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中国地质大学（北京）——大学化学第3章水化学与水污染1\n本章学习要求溶液的通性：稀溶液蒸气压的下降、沸点上升、凝固点下降和稀溶液的渗透压。（与纯溶剂比较）。概念：酸碱、解离平衡、缓冲溶液掌握：（1）pH计算:简单酸碱体系、缓冲溶液体系;（2）含配离子溶液体系K：解离平衡及其移动；（3）沉淀溶解平衡Ksp、溶度积规则及有关计算.了解:胶体聚沉、保护及表面活性剂；水体污染物来源及危害。2\n3.1溶液的通性3.2水溶液中的单相离子平衡3.3难溶电解质的多相离子平衡3.4胶体与界面化学3.5水污染及其危害目录3\n3.1溶液的通性溶液有两类性质：1）与溶液中溶质的本性有关：颜色、密度、酸碱性和导电性等；2）与溶液中溶质的独立质点数有关：而与溶质本身性质无关————溶液的依数性，如溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压等。难挥发的非电解质稀溶液有一定的共同性和规律性。该类性质称为稀溶液的通性，或称依数性。包括：稀溶液蒸气压的下降、沸点上升、凝固点下降和稀溶液的渗透压。（与纯溶剂比较）。4\n溶液浓度表示——组成：溶剂A+溶质B1.质量摩尔浓度m：1kg溶剂中所含溶质的物质的量，SI单位mol•kg-1mB=nB/wAnB—溶质B的物质的量，单位为mol。wA—溶剂的质量，单位为kg。2.摩尔分数(或物质的量分数)——以溶液中任一物质的量除以总物质的量，即为该物质的摩尔分数，是单位为“1”的量。5\n设有双组分溶液，溶剂A和溶质B的物质的量分别为nA和nB，则注意：无论有若干种物质，摩尔分数之和总是等于1。6\n3.1.1非电解质溶液的通性p(H2O)蒸气分子液体分子凝聚：～蒸气分子撞到液面被液体分子吸引重新进入液体中的过程（放热）。蒸发：一定条件下，液体内能量较大分子克服液体分子间引力从液体表面逸出为蒸气分子，这个过程为蒸发或气化（吸热）。1.溶液的蒸气压下降（1）蒸气压形成7\n3.1.1非电解质溶液的通性一定温度下，液体及其蒸气达相平衡时，蒸气所具有的压力称为该温度下液体的饱和蒸气压，简称蒸气压。思考：蒸气压与温度有什么关系？答：不同溶剂蒸气压不同，相同溶剂温度升高，蒸气压增大。例如：p(H2O,l,298K)=3167Pap(H2O,l,373K)=101.325kPa过程表述开始：蒸气浓度小，蒸气分子少,蒸发速率>凝聚速率.平衡：蒸气浓度加大，凝聚加大,蒸发速率=凝聚速率,最终液体和蒸气达平衡.8\n蒸气分子溶剂液体分子溶质分子(2)蒸气压下降p原因:溶剂部分表面被溶质微粒占据，使单位时间内从溶液中蒸发溶剂分子减少，蒸发速率降低。同一温度下，纯溶剂A蒸气压力与溶液蒸气压力之差叫做溶液的蒸气压下降。p=p(A)–p(A+B)向溶剂A（H2O）中加一种难挥发溶质B形成溶液，实验可测溶剂A蒸气压下降。9\n溶液中溶剂的蒸气压下降法国物理学家拉乌尔据实验得出以下定量关系：一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降Δp与溶质摩尔分数成正比，与溶质本性无关。即：Δp=pA·xBxB：溶质B的摩尔分数，pA：纯溶剂的蒸汽压。若溶液的质量摩尔浓度为mB，则式中，k为只与溶剂性质有关的常数。10\n蒸气压下降的应用测定溶质分子的相对摩尔质量设溶质质量WB，溶于质量WA的溶剂中，则有：干燥剂工作原理CaCl2、NaOH、P2O5等易潮解固态物质，常用作干燥剂。因其易吸收空气中的水分在其表面形成溶液，该溶液蒸气压比空气中水蒸气的分压小，使空气中的水蒸气不断凝结进入溶液而达到消除空气中水蒸气的目的。11\n2.溶液的沸点上升和凝固点下降固体表面分子也能蒸发，具有一定的蒸气压。固体与其蒸气在密闭容器中可达到平衡。冬天衣服上冰逐渐消失；樟脑丸升华。沸点：液体蒸气压等于外界压力时（101.325KPa）液体会沸腾，此时温度称沸点（Tbp）。凝固点（熔点）：一个物质固相蒸气压与液相蒸气压相等时温度（Tfp）。蒸气分子固体固、液体有蒸气压，随温度上升而增大。P113/表3.1不同T时，水\冰蒸气压力。12\nTbp，Tfp改变原因：由于溶液蒸气压下降引起，H2O为例:611101325水溶液沸点上升、凝固点下降示意图冰水T/KP(H2O)/Pa373.15273.16溶液pTfpTfpTbpTbp•溶质溶于水不溶于冰，冰蒸气压力无变化。