而且随着卤素原子序数的递增,卤化氢的沸点上升,在水中的溶解度增大。四、溶液组分含量的表示方法,有许多方法表示溶液的组成,化学上常用物质的量浓度、质量摩尔浓度、摩尔分数、质量分数等表示。1、物质的量浓度在国际单位制中,溶液的浓度用物质的量浓度(简称浓度)表示。其定义为:溶液中所含溶质A的物质的量除以溶液的体积,用符号c表示。c=
18、(2-11)若溶质A的质量为m,摩尔质量为M,则:c= = (2-12)(2)质量摩尔浓度用1kg溶剂中所含溶质的物质的量表示的浓度称为质量摩尔浓度,用b表示,单位为molkg-1,即:b= = (2-13)(3)摩尔分数溶液中某一组分A的物质的量(n)占全部溶液的物质的量(n)的分数,称为A的摩尔分数,记为x。x = (2-14)若溶液由A和B两种组分组成,溶质A和B的物质的量分别为n和n,则:x= x= 很明显 x + x = 1(4)质量分数溶质A的质量占溶液总质量的分数称为溶质A的质量分数,符号为wA,即 wA = (2-15)【典型例题】例1、在某温度下,当蔗糖的溶解达成平衡后,杯底
19、还剩有大量蔗糖,试分析这种溶液是否为过饱和溶液?分析:在这种状况下,溶质虽然大大地过量,但过量的溶质并未进入溶液中,该溶液的浓度等于而并未超过该温度下饱和溶液的浓度,而且过饱和溶液一般不稳定,溶液中必需没有固体溶质存在,才有形成过饱和溶液的可能。因此,该溶液不是过饱和溶液,而是饱和溶液。答:该溶液不是过饱和溶液。例2、已知20时Ca(OH)2的溶解度为0.165 g / 100 g水,及在不同的CO2压力下碳酸钙的溶解度为:CO2压力/Pa01408499501溶解度(g CaCO3/100g H2O)0.00130.02230.109请用计算说明,当持续把CO2(压强为99501Pa,下同)
20、通入饱和石灰水,开场生成的白色沉淀是否完全“消逝”?在屡次试验中出现了下列现象,请说明:(1)由碳酸钙和盐酸(约6 mol/L)作用生成的CO2干脆通入饱和石灰水溶液,所视察到的现象是:开场通CO2时生成的沉淀到最终完全消逝。若使CO2经水洗后再通入饱和石灰水溶液则开场生成的白色沉淀到最终不能完全“消逝”,为什么?(2)把饱和石灰水置于一敞口容器中,过了一段时间后,溶液外表有一层硬壳。把硬壳下部的溶液倒入另一容器中,再通入经水洗过的CO2,最终能得清液,请说明。若把硬壳取出磨细后,全部放回到原石灰水溶液中,再持续通入经水洗过的CO2,最终能得清液吗?(3)用适量水稀释饱和石灰水溶液后,再持续通
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