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初赛第3讲 分散系


初赛第 3 讲

分散系

初赛大纲要求: 分散系 溶液、溶解和结晶(溶解度、饱和溶液、溶解平衡)。溶液配制(浓度的不同 精确度要求对仪器的选择)。溶液浓度、溶解度及其计算、不同浓度表示方法间的换算。胶 体(分散相和连续相。胶体的分类。胶粒的基本结构。胶体的性质。胶体的形成和破坏)。 浊液。 一、分散系 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。 按照分散质粒子的大小, 常把分散系分为三类, 见表 3-1。 表 3-1 分散系按分散质粒子的大小分类
分散质 分散系类型 分子分散系 (溶液) 胶 体 分 散 系 粗分散系 (浊液) >100 溶胶 1~100 分子的小 聚集体 分子的大 聚集体 多相,较稳定,扩散慢,颗 粒不能透过半透膜 多相,不稳定,扩散很慢, 颗粒不能透过半透膜 [Fe(OH)3] 胶体 泥水 [Fe(OH)3]n 泥土 水 高分子 溶液 粒子直 径 / nm <1 小分子、 离 子或原子 大分子 均相*,稳定,扩散快,颗粒 能透过半透膜 均相,稳定扩散慢,颗粒不 能透过半透膜 分散质 主要性质 分散系 糖水 分散质 糖 分散剂 水 实例

1~100

血液

蛋白质





*在体系中物理性质和化学性质完全相同的一部分称相。 二、溶液 分子分散系又称溶液, 因此溶液是指分散质以分子、 离子或原子状态分散于中一种物质 (分散剂)中形成的均匀而又稳定的分散系,其中的分散质又叫溶质,分散剂又叫溶剂。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,特别是以水为溶剂的水溶液。 1.溶解和结晶 (1)溶解度 在一定温度下的饱和溶液中,在一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 水中溶解溶质的质量(g)表示;一定温度下,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 1× 10-5 mol· L-1。 除少数物质外, 大部分固体溶 解度除温度升高增大。 (2)饱和溶液 在一定温度下, 未溶解的溶质跟已溶解的溶质达到溶解平衡状 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: 几种固体的 溶质的质量 溶质的质量 =常数 =常数 溶解度曲线 溶液的质量 溶剂的质量 (3)溶解平衡 任何难溶的电解质在水中总是或多或少地溶解, 绝对不溶的物质是不存在的。 对于难溶 或微溶于水的电解质,在一定条件下,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。溶解平衡是一个动态平衡,遵从勒夏特列原理。 溶解度/g

