工程化学教案第三章

工程化学教案第三章••1工程化学教案——第三章溶液与离子平衡主讲教师：董文魁、许力、李静萍等使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社授课对象：非化学类各专业学生工程化学教案第三章••2第三章溶液与离子平衡（讲授时数:4学时）一．学习目的和要求11..掌掌握握溶溶液液的的通通性性，，包包括括气气压压下下降降、、沸沸点点上上升升、、凝凝固固点点下下降降和和渗渗透透压压四四个个方方面面的的内内容容。。22．．掌掌握握酸酸碱碱的的质质子子理理论论、、同同离离子子效效应应、、弱弱电电解解质质的的解解离离平平衡衡和和配配离离子子的的解解离离平平衡衡，，能能熟熟练练计计算算各各类类溶溶液液的的PPHH值值，，能能计计算算含含配配离离子子的的溶溶液液中中各各种种物物质质的的浓浓度度。。33..掌掌握握有有关关溶溶度度积积和和溶溶解解度度的的基基本本计计算算、、溶溶度度积积规规则则及及其其应应用用。。44..了了解解有有关关分分散散系系统统方方面面的的基基本本知知识识。。二.本章节重点、难点各各类类溶溶液液的的ppHH值值的的计计算算有有关关溶溶度度积积和和溶溶解解度度的的基基本本计计算算、、溶溶度度积积规规则则及及其其应应用用三．学时分配11．．稀稀溶溶液液的的通通性性（（11学学时时））。。22..弱弱电电解解质质的的解解离离平平衡衡（（33学学时时））。。四．教学内容：第一节溶液浓度的表示方法一、质量分数：质量分数又称作百分浓度或质量百分数，其定义是溶液中溶质的质量与溶液的质量之比，可以表示为W（B）=m（B）m其中W（B）代表溶质的质量分数，m表示溶液（溶剂+溶质）的质量，m（B）表示溶质B的质量。W（B）是量纲为1的量，也常表示为百分数，例如在50.0g含7.70g氯化钾的水溶液中，氯化钾的质量分数为：工程化学教案第三章••3W（NaCl）=7.70/50.0×100％=15.4％二、物质的量浓度：物质的量浓度是普通工程化学中最常用的浓度表示方法，也是我们最熟悉的一种浓度表示方法。其定义为：在1L溶液中所含溶质的物质的量，常用的单位为mol·L-1,SI单位为mol·m-3物质的量浓度的表示式为：c（B）=n（B）/V式中，V为溶液的总体积，n（B）为溶质B的物质的量，c（B）为溶质B的物质的量浓度。三、摩尔分数：将溶质和溶剂均以物质的量计量，摩尔分数的定义为：溶液中溶质的物质的量与溶液中溶质和溶剂的总物质的量的比。溶质的摩尔分数可表示为：x（B）=n（B）/（n(A)+n（B））式中，n（B）是溶质的物质的量，n（A）是溶剂的物质的量，x（B）是溶质的摩尔分数，是量纲为1的量。四、质量摩尔浓度：普通工程化学中，质量摩尔浓度的使用也比较频繁，质量摩尔浓度的定义为，1kg溶剂中所含溶质的物质的量，用符号m表示，单位为mol·kg-1。质量摩尔浓度的表示式为：m（B）=n(B)/m（A）式中m（B）为溶质B的质量摩尔浓度，n（B）溶质B的物质的量，m（A）是溶剂A的质量。需要引起注意的是分母m（A）专指溶剂的质量而不是溶液的总质量。一个溶液的浓度可以同时采用这四种方法表示，当已知溶剂和溶质的质量、分子量以及溶液的密度或体积时，这四种浓度之间就可以进行互相换算。例3-1在25℃时，质量分数为15.4%的氯化钠水溶液的密度ρ=1.109g·cm-3。计算该溶液的摩尔分数、质量摩尔浓度和物质的量浓度。