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第2章 溶液的浓度


辽宁中医药大学杏林学院讲稿
课程名称:无机化学

第二章 溶液的浓度
溶液(solution)是指一种物质以分子、原子或离子状态分散 于另一种物质中所构成的分散体系。通常称前一种物质为溶质 (solute),后一种物质为溶剂(solvent)。 溶液=溶质+溶剂 (2-1) 地球上所有生物的血液或体液中的溶剂都是水。 人胚胎重量的 90%、 成年人体重的 1/3 都是水。生命起源于海洋,血液或体液中 Ca2+、 + 2+ + K 、Mg 、Na 之比与海水中相应离子之比相近。对于药学各专业的 学生来说,认识溶液——尤其是水溶液——的性质是十分必要的。 本章将首先简要复习溶液浓度的几种表示方法,然后学习稀溶液的 依数性。

第一节 溶液的浓度 (一)质量分数 wB 设溶剂 A 和溶质 B 的质量分别为 mA 和 mB, 则溶质 B 的质 量分数(mass fraction)定义为 (2-2) (二)摩尔分数 xB 设溶剂 A 和溶质 B 的物质的量(amount of substance) 分别为 nA 和 nB,则溶质 B 的摩尔分数(mole fraction) 定义为

(2-3a) 其中 ,Mi 为物质 i(i=A,B)的摩尔质量。

对于多组分体系,式(2-3a)可表示为


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(2-3b) (三)质量摩尔浓度 mB 质量摩尔浓度(molarity)定义为

mB

(2-4)

注意,式(2-4)中的 mA 为溶剂 A 的质量(kg);mB 为 溶质 B 的物质的量 nB 与溶剂质量 mA 的比值(mol· kg-1) 。 (四)质量浓度 ρB 质量浓度定义为 (2-5) 其中 mB 为溶质 B 的质量(g,kg),V 为溶液体积(m3, L,mL)。 (五)物质的量浓度 CB 物质的量浓度定义为 (2-6) CB 的常用单位为 mol.L-1。


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第二节 电解质溶液 一、电解质稀溶液的依数性 1.解离 早先人们以为,溶质在溶剂中只是溶解。1882 年,拉乌 尔在研究凝固点降低现象时发现,对于多数有机物, Kf=18.5;而对于一些强碱强酸盐,Kf≈37。他在 1886-90 年间研究蒸气压降低现象时, 也观察到了有机物与无机物 的这种差别。1884 年, 生物学家德弗里(H.de.Vries) 在研究蔗糖和盐溶液的渗透压时也观察到了类似现象。 如 前所述, 既然 K (包括 Kf、 Kb 等常数) 只与溶剂特性有关, 那么 K 实测值的变化就意味着无机盐溶液中的粒子数增 加。 令 K 实测 = iK,则 i 是 1 个溶质分子解离出的粒子数。 实验结果(图 2-10)表明,对于多数有机物,i =1;对 于 NaCl,i =2;对于 MgCl2,i =3。

图 2-10 冰点降低实验


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后来,科学家在研究水溶液的导电能力(图 2-11)时发 现,象 NaCl 这样的无机盐在溶液中解离出的粒子带有符 号相反的电荷;这种现象称为电离,带相反电荷的粒子分 别称为正离子和负离子(或阳离子和阴离子)。于是,人 们又进一步认识到, i 是 1 个溶质“分子”电离出的离子 数。即是说,有些溶质在溶剂中不仅溶解,而且电离。

图 2-11 电导率实验 为什么有些物质在水中电离,而另一些不电离? 1920 年,人们发现熔融态盐是极好的导体。原来水溶液 性质不同的物质,它们固态本身就不相同。这一认识推动 了化学键理论中“离子键”概念的产生。 因此, 我们已经学过的稀溶液 4 个依数性可以从非电解质 扩大到电解质,那些相应的公式可以表示为: Δ p = i KmB (2.7c) Δ Tb= i KbmB (2.8b) Δ Tf= i KfmB (2.9b)

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Π = i CRT≈ i RTmB (2.11c) 显然,对于同一种溶剂,它的 4 个依数性之间的关系为 (2.12) 利用这些关系, 可以由容易实测的性质求算不易实测的性 质。 [例]测得人体血液的凝固点降低值 Δ Tf= 0.56 ℃,求 在体温 37℃时的渗透压力。 解:∵ ?Tf/Kf =mB ≈C = Π /(RT) ∴ Π =RT?Tf/Kf = 8.31×(273+37)×0.56/1.86 = 7.8×102 kPa (有效数字 2 位) 二、电离度与电解质强度 1.非整数 i 因子(图 2-12)

图 2-12 非整数 i 因子 乙酸 HAc 1< i < 2。HAc 的非整数 i 因子现象意味着并 非所有的溶剂分子都发生电离。i 因子与电离的关系为


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2.电离度 定义:电离度 (2.13) 对于 AB 型电解质 AB = A + B 始 C 0 0 终 (C – x) x x ·(C – x) ·x ·x

C(1 – α ) Cα Cα 粒子总数= C(1 – α )+Cα +Cα =C(1+ α ) 初始分子数=C 则 i 与 α 的关系为

即 α = i – 1 (2.14) 式(2.14)表明,可通过测量 i 数值求电离度 α 。由 实验结果知道,电离度 α 随浓度降低而增加。 电解质强度可依其 α 值分类。当 C = 0.1 mol· L-1 时, 若 5 >α 弱 电解质


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5≤ α ≤30 中等 电解质 30<α 强 电解质 三、强电解质溶液 导致象 HAc 那样的弱电解质产生非整数 i 因子现象的原 因,是不完全电离。可是,象 NaCl 这样的强电解质,为 什么当浓度较大时也会 i <2 呢? 1.离子氛( ionic atmosphere) 带电荷的离子被带异性电荷的离子所围绕, 那些异性离子 群称为离子氛(图 2-13)。

图 2-13 离子氛 2.活度(activity ) 离子氛限制了中心离子的运动, 相当于使溶液有效浓度降 低;有效浓度称为活度,用 a 表示。溶液中 i 物质的活度 与其实际浓度的关系为 ai= γici (2.15a) 其中 γ i 称为 i 物质的活度因子。若 i 为离子,由于实验

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上的困难,无法单独求得正或负离子的 γ i,只能求得它 们的平均活度因子 γ± : lgγ±=-0.509|z+z -| (2.16a) 其中 I 为离子强度( ionic strength ),定义为 (2.17) 与 γ± 相对应的平均活度为 a± = γ± c± (2.15b) 本章小结 (2.12) C→ I→γ± → a±→ Π = a±RT


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