•373.15K时，水蒸气压与外界相等，水沸腾；•273.16K时，水蒸气压与冰蒸气压相等，水凝固；•溶质加入使溶液蒸气压力下降；13\n凝固点下降：273.16K时，溶液蒸气压下降，溶液蒸气压比冰蒸气压小，二者不共存，冰转化为水，融化吸热；系统温度降至某一温度，冰与溶液蒸气压曲线相交一新凝固点Tfp。沸点增加Tbp，凝固点降低Tfp沸点上升：373.15K时，溶液蒸气压下降，此时溶液蒸气压小于外界压力101.325Kpa,为使溶液蒸气压=外界压力，沸点上升至新沸点Tbp。pT溶剂溶液溶剂的液-固平衡线TfTfp图3.2凝固点下降示意图14\n难挥发物质溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点，二者之差为：△Tbp=Tbp–Tb=kbp•mkbp称为溶剂的摩尔沸点上升常数，单位为K·kg·mol-1。溶液的凝固点总是低于纯溶剂的凝固点，它们之差为：△Tfp=Tfp－Tf=kfpmkfp称为溶剂的摩尔凝固点下降常数。特点Kfp,kbp只与溶剂种类有关同种溶剂：kfp＞kbp15\n3.沸点和凝固点测定的应用测定分子的相对分子质量以凝固点下降应用较多。因为kfp＞kbp，ΔTfp＞ΔTbp，所以实验误差较小，且凝固时有结晶析出，易于观察。当溶质的相对摩尔质量MB很大时，由于ΔTf太小，准确性差，因此只适用于MB较大的情况。防冻剂工作原理冬天为防止汽车水箱结冰，可加入甘油、乙二醇等以降低水的凝固点，避免因结冰，体积膨胀而使水箱破裂。16\n冷冻剂工作原理工业冷冻剂如在冰水中加氯化钙固体,由于溶液中水的蒸气压小于冰的蒸气压,使冰迅速熔化而大量吸热,使周围物质的温度降低。食盐-冰（30gNaCl+100gH2O(s)）-22℃CaCl2-冰（42.5gCaCl2+100gH2O(s)）-55℃低熔合金的制备利用固态溶液凝固点下降原理，可制备许多有很大实用价值的合金。如33%Pb(mp.327.5℃)与67%Sn(mp.232℃)组成的焊锡，熔点为180℃，用于焊接时不会使焊件过热，还用作保险丝。又如自动灭火设备和蒸汽锅炉装置的伍德合金，熔点为70℃，组成为Bi：50%、Pb：25%、Sn：12.5%、Cd：12.5%。17\n4.溶液的渗透压（1）半透膜：只允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过的膜.（3）渗透压：半透膜隔开两个浓度不等溶液，单位时间溶剂分子由(溶剂→溶液)数目大于（溶液→纯剂）数目，发生渗透。（2）渗透现象——溶剂通过半透膜进入溶液或溶剂从稀溶液通过半透膜进入浓溶液的现象（单向扩散）溶液纯水由渗透形成的液面差半透膜18\nπ图3.3溶液渗透压示意图渗透压：阻止渗透进行所施加的最小外压,用П表示。π=c·R·T=(n/V)·R·T（类似理想气体方程)π：渗透压，c：浓度,n：溶质的物质的量V：体积R：8.314Pa·m3·mol-1·k-1浓度单位转换：mol·dm-3103mol·m-319\n（4）反渗透：外加溶液上的压力超过渗透压，使溶液中溶剂向纯溶剂方向流动，使纯溶剂体积增加，这个过程为～。半透膜溶液纯水溶液纯水F渗透压F’溶液纯水半透膜20\n渗透压的应用测分子的相对分子质量渗透压有较大数值，易测定，可准确测定化合物的相对摩尔质量。如：0.00100mol·kg-1的某高分子物质（如蛋白质）水溶液，其沸点升高的数值为ΔTfp=0.00186K，用沸点升高法测分子量十分困难。用渗透压法，则π=cRT=（0.00100×103×8.314×298.15）Pa=2.48×103Pa此数值可以很精确地测定。渗透压生物学中重要意义有机体细胞膜大多有半透膜性质，π是水在生物体内运动重要推动力。一般植物细胞汁渗透压为2000Kpa，使根部水运送到10多米高。21\n等渗溶液人体血液渗透压约为780kPa，病人注射或输液，用0.9%NaCl液（0.16mol·dm-3）或5%葡萄糖液(0.28mol·dm-3)，这两种溶液与红细胞和血浆都是等渗溶液（即渗透压相等）。反渗透广泛用于海水淡化、工业废水的处理及溶液的浓缩等，关键在于耐高压半透膜的制备。目前有些生活用水处理也采用。若血红胞放入渗透压大的溶液，血红细胞中水渗出，引起血红细胞收缩沉降；反之，放入渗透压小的溶液，水会进入血红细胞，使其膨胀破裂。22\n5.稀溶液的依数性难挥发、非电解质、稀溶液的蒸气压下降、沸点上升和凝固点下降、渗透压与溶质分子数目成正比,而与溶质本性无关的现象,称稀溶液的依数性，也称稀溶液定律。