解100g溶液中含氯化钠15.40g，水的质量就是m（H2O）=100.0g-15.40g=84.60g=84.60×103kg溶液中氯化钠和水的物质的量就分别是：工程化学教案第三章••4n（NaCl）=15.40g/58.44g·mol-1=0.264moln（H2O）=84.6g/18.02g·mol-1=4.964mol溶液的体积为：V=mρ=100.0g×1.109g·cm-3=90.17cm3=90.17×10-3L故溶液中氯化钠的摩尔分数，质量摩尔浓度和物质的量浓度分别为：x（NaCl）=n（NaCl）/(n（NaCl）+n（H2O）)=0.264mol/(0.264mol+4.694mol)=0.0532m（NaCl）=n（NaCl）/m（H2O）=0.264mol/(84.6×103kg)=3.12mol·kg-1c（NaCl）=n（NaCl）/V=0.264mol90.17/103L=2.92mol·L-1溶液中氯化钠的摩尔分数，质量摩尔浓度和物质的量浓度分别为：0.0532、3.12mol·kg-1、2.92mol·L-1。第二节稀溶液的通性一、难挥发的非电解质稀溶液在难挥发的非电解质稀溶液中，实验证明存在这样一条定律：难挥发的非电解质稀溶液的蒸气压下降，沸点上升，凝固点下降和溶液的渗透压仅与一定量的溶剂所溶解的溶质的物质数量成正比，而与溶质的本性无关。正是由于这些性质仅与质的数量有关，所以这条定律也叫稀溶液定律或稀溶液的依数性定律，这些性质被称为稀溶液的依数性。1.溶液的蒸气压下降以水为例，在一定温度下达到如下相平衡时,H2O(l)蒸发凝聚H2O(g)H2O(g)所具有的压力p（H2O）即为该温度下水的饱和蒸气压，简称蒸气压。例如在100℃时，水的饱和蒸气压p（H2O）=101.325kPa在同一温度下，分子间作用力越大，饱和蒸气压越低，对于同一物质，温度越高，饱和蒸气压越大。Δp=p（A）·x（B）式中Δp表示溶液蒸气压的下降，p（A）表示纯溶剂的饱和蒸气压，x（B）表示溶质B的摩尔分数。公式的物理意义为：溶液蒸气压的下降与溶质的摩尔分数成正比，而与溶质的本性无关，比例系数就是纯溶剂的饱和蒸气压。该定律是1887年法国物理学家拉乌尔（F·M·Raoult）工程化学教案第三章••5根据实验得出的，所以这个定律被称作拉乌尔定律。2.溶液的沸点上升和凝固点下降ΔTbp=Kbp·m（B）ΔTfp=Kfp·m（B）式中，ΔTbp和ΔTfp分别表示沸点的上升值和凝固点的下降值，Kbp和Kfp分别称做溶剂的摩尔沸点上升常数和溶剂的摩尔凝固点下降常数。（SI单位为K·kg·mol-1），m（B）是溶质的质量摩尔浓度（SI单位为mol·kg-1）。例3-2将2.76g甘油溶于200克水中，测得凝固点为272.721K，求甘油的相对分子质量。解设甘油的摩尔质量为MΔTfp=Kfp·m(甘油)(273K-272.721K)=1.86(K·kg·mol-1)×m(甘油)m(甘油)=0.279K/1.86K·kg·mol-1=0.15mol·kg-1200g水中含甘油2.76g，1000g水中含甘油的质量为2.76g×1000g/200g=13.8g=13.8×10-3kg即0.15mol的甘油的质量为13.8×10-3kg甘油的摩尔质量M为M=13.8×10-3kg/0.15mol=92×10-3kg·mol-1=92g·mol-1所以甘油的相对分子量为92。例3-3将2.6g尿素CO（NH2）2,溶于50克水中，计算此溶液的凝固点和沸点。解尿素CO（NH2）2的摩尔质量是60g·mol-12.6g尿素的物质的量：n=2.6g/60g·mol-1=0.043mol1kg溶剂中尿素的物质的量：n=0.043mol/50g×1000g=0.86mol尿素的质量摩尔浓度：m(尿素)=0.86mol·kg-1ΔTbp=Kbp·m(尿素)=0.52K·kg·mol-1×0.86mol·kg-1=0.45KΔTfp=Kfp·m(尿素)=1.86K·kg·mol-1×0.86mol·kg-1=1.60K溶液的沸点上升了0.45K，也就是上升了0.45℃溶液的凝固点下升了1.60K，也就是下降了1.60℃工程化学教案第三章••6所以溶液的沸点为100℃+0.45℃=100.45℃溶液的凝固点为0℃-1.60℃=-1.60℃3.