2.溶液的配制 (1)质量百分比浓度溶液的配制 质量百分比浓度又叫质量分数, 即以溶质的质量占全部溶液的质量的百分比来表示的浓 度,符号 ω(B)。计算公式:ω(B)=m(B)/m(aq)×100%,其中 m(B)表示溶质质量,m(aq)表示 溶液质量。 配制步骤:计算、称量、量取、溶解。所需仪器:托盘天平、药匙、烧杯、量筒、玻璃 棒。 例如:配制 100g 质量分数为 20%的 NaCl 溶液 a.计算:需要 NaCl 质量 100g× 20%=20g,水质量 100g-20g=80g b.称量:用托盘天平称取 NaCl 20g 置于 250mL 烧杯中 c.量取:用 100mL 量筒量取 80mL 水倒入 250mL 烧杯中 d.溶解:在 250mL 烧杯中用玻璃棒搅拌溶解即得所配溶液。 (2)体积百分比浓度溶液的配制 用溶质(液态)的体积占全部溶液体积的百分比来表示的浓度,叫做体积百分比浓度。 符号 φ(B),计算公式:φ(B)=V(B)/V(aq)×100%,其中 V(B)表示溶质体积,V(aq)表示溶液体 积。 例如:体积百分比浓度是 60%的乙醇溶液,表示 100mL 溶液里含有乙醇 60mL,也可 以说将 60mL 乙醇溶于水配成 100mL 乙醇溶液。乙醇的体积百分比浓度是商业上表示酒类 浓度的方法。白酒、黄酒、葡萄酒等酒类的“度”(以° 标示),就是指酒精的体积百分比浓 度。例如,60%(V/V)的酒写成 60° 。 配制步骤:计算、量取、混匀。所需仪器:量筒、烧杯、玻璃棒。 例如:配制 100mL 体积百分比浓度为 60%的乙醇溶液 a.计算:需乙醇体积 100mL× 60%=60mL,需水体积:100mL-60mL=40mL(两种液体 混合体积可能会出现变化,一般情况下不考虑) b.用量筒量取 60mL 乙醇、40mL 水倒入 250mL 烧杯中 c.溶解:在 250mL 烧杯中用玻璃棒搅拌均匀即得所配溶液。 (3)物质的量浓度溶液的配制 用单位体积溶液中所含溶质 B 的物质的量来表示的溶液的浓度,叫溶液的物质的量浓 度。符号 c(B),常用单位:mol· L-1。计算公式:c(B)=n(B)/V(aq),其中 n(B)表示溶质的物质 的量,V(aq)表示溶液的体积。 配制方法(略) (4)比例浓度溶液的配制 液体试剂相互混合或用溶剂稀释时用体积比表示溶液浓度的方法, 叫做比例浓度。 例如: 1∶3 盐酸,表示 1 体积浓盐酸与 3 体积水混合而成的稀盐酸溶液。 配制方法跟体积百分比浓度溶液的配制相似。 3.不同方法表示溶液浓度的换算 根据溶质质量相等或物质的量相等进行换算。 三、胶体 胶体(Colloid)又称胶状分散体(colloidal dispersion)是一种较均匀混合物,在胶体中 含有两种不同状态的物质,一种分散相(分散质,被分散的物质),另一种连续相(分散剂, 分散其他物质的物质)。分散质粒子直径在 1~100nm 之间的分散系是胶体,胶体是一种分 散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系, 这是一种高度分散的多相不均匀 体系。 1.胶体的分类 a.按照分散剂状态不同分为: 气溶胶——以气体作为分散剂的分散体系。其分散质可以是液态或固态。(如烟、云、 雾等) 液溶胶——以液体作为分散剂的分散体系。其分散质可以是气态、液态或固态。(如 Fe(OH)3 胶体、AgI 胶体)

固溶胶——以固体作为分散剂的分散体系。其分散质可以是气态、液态或固态。 (如有 色玻璃、烟水晶) b.按分散质的不同可分为:粒子胶体、分子胶体。 淀粉胶体,蛋白质胶体是分子胶体,土壤胶体是粒子胶体 2.胶体制备 (1)氢氧化铁胶体:饱和氯化铁溶液滴入沸水中,并不断搅拌。 (2)AgI 胶体:8~10 滴 0.01mol· L-1 硝酸银溶液滴入 10mL0.01mol· L-1 的 KI 溶液中,边 滴加边振荡。 (3)硅酸胶体(H2SiO3):在 5~10mL1mol· L-1HCl 溶液中滴入 1mL 水玻璃,振荡。 3.胶粒的基本结构 我们把构成胶粒的分子和原子的聚集体称为胶核。一般情况下,胶核具有晶体结构。胶 核不带电。 由于胶核有很大的比表面, 故易于在界面上有选择性的吸附某种与胶核有相同的 组分而容易建成胶核晶格的那些离子。由胶核和紧密层所组成的部分称为胶粒。胶粒带电。 胶粒和扩散层一起称为胶团。胶团不带电。 以 AgI 溶胶为例,当 AgNO3 的稀溶液与 KI 的稀溶液作用时,就能制得稳定的 AgI 溶 胶。实验表明,胶核由 m 个 AgI 分子构成,当 AgNO3 过量时,它的表面就吸附 Ag+,因而 - 可制得带正电的 AgI 胶粒;而当 KI 过量时,它的表面就吸附 I ,因而制得带负电的 AgI 胶 粒。这两种情形的胶团结构可表示为: 胶粒 固相 固相 胶粒 扩散层

??AgI ?
胶核

m

? nAg ? ,?n ? x ?NO 3

?

扩 散 层

x?

? xNO 3

??AgI ?
胶核

m

nI ? , ?n ? x ?K ?
紧密层 胶团

?

x?

xK ?