浓溶液溶质微粒数较多，溶质微粒间相互作用及溶质微粒与溶剂分子间作用复杂，使稀溶液定律的定量关系产生偏差。电解质溶液中，由于电解质解离，使稀溶液定律的定量关系不适用。23\n符合4种依数性定律的溶液（各组分混合成溶液，无盐效应和体积变化）。稀溶液近似理想溶液，结构相似物质也形成理想溶液，如甲、乙醇，苯和甲苯。思考：相同浓度的电解质溶液的蒸气压与非电解质比，如何变化？答：其蒸气压下降，沸点上升和凝固点下降，以及溶液渗透压的数值变化均比同浓度的非电解质大。理想溶液：24\n3.1.2电解质溶液的通性阿仑尼乌斯根据电解质溶液不服从稀溶液定律的现象，提出电离理论。1903年他获得了诺贝尔化学奖。S.A.Arrhenius(1859~1927)，瑞典，1903年诺贝尔化学奖电离理论认为：电解质分子在水溶液中解离成离子，使溶液中微粒数增大，故它们的蒸汽压、沸点、熔点改变和渗透压数值都比非电解质大。1.电解质溶液的电离理论25\n解离度——溶液中已解离的电解质的分子数与电解质总分子数之比。同浓度的电解质与非电解质溶液的依数性数值的偏差可用比值“i”来表达。26\n例浓度均为0.10mol·kg-1的BaCl2、HCl、Hac、蔗糖水溶液的粒子数、蒸气压、沸点、凝固点和渗透压按从大到小次序排序:解：按从大到小次序排序如下：粒子数BaCl2→HCl→HAc→蔗糖蒸气压蔗糖→HAc→HCl→BaCl2沸点BaCl2→HCl→HAc→蔗糖凝固点蔗糖→HAc→HCl→BaCl2渗透压BaCl2→HCl→HAc→蔗糖27\n从部分电解质的0.1mol·kg-1溶液的凝固点下降数值与理论值比较，得到电解质溶液的偏差i值电解质实测ΔT’f/K计算ΔTf/Ki=ΔT’f/ΔTfNaCl0.3480.1861.87HCl0.3550.1861.91K2SO40.4580.1862.46CH3COOH0.1880.1861.01A2B(AB2)强电解质>AB强电解质>AB弱电解质>非电解质可以看出，产生的偏差有以下规律：28\n强电解质依数性与溶液的质量摩尔浓度的关系∆Tbp=ikbpm∆Tfp=ikfpmV=icRT∆p=ixBpA同浓度溶液沸点高低或渗透压大小的顺序AB型强电解质溶液电解质溶液非电解质溶液A2B或AB2型强电解质溶液同浓度溶液凝固点高低或蒸气压大小的顺序与沸点高低或渗透压大小的顺序正好相反AB型强电解质溶液电解质溶液非电解质溶液A2B或AB2型强电解质溶液29\n2.强电解质溶液的离子氛和活度强电解质实际解离小于100%(i不是整数)由于离子氛存在。溶液越浓，离子电荷数越大，强电解质表观解离度即实验测得的解离度越小。α=fc（α:活度；f:活度因子；c:溶液浓度）活度：溶液中离子的有效浓度。溶液越稀，f1难溶电解质（如AgCl)弱电解质（如HAc)30\n3.2水溶液中的单相离子平衡水溶液中的单相离子平衡一般分为酸、碱的解离平衡及配离子的解离平衡两类。根据解离度的大小，将电解质溶液分为：强电解质和弱电解质两类。强电解质在水中全部解离，而弱电解质在水溶液中只有部分解离，大部分仍以分子形式存在。弱电解质在水溶液中存在解离平衡。31\n3.2.1酸碱在水溶液中的解离平衡1.酸碱的概念按先后次序，酸碱理论主要有以下几种：酸碱电离理论（1887，阿伦尼乌斯）水溶液中解离生成的正离子全部是H+的化合物是酸；生成负离子全部是OHˉ的化合物是碱。酸碱中和反应的实质是H++OHˉ=H2O。酸碱电离理论的缺陷：把酸、碱的定义局限于以水为溶剂的系统。无法解释NH3、Na2CO3均不含OHˉ，也具有碱性。32\n◆酸碱质子理论（1923，布朗斯特和劳莱J.N.Bronsted&T.M.Lowry）水溶液中HCl(aq）H+(aq)+Cl-(aq)HAc(aq)H+(aq)+Acˉ(aq)NH4+(aq)H+(aq)+NH3(aq)HCO3-(aq)H+(aq)+CO32-(aq)Al(H2O)63+H+(aq)+Al(H2O)5(OH-)2+给出质子的物质是酸；结合质子的物质是碱。布朗斯特,丹,1879~194733\n酸质子+碱(质子给予体）(质子接受体）酸、碱可以是分子、离子。酸给出质子后可再结合质子，因此酸给出质子后就变为碱：共轭酸碱概念酸与对应碱相互依存、相互转化关系称酸碱共轭。酸失去质子后形成的碱被称为该酸的共轭碱；碱结合质子后形成的酸被称为该碱的共轭酸。34\n共轭酸碱概念共轭酸与它的共轭碱一起称为共轭酸碱对。