溶液的渗透压1886年荷兰物理学家范特霍夫（J·H·VantHoff）根据实验结果发现非电解质稀溶液的渗透压可以用一个与理想气体状态方程非常相似的公式来计算，其数学表达式如下：πV=n（B）RT或π=c（B）RT式中，π代表溶液的渗透压(SI单位是Pa），V是溶液的体积(SI单位是m3），n(B)是溶质的物质的量(SI单位是mol），c(B)是溶液的物质的量浓度(SI单位是mol·m-3），R是摩尔气体常数(SI单位是J·mol-1·K-1），T是热力学温度(SI单位是K）。例3-4试计算0.100mol·L-1的葡萄糖溶液具有的渗透压。解将单位换算成SI单位，代入渗透压计算公式π=c（B）RT=0.100×10-3mol·m-3×8.314J·mol-1·K-1×298K=2.48×105Pa=248kPa由计算知0.100mol·L-1的葡萄糖溶液的渗透压是248kPa。上面我们系统地介绍了在难挥发、非电解质的稀溶液中存在的四个性质：蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压，从它们的定量计算公式我们可清楚地看出稀溶液的这四个性质仅与一定量溶剂中所含溶质的物质的量成正比，而与溶质的本性无关，这也是将这四条性质称为稀溶液的依数性，将存在的规律称为稀溶液或稀溶液依数定律的原因。但是，稀溶液定律给出的依数性与溶液浓度的定量关系不适合于浓溶液和电解质溶液。因为在浓溶液中，溶质的微粒数较多，溶质微粒之间的相互影响以及溶质微粒与溶剂分子之间的相互影响大大地加强了,而在电解质溶液中存在溶质的解离现象。这些复杂的因素使稀溶液定律的定量关系产生了偏差。下面我们仅对强电解质溶液作进一步的分析。二、电解质溶液为了定量描述强电解质稀溶液的性质，反映由于离子氛的存在使离子不能完全发挥其应工程化学教案第三章••7有的效能的现象，引入了活度的概念，其计算公式是：a=γ·c式中a称为活度，又叫有效浓度，就是将溶液浓度乘上一个校正因子以后获得校正后的浓度，γ叫做校正因子，c是溶液浓度，实际上是指在溶液能有效地自由运动的离子的浓度。活度因子γ反映了电解质溶液中离子牵制作用的大小，γ越大表示离子可自由运动的程度越大。一般情况下，γ＜1。只有当溶液浓度很稀，离子相互牵制作用很微弱时，活度因子γ才接近于1，活度与浓度数值趋于相等。在一般准确度要求不是很高的普通工程化学计算中，一般都可以近似认为γ=1。第三节弱电解质的解离平衡一、酸和碱酸碱质子理论认为：凡是能释放出质子（H+）的任何物质都是酸；凡是能与质子（H+）结合的任何物质都是碱。也就是说酸是质子（H+）的给予体，碱是质子（H+）的接收体，酸碱质子理论对酸碱的判断仅以H+为依据。例如：HAc(aq)=H+(aq)+Ac-(aq)酸NH4+(aq)=H+(aq)+NH3(aq)碱H2PO4-(aq)=H+(aq)+HPO42-(aq)［Fe(H2O)6］3+(aq)=H+(aq)+［Fe(OH)(H2O)5］2+方程式中的（aq）是拉丁字（aqua）的缩写，表示水合的意思。例如H+实际上在水溶液中不能独立存在，而是以水合质子的形成存在，一般简写为H3O+，或简化写成H+（aq）。方程式左边的HAc、H2PO4-、NH4+、［Fe（H2O）6］3+都能给出质子，都是酸。从上述例子发现酸可以分为分子酸，阳离子酸和阴离子酸三类，酸失去质子的反应是可逆的，所以酸失去质子，剩余下的部分可以与质子结合，就是碱，碱也能以分子、阴离子和阳离子的形式出现，方程式右边的Ac-，HPO42+，NH3，［Fe（OH）（H2O）5］2+都是碱。上述例子同时也表明了酸碱之间存在的相互依存，相互转化的关系（酸给出质子后又生成相应的碱，而碱结合质子后又生成相应的酸），这种关系可以用下面的通式表示：酸=质子+碱酸碱质子理论把酸碱之间这种相互依存，相互转化的关系叫做酸碱的共轭关系。酸失去工程化学教案第三章••8质子后形成的碱叫该酸的共轭碱。（NH3是NH4+的共轭碱），碱结合质子后形成的酸叫该碱的共轭酸（NH4+是NH3的共轭酸），相应的一对酸碱称为共轭酸碱对。例如NaAc的水解反应如下Ac-(aq)+H2O(l)=OH-（aq）+HAc