紧密层 胶团

K+ K+ K+ m 表示胶核中物质的分子数,一般来说它是一个很大的 数 + + + 3 + K K K + 目,约为 10 左右;n 表示胶核所吸附的离子数,n 的数字 K K + K + K+ 要小得多;(n-x)是包含在紧密层中过剩异电离子数。 K+ + I - K+ K K I I 胶团结构也可用右边图形表示。 + + K+ K+ I (AgI)m I K 第二个例子是硅酸的溶胶。这种溶胶粒子的电荷不 K 是因吸附离子,而是由于胶核本身的表面层电离而形成 K+ K+ I - IK+ K+ I + + 的。胶核表面的 SiO2 分子与水分子作用先生成 H2SiO3, K K + - + K K+ K+ 它是弱酸,能按下面方式电离:H2SiO3=SiO32 +2H K+ K+ + + 形成的胶团如图。 K K K+ 胶粒 扩 散 固相 层

??SiO

2 m

?

2? nSiO 3 ,2?n ? x ?H ?

?

2 x?

2 xH ?

胶核

紧密层 胶团

4.胶体的性质

(1)布朗运动 分散介质的分子由于热运动不断地从 各个方面同时冲击胶粒,由于胶粒很小, 在某一瞬间,它所受冲击力不会相互抵消, 因而使它在不同时刻以不同速度、不同方 向作不规则的运动,Brown 运动是系统中 分子固有热运动的体现。 当半径大于 5μm, Brown 运动消失。 (2)丁达尔效应 1869 年 Tyndall 发现,若令一束会聚光通过溶胶,从与光 直的方向可以看到一个发光的圆锥体,这就是 Tyndall 效 应。其他分散体系也会产生一点散射光,但远不如溶胶显 著。 Tyndall 效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便 方法。利用超显微镜可用来观察溶胶粒子的运动以及测定大小和 (3)电泳

束 垂

溶胶

的 形状。

带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电荷 的电极作定向移动的现象称为电泳。利用此性质可进行胶 体提纯。 影响电泳的因素有:带电粒子的大小、形状;粒子表 面电荷的数目;介质中电解质的种类、离子强度,pH 值和 粘度;电泳的温度和外加电压等。 从电泳现象可以获得胶粒或大分子的结构、大小和形状等有关信息。 (4)渗析 渗析是利用羊皮纸或由火棉胶制成的半透膜,将溶胶与纯分散介质隔开。 膜的孔隙很小,它仅能让小分子或离子通过,而胶粒不能通过。可用于胶体的精制。 半透膜的渗析作用有三种类型:a.依靠薄膜中“孔道”的大小,可以分离大小不同的分 子或粒子;b.依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子,例如用阳离子交换树脂做成的薄膜 可以透过阳离子,叫阳离子交换膜,用阴离子交换树脂做成的薄膜可以透过阴离子,叫阴离 子交换膜;c.依靠薄膜的有选择的溶解性分离某些物质,例如醋酸纤维膜有溶解某些液体和 气体的性能,而使这些物质透过薄膜。在废水处理中最常用的半透膜是离子交换膜。 5.胶体的凝聚 溶胶的稳定是有条件的,一旦稳定条件被破坏,溶胶的分散度降低,溶胶中的粒子就合 并(聚集)、长大,最后从介质中沉淀析出,这种现象称为溶胶的凝聚。 (1)影响溶胶聚沉的因素 外加电解质的影响:这影响最大,主要影响胶粒的带电情况,促使胶粒聚结。 浓度的影响:浓度增加,粒子碰撞机会增多,沉降可能性增加。 温度的影响:温度升高,粒子碰撞机会增多,碰撞强度增加,容易引起沉降。 胶体体系的相互作用:带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。 (2)影响电解质聚沉能力的因素 反离子的价数:与胶粒所带电荷相反的离子(反离子)所带的电荷数(即价数)越高, 聚沉能力越强。 价数相同的反离子的水合半径越小,聚沉能力越强。 明矾净水原理: 水中含有泥沙等污物的负溶胶, 加入 KAl(SO4)2 在水中水解生成 Al(OH)3 正溶胶。在适当量下,发生相互聚沉。 四、浊液 指分散质微粒直径大于 100nm 的分散系。浊液不稳定,容易分离。


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