共轭酸碱对HAc+H2OH3O++Ac-(电离)HAc/Ac-,H3O+/H2OH3O++NH3H2O+NH4(中和)NH4/NH3,H3O+/H2OH2O+CN-OH-+HCN(水解)HCN/CN-,H2O/OH-H2O+CO3HCO3+OHˉ(水解)HCO3/CO3,H2O/OH-2-–++–2-例如:注意：共轭酸与共轭碱只相差一个质子。酸性强弱：给出质子能力越强，酸性越强，其对应共轭碱的碱性越弱。35\n★酸碱质子理论扩大了酸碱的范围，它比电离理论更广泛，其酸碱的定义只以H+质子为判据，与溶剂无关（可适用于非水系统），可解释NH3、Na2CO3以及NH4Cl等的酸碱性。★但也有局限性，只限于质子的放出和接受，必须含氢，不含氢的反应不能给出解释。两性物质:H2O,HCO3ˉ(所有酸式根)盐的概念:NH4Cl(酸碱复合物)酸碱质子理论是概念的一场革新：36\nH+OH=H2O酸+碱=酸碱加合物酸碱电子（对）理论（1923，路易斯）也称路易斯酸碱理论。凡能接受电子对的物质是酸，凡能给出电子对的物质是碱,(1)H3BO3H++H2BO3–(错误)H3BO3+H2O[B(OH)4]ˉ+H+（硼酸是路易斯酸）路易斯(1875-1946)美37\nCu2++4NH3[Cu(NH3)4]2+深蓝色酸碱络合物►酸碱电子理论优缺点摆脱了必须具有H离子和溶剂的限制。酸碱的反应体现物质的本质属性。对酸碱的认识过于笼统，不易掌握酸碱特征。38\n2.酸碱离子平衡及pH计算大多数酸、碱溶液存在解离平衡，其平衡常数称解离常数Ka或Kb，其值可由热力学数据求算，也可由实验测定。同类型弱酸(碱)的相对强弱可由解离常数值的大小得出，HF(3.53×10-4)、HAc(1.76×10-5)均为一元弱酸，HF的酸性比HAc强。HF、H2SO3、HNO2、H3PO4一般称中强酸。一元弱酸和一元弱碱HAc(aq)==H+(aq)+Acˉ(aq)39\n一元弱酸和一元弱碱的电离设HA浓度为c,解离度为αHA=H++A-起始浓度c00平衡浓度c(1-α)caca对于一元弱碱：溶液酸度(H+离子浓度)常用pH表示，pH=–lgc(H+),溶液的碱度(OHˉ离子浓度)可用pOH表示。40\n例3.1已知HAc的Ka=1.76×10-5，计算3.0%米醋(含HAc浓度为0.50mol·dm-3)的pH。解：设溶液中H+的平衡浓度为xmol·dm-3,则HAc(aq)=H+(aq)+Ac-(aq)平衡浓度/mol·dm-30.50–xxxKa=1.76×10-5∵Ka/c＜10-4∴0.50–x≈0.5pH=–lgc(H+)=–lg(2.97×10-3)=3–0.47=2.5341\n3多元弱酸和多元弱碱多元弱酸(碱)解离分级进行，每一级解离都有一个解离常数。以磷酸为例：一级解离：二级解离：三级解离：42\n说明式中Ka,3<Ks，设c(OHˉ)=xc(Cr3+)·c(OHˉ)3=0.010x3>6.3×10-31，得x>4.0×10-10mol·dm-32)7.7×10-5x36.3×10-31,解得x2.0×10-9mol·dm-3pOH=–lgc(OH-)<8.7，即pH≧14–8.7=5.378\n（2）沉淀的溶解沉淀溶解的条件：降低溶度积常数中相关离子的浓度，使得Qc＜Ks利用酸碱反应CaCO3(s)→Ca2++CO32-+H+H2O+CO2↑c(CO32-)下降，Qc＜Ks，CaCO3溶解。又如：部分金属硫化物FeS、ZnS、MnS、NiS等能溶于稀酸：ZnS+2H+Zn2++H2S↑79\n利用络合（配位）反应AgCl(s)+NH3→[Ag(NH3)2]++Clˉc(Ag+)下降,使得Qc＜Ks利用氧化还原反应金属硫化物：Ag2S、CuS、PbS等，其Ks太小，不溶于非氧化性酸，但可加入氧化性酸，极大地降低了S2-离子的浓度，使之溶解。3PbS+8HNO3(稀)=3Pb(NO3)2+3S↓+2NO↑+4H2O平衡常数组合的思想K总80\n关于一个反应由多个反应构成的平衡常数组合思想----盖斯定律例如AgCl(s)+NH3=[Ag(NH3)2]++ClˉK（1）AgCl(s)=Ag++ClˉKs（2）Ag++2NH3=[Ag(NH3)2]+Kf因为（1）+（2）得原反应式，所以K=Ks×Kf=Ks/Ki\n（3）同离子效应难溶电解质饱和溶液中，加入含有与难溶物组成中相同离子的强电解质，使难溶电解质的溶解度降低的现象称为同离子效应。同离子效应使Qc>Ks，例如在AgCl饱和液中加入NaCl时，由于Clˉ离子的大量存在，使AgCl的溶解度下降。AgCl(s)==Ag++ClˉNaCl==Na++Clˉc(Clˉ)上升，使Qc>Ks(AgCl)，此时c(Ag+)下降，即AgCl溶解度下降。思考:AgCl(s)在0.01mol.dm-3下列溶液中溶解度比在水中大的是()(1)KCN(2)AgNO3(3)NH3(4)NaCl382\n附例3.8：计算BaSO4在0.100mol·dm-3Na2SO4溶液中的溶解度，并与其在水中的溶解度比较。Ks(BaSO4)=1.08×10-10解：设smol·dm-3为BaSO4在0.1mol·dm-3Na2SO4溶液中的溶解度BaSO4(s)=Ba2++SO42-平衡浓度/mol·dm-3ss+0.1Ks=s(s+0.1)0.1s=1.08×10-10解得：s=1.08×10-9BaSO4在纯水中的溶解度为somol·dm-3so==1.04×10-5溶解度降低了约104(一万)倍。83\n同离子效应的应用工业生产Al2O3的过程Al3++OHˉ→Al(OH)3→Al2O3加适当过量的沉淀剂Ca(OH)2，可使溶液中Al3+沉淀完全。思考：过量沉淀剂改为NaOH行吗？铅用作阳极材料在硫酸或硫酸盐介质中，进行电镀或其他电化学处理，可用廉价铅电极取代昂贵的铂电极作阳极材料。是由于存在大量硫酸根离子，因同离子效应使得铅电极表面的硫酸铅极难溶解。84\n（4）沉淀的转化一种沉淀向另一种更难溶的沉淀转化的过程称为沉淀的转化，如：PbCl2+2Iˉ=PbI2↓+2Clˉ白黄Ks(PbCl2)=1.6×10-5Ks(PbI2)=1.39×10-8沉淀转化应用：锅炉中锅垢主要成分为CaSO4(Ks=7.10×10-5)，由于CaSO4不溶于酸，难以除去。若用Na2CO3溶液处理，可转化为更难溶但质地疏松、易溶于酸的物质——CaCO3(Ks=4.96×10-9)，从而可用醋酸等弱酸清除。实际应用中用盐酸来代替醋酸。85\n沉淀的转化的应用废水处理含Hg2+废水可用硫化物进行处理，若用易溶硫化物如Na2S等进行处理时，处理后的水中存在大量的硫离子，造成新的污染。利用沉淀转化的方法，如用FeS处理含Hg2+废水，可解决这个问题。FeS(s)+Hg2+(aq)=HgS(s)+Fe2+(aq),K=7.91033因过量的FeS不溶于水，可以过滤除去。86\n3.4胶体与界面化学一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的系统称为分散系统，简称分散系。分散系中被分散的物质称为分散相。分散相所处的介质称为分散介质。思考：用淀粉和水制成的淀粉糊是一种分散系统。请指出该分散系统中的分散相和分散介质。在淀粉糊中，分散相是淀粉颗粒，分散介质是水。87\n3.4.1分散系分类按分散相粒子的大小分类：分子分散体系：分散相粒子的直径小于10-9m，属于真溶液。例如氯化钠、葡萄糖等水溶液。胶体分散体系：分散相粒子的直径在10-9m~10-7m之间，属于胶体。例如蛋白质、核酸等水溶液。粗分散体系：分散相粒子的直径大于10-7m，易聚沉。例如牛奶，豆浆，泥浆等。按胶体与水的亲合力分类：憎液溶胶分散相粒子与水的亲合力较弱，如AgI胶体等。亲液溶胶分散相粒子与水的亲合力较强，如蛋白质、淀粉等。88\n1.胶体的结构胶体的核心：不溶于水的粒子，称胶核。胶核是电中性的。胶核吸附大量离子形成紧密层，称为胶粒。由于吸附正、负离子不相等，因此胶粒带电。胶粒周围分散着与胶粒带相反电荷的离子(自然也有其它离子)。胶粒及其带相反电荷的离子构成胶体的基本结构单元——胶团。89\n以碘化银胶体为例：AgNO3+KI(过量)→KNO3+AgI↓过量的KI用作稳定剂胶团的结构表达式：(AgI)m胶核[(AgI)m·nIˉ·(n-x)K+]x-胶粒[(AgI)m·nIˉ·(n-x)K+]x-·xK+胶团同一种胶体，胶粒的结构可以因制备方法的不同而不同。(AgI)mI-K+附图3.4胶体结构示意图90\n2.胶体的稳定性胶体是热力学不稳定系统。但胶体能长时间不发生沉降而稳定存在，原因主要有：胶体粒子的布朗运动。胶体粒子带有电荷的原因：胶体是一高度分散的系统，胶体粒子的总表面积非常大，因而具有高度的吸附能力，并能选择性地吸附某种离子。胶体粒子带有电荷，胶粒之间有很强的相互排斥。思考：在上例碘化银胶体的制备中，为何吸附Iˉ而不是K+？答：碘化银胶核表面，碘化银优先吸附和组成有关的Iˉ。91\n3.4.2胶体的聚沉与保护胶体的聚沉使胶粒聚集成较大颗粒沉降的过程称胶体的聚沉。促使胶体聚沉的因素有：加入电解质：电解质中带有与胶粒异号电荷的离子导致溶胶的聚沉。使溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质最小浓度称聚沉值，单位mmol·dm-3。电解质与胶粒异号电荷离子的价数越高，聚沉效率越大，聚沉值越小。将两种带异号电荷的溶胶混合加热胶体的保护加入某些高分子化合物，如动物胶、蛋白质、淀粉等。92\n3.4.3表面活性剂凡能显著降低两相之间表面张力的物质称表面活性剂。表面活性剂结构特点：具有两类性质完全不同基团：亲水和亲油基团（疏水基团）。水相油相双亲分子结构表面活性剂在两相界面作定向排列。使得两相之间的表面张力大大降低。图3.5表面活性剂在两相界面的排列93\n1.表面活性剂分类按亲水基团的化学结构分类，亲水基团是离子结构的称为离子型，亲水基团是共价结构的称为非离子型。离子型表面活性剂又分为阳离子型(亲水基团是阳离子)、阴离子型(亲水基团是阴离子)和两性型(亲水基团既有阳离子又有阴离子)表面活性剂。阳离子型、阴离子型表面活性剂不能混用，否则会发生沉淀、失去活性作用。94\n2.表面活性剂举例阴离子表面活性剂R-OSO3Na硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐RCOONa羧酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH氨基酸型CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型|CH3阳离子表面活性剂ArCH2N(CH3)3Br季胺盐类非离子型R-O-(CH2-CH2-O-)nH聚氧乙烯醚类95\n3.表面活性剂的应用洗涤作用洗涤剂是一种使用面很广的表面活性剂。肥皂是最普通的一种。肥皂是包含17个碳原子的硬脂酸钠盐。当洗涤剂洗涤衣服或织物上油污时，由于亲油基与油脂类分子之间有较强的相互作用力而进入油污中。另一端亲水基与水分子之间存在较强作用力而溶于水。这样通过洗涤剂分子使水分子包围了油污，降低了油污与织物之间的表面(界面)张力，再经搓洗，振动便可除去织物上的油污。织物污渍洗涤剂污渍亲水基疏水基附图3.6洗涤剂的去污作用96\n乳化作用两种互不相溶的液体，将其中一种均匀地分散成极细的液滴于另一液体中，便形成乳状液。加入表面活性物质使形成稳定的乳状液的作用叫做乳化作用。若水为分散介质而油为分散相，即油分散在水中，称为水包油型乳状液，以符号O/W表示。例如，牛奶就是奶油分散在水中形成的O/W型乳状液。（a）O/W型乳状液图3.6表面活性物质稳定乳状液示意图97\n若水分散在油中，则称为油包水型乳状液，以符号W/O表示。例如，新开采出来的含水原油就是细小水珠分散在石油中形成的W/O型乳状液。（b）W/O型乳状液图3.6表面活性物质稳定乳状液示意图98\n乳化作用的应用切削油机械工业高速切削时用乳化油作为冷却剂，具有导热性能好，润滑效果高且不沾工具等特点。乳化燃油内燃机应用含10%水的乳化燃油，燃烧效果不降低但能节省燃料。农用杀虫剂农业上用的杀虫剂一般都配制成O/W型乳状液,便于喷雾，可使少量农药均匀地分散在大面积的农作物上。同时由于表面活性剂对虫体的润湿和渗透作用也提高了杀虫效果。其他人体对油脂的消化作用就是因为胆汁(胆酸盐)可以使油形成O/W型乳状液面而加速消化。99\n乳化作用的破坏工业生产中会遇到一些有害乳状液。如含水原油不仅可以促使石油设备腐蚀，且不利于石油蒸馏。必须设法破坏这种乳状液。破坏有害的乳状液，可加入破乳剂。破乳剂也是一种表面活性物质，有高表面活性、弱成膜能力，能强烈吸附于油–水界面上，取代原乳状液中形成保护膜的乳化剂，生成一种新膜。这种新膜强度低、较易被破坏。异戊醇、辛醇、乙醚等是优良的破乳剂。此外，还可用升温、加电解质及高速离心等方法破乳。100\n起泡作用泡沫是不溶性气体分散于液体或熔融固体中形成的分散系统。如肥皂泡沫(气体分散在液体中)、泡沫塑料、泡沫玻璃(气体分散在固体中)等。能稳定泡沫作用的表面活性剂叫起泡剂。常见起泡剂有肥皂、十二烷基苯磺酸钠等。空气图3.7气泡的形成示意图101\n起泡作用的应用灭火剂起泡剂常用于制造灭火器，由于大量的泡沫覆盖燃烧物的表面，使其与空气中的氧气隔绝，这样便可达到灭火的效果。泡沫选矿起泡剂用于泡沫浮选法以提高矿石的品位。将矿石粉碎成粉末，加水、起泡剂，搅拌并吹入空气使产生气泡，用捕集剂使矿物变成憎水性。矿物由于疏水性而粘附气泡浮起，这样便可分离收集有效成分。其它啤酒、汽水、洗发和护发用品等都需用起泡剂，使产生大量的泡沫。102\n消泡作用洗涤、蒸馏、萃取过程中，大量泡沫会带来不利，必须适当抑制发泡。加一些短碳链(C5~C8)醇或醚，它们能将泡沫中起泡剂分子替代；又由于碳链短，不能在气泡外围形成牢固保护膜，从而降低气泡强度而消除泡沫。103\n3.4.4膜化学膜是二维结构的伸展体，是两亲分子组成的有序排列的集合体。它的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质(分子、离子、电子和光子等)。膜是一种重要的基础功能材料，它具有分离功能、生物功能和能量转换功能等。104\n分离膜分离膜是一种能有效分离提取所需物质的功能膜。根据分离膜微孔大小及疏密性不同，分为致密膜、多孔膜和纤维质膜。致密膜中聚合物的填充方式是分子状，孔径为0~1.5nm，适用于反渗透，渗析，电渗析等操作使用。多孔膜孔径5nm~1μm，孔的大小与胶体粒子的大小一般，适用于超过滤，膜过滤等操作使用；纤维质膜孔径2μm以上，用于对更大分散质过滤操作。105\n膜应用气体透过膜富氧制取，富集氦离子交换膜海水谈化，硬水软化，电解隔膜反渗透膜海水淡化，盐水脱盐，超纯水制备超滤膜胶体分离，废液处理，溶液浓缩透析膜人工肾等人工器官释放控制膜缓释性药剂表3.2常见分离膜及其应用106\n能量转化功能膜能量转化功能膜是当今重要研究课题之一。将光能转化为化学能重要应用之一是光解水，产生氢和氧。将光能转化为电能关键工作是制造出性能稳定的有机薄膜太阳能电池。大面积利用太阳能一定需要用膜的形式。107\nLB膜LB膜简介LB膜是由美国科学家兰缪尔(I.Langmuir)和勃洛杰脱(K.B.Blodgett)建立的一种在固体表面上沉积的多层单分子膜。可在组成上、次序上作任意安排，其层数与厚度皆可以在分子水平上控制。LB膜的应用在生物膜的功能模拟研究中，以叶绿素、维生索、磷脂和胆固醇等物质形成的LB膜，可用以研究生物膜中的电子传递、能量传递、生物膜电现象、物质跨膜输运过程等。利用LB膜可制成仿生薄膜，作为仿生传感器。光色互变的LB膜可作为光记忆材料。108\n3.5水污染及其危害水是宝贵自然资源，是人类生活、动植物生长和工农业生产不可缺少物质。水体污染原因：自然污染如特殊地质条件使某些地区有某种化学元素大量富集，天然植物在腐烂过程中产生某种毒物，以降雨淋洗后夹带各种物质流入水体。人为污染人类生活、生产活动中给水源带进许多污染物，包括生活污水、工业废水、农田排水和矿山排水、废渣和垃圾倾倒在水中或岸边经降雨淋洗流入水体也会造成污染。109\n3.5.1无机物污染重金属包括Hg、Cd、Pb、Cr等，此外还有As。As虽不是重金属，但毒性与重金属相似，故经常和重金属一起讨论。重金属的致害作用在于使人体酶失去活性，即使含量很小也有毒性，在生物体内积累，不易排出体外，危害很大。110\n氰化物污染氰化物毒性很强，水中以CN-存在。遇酸性介质CN-能生成毒性极强的挥发性氢氰酸HCN。主要来源于电镀、煤气、冶金等工业的废水。CN-毒性是由于它与人体中的氧化酶结合，使氧化酶失去传递氧的作用，引起呼吸困难，全身细胞缺氧而窒息死亡。口腔粘膜吸进约50mg氢氰酸，瞬时即能致死。我国工业废水中氰化物的最大允许排放浓度(以CN-计)为0.5mg·dm-1。酸碱污染使水体pH发生变化(pH过低或过高)，消灭或抑制一些有助于水净化细菌及微生物生长，影响水的自净能力。111\n3.5.2有机物污染碳氢化合物污染城市生活污水和食品、造纸等工业废水中含大量碳氢化合物、蛋白质、脂肪等。这些有机物为耗氧有机物。水中含有大量耗氧有机物时，水中溶解O2将急剧下降，降至低于4mg·dm-3时，鱼就难以生存。若水中含O2量太低，这些有机物又会在厌氧微生物(指在缺氧的环境中才能生活的微生物)作用下，与水作用产生CH4、H2S、NH3等物质，即发生腐败，使水变质。112\n杀虫剂、洗涤剂和多氯联苯、苯并芘等污染有机氯农药、有机磷农药、合成洗涤剂，多氯联苯(工业上用于油漆和油墨的添加剂,热交换剂和塑料软化剂等)、苯并芘(来源于煤焦油、汽油、煤、香烟等的不完全燃烧)这些化合物，在水中很难被微生物降解，称为难降解有机物。它们被生物吸收后，逐步被浓缩而造成食物链严重危害。其中如苯并芘、多氯联苯等还有致癌作用。113\n石油开采、炼制、贮运、使用过程中，原油和各种石油制品进入环境而造成污染可带来严重后果。石油比水轻又不溶于水，覆在水面上形成薄膜，一方面阻止大气中氧在水中溶解，另一方面因石油膜的生物分解和自身氧化作用，消耗水中大量溶解氧，使水体缺氧。同时，油膜堵塞鱼的鳃部，使鱼呼吸困难，甚至引起鱼死亡。若以含油污水灌田，也可因油粘膜粘附在农作物上而使其枯死。114\n3.5.3水的富营养化生活污水、食品等工业废水、农田排水和人畜粪便、含磷洗衣粉中，常含有磷、氮等水生植物生长、繁殖所必需营养元素。在湖泊、水库、内海、海湾、河口等水体，水流缓慢，停留时间长，植物营养元素富集，适宜于水生植物、藻类及浮游生物大量繁殖。由于占优势的浮游生物的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色或绿色等。这种现象在江河、湖泊中称为“水华”，在海中则叫做“赤潮”。水体发生“富营养化”时，由于缺氧，致使大多数水生动、植物不能生存，致死动植物遗骸，在水底腐烂沉积，使水质不断恶化。绿色洗涤——无磷洗涤剂115\n3.5.4热污染一些热电厂、核电站及各种工业过程中的冷却水，若不采取措施而直接排入水体，均可引起热污染。热污染对水体的危害不仅仅是由于温度的提高直接杀死水中某些生物(例如鳟鱼在水温20℃时，可致死亡)，而且温度升高后，必然降低水中氧的溶解量。在不适宜的温度及缺氧的条件下，水中生态系统的破坏是严重的。116\n中国的水资源危机基本国情：水总量不小，2.8万亿m3(2.8Tm3),居世界第6。人均太小，2200m3，相当于世均1/5，美国1/6，加拿大1/60，名列世界109位，是世界13个贫水国之一。危机的五个表现：1.旱灾对农业打击。2.城市供水不足。3.水污染日趋严重。4.地下水严重超采。5.水资源浪费严重,二次水利用率太低。117\n水的净化与废水处理一级处理：物理处理法二级处理：生物处理法（微生物代谢）三级处理：化学反应法、离子交换法、反渗透法、臭氧氧化法、活性炭吸附法、氯化法118\n本章小结溶液通性：蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降以及渗透压等与溶液质量摩尔浓度成正比，而与溶质的本性无关。►分类：非电解质、稀溶液和电解质、浓溶液比较非电解质稀溶液依数性定律:蒸气压下降△pA=pAxB沸点升高△Tbp＝kbpmB凝固点下降△Tfp＝kfpmB渗透压П=cBRT电解质溶液:A2B或AB2型强电解质>AB型强电解质>电解质>非电解质119\n本章小结酸碱质子理论：给出质子的物质是酸；结合质子的物质是碱。共轭关系：共轭酸=共轭碱+H+，Ka•Kb=Kw稀释定律：一元酸碱溶液pH近似计算：120\n同离子效应在弱酸中加入该酸共轭碱，或在弱碱中加入该碱共轭酸，使弱酸或弱碱解离度下降的现象。缓冲溶液弱酸及其共轭碱或弱碱及其共轭酸组成，对外加酸、碱有缓冲能力的溶液体系。当溶液pH值在pKa附近时，有最强的缓冲能力。多元弱酸(碱)分级解离。Ka1>>Ka2>>Ka3（1000倍以上），一级解离为主，以一元酸碱溶液方法计算其pH值。121\n配离子解离平衡由中心离子或中心原子和若干中性分子或离子（配位体）组成配离子，水溶液中存在解离平衡（Ki）。►配离子解离平衡移动：改变溶液酸度、转化为更稳定（Kf更大）的配离子122\n多相离子平衡难溶电解质固体、离子间多相离子平衡。溶度积规则（生成、溶解、转化等计算)加入含共同离子的强电解质，使难溶电解质溶解度降低的现象也叫同离子效应。一种难溶电解质可转化为更难溶的电解质（Ksp比较）。利用酸碱反应，配位反应，氧化还原反应可使沉淀溶解(反应平衡常数k值变化计算，利用盖斯定律）。123\n胶体粒子由胶粒和带相反电荷的离子组成，胶体属于热力学不稳定的高分散系统，加入大量与胶粒带相反电荷的离子或加热、离心等可使胶体聚沉。表面活性剂分子：亲水基团和亲油基团，能起到降低表面张力作用。加入表面活性剂而形成稳定乳状液的作用叫乳化作用。膜是一种功能材料，用于分离、生物模拟、能量转化等。124\n基本公式计算H+浓度，Ka,2/Ka,1<10-3时，忽略二、三级解离平衡。比较多元弱酸酸性强弱时，比较一级解离常数即可。共轭酸碱对：Ka,1·Kb,2=Kw，Ka,2·Kb,1=Kw125\n溶度积常数Ks(旧称Ksp)与溶解度S关系Qc＞Ks有沉淀析出直至达饱和Qc=Ks溶解达平衡，饱和溶液Qc＜Ks无沉淀析出，或沉淀溶解溶度积规则可用于判别沉淀的发生或溶解Ks(CaCO3)=s2Ks(Ag2CrO4)=(2s)2s=4s3S溶解度溶度积规则126\n作业P1576、11、12p15816、21127