第3章 水化学与水污染

第3章水化学与水污染第3章水化学与水污染§3.1溶液的通性§3.2水溶液中的单相离子平衡§3.5水污染及其危害（自学）§3.4胶体与界面化学（自学）§3.3难溶电解质的多相离子平衡第3章水化学与水污染溶液：由溶质和溶剂组成。凡两种以上的物质混和形成的均匀稳定的分散系统，叫做溶液。气体溶液、固体溶液、液体溶液由不同的溶质和水或其他溶剂组成的溶液有不同的性质。溶液的形成伴随着能量、体积、颜色的变化等，是由溶液的本性决定的。溶液的另外一些性质，如蒸气压、沸点、凝固点等与溶质的本性无关，只与溶质的数量有关，称为溶液的依数性。溶液：电解质溶液、非电解质溶液§3.1溶液的通性第3章水化学与水污染组成的标度——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。第3章水化学与水污染2.摩尔分数(或物质的量分数)以溶液中的总物质的量除任何一物质的量，即为该物质的摩尔分数，是单位为一的量。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，则总nnnnnxBBABB注意：无论有若干种物质，摩尔分数之和总是等于1。总nnnnnxABAAA1BAxx第3章水化学与水污染§3.1溶液的通性一、非电解质稀溶液的通性1．溶液的蒸气压下降2.沸点上升3.凝固点下降4.渗透压5.稀溶液的依数性二、电解质稀溶液的通性第3章水化学与水污染一、非电解质稀溶液的通性稀溶液的依数性定律：难挥发的非电解质稀溶液的性质只与溶液的浓度有关，而与溶质的本性无关。这些性质包括：溶液的蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降及溶液渗透压等。§3.1溶液的通性第3章水化学与水污染在液体中，靠近液面的具有高能量的分子克服了周围分子对它的引力而从液面逸出，这就是蒸发或气化作用。蒸发或气化的结果是使液体的温度降低了，因为高能量分子的逸失使液体中剩余分子的平均动能降低，周围环境及时向液体传递热量使该液体的温度保持恒定，使高能量分子的个数得以恢复，蒸发过程就可以继续进行直到液体全部蒸发完全。蒸发或气化作用第3章水化学与水污染1．溶液的蒸气压下降(1)蒸气压例如：20℃时，p(H2O)＝2.339kPa100℃时，p(H2O)＝101.325kPa在封闭系统中，一定温度下，当液体的蒸发速率和其蒸气凝聚的速率相等时的蒸气压力叫做该温度下液体的饱和蒸气压，简称蒸气压。或：在一定温度下，液体及其蒸气达到相平衡时，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？不同溶剂蒸气压不同，相同溶剂温度升高，蒸气压增大。第3章水化学与水污染(2)蒸气压下降若往溶剂(如水)中加入一种难挥发的溶质，使它溶解形成溶液时，由实验可以测出溶剂的蒸气压下降。同一温度下，纯溶剂的蒸气压与溶液的蒸气压之差叫做溶液的蒸气压下降。拉乌尔定律：(1887年，法国物理学家)在一定温度下，难挥发的非电解质稀溶液中溶剂的蒸气压下降(△p)与溶质的摩尔分数成正比，即ABABpxpnnp第3章水化学与水污染如实验测定，25C时，水的饱和蒸气压:p(H2O)=3167.7Pa；0.5mol·kg-1糖水的蒸气压则为:p(H2O)=3135.7Pa；1.0mol·kg-1糖水的蒸气压为:p(H2O)=3107.7Pa。结论：溶液的蒸气压比纯溶剂低，溶液浓度越大，蒸气压下降越多。对于稀溶液，溶剂物质的量nA远远大于溶质物质的量nB，即nAnB/)/BBBABAxnnnnn（/55.5Appmpkm设溶液的浓度以1000g溶剂(水)中含的溶质物质的量nB为单位,则溶液的质量摩尔浓度m为：m=nB(mol∙kg-1)∵nA=1000/18=55.5mol∴xB=nB/nA=m/55.5BAxpp∴结论：难挥发性的非电解质稀溶液，蒸气压下降数值只取决于溶剂的本性(k)及溶液的质量摩尔浓度m。第3章水化学与水污染第3章水化学与水污染BBAABBA///MWMWMWpp(3)蒸气压下降的应用①测定溶质分子的相对摩尔质量设质量为WB的溶质溶于质量为WA的溶剂中，则有：②干燥剂工作原理CaCl2、NaOH、P2O5等易潮解的固态物质，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，该溶液蒸气压较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。第3章水化学与水污染液体的饱和蒸气压与外界压强相等时的温度称为该液体的沸点。在此温度下，气化在整个液体中进行，产生气泡，称之为液体的沸腾。在低于此温度下的气化，仅限于在液体表面上进行，不会产生气泡，这是蒸发。2.沸点上升这就是在沸点时和在沸点以下时液体气化的区别。第3章水化学与水污染在沸腾时液体的温度恒定不变。液体的沸点随外界气压而变，外界气压升高，液体的沸点升高；外界气压降低，液体的沸点也随之下降。当外界气压为101.325kPa(1atm)时，液体的沸点称为正常沸点。注意：固体表面的分子也能蒸发，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。第3章水化学与水污染kbp:溶剂沸点上升常数，决定于溶剂的本性,与溶剂的摩尔质量、沸点、汽化热有关。其单位为K·kg·mol-1。可以理解为：溶液的浓度m=1mol·kg-1时的溶液沸点升高值。mkTbpbp2．沸点上升溶液的蒸气压总是低于纯溶剂的蒸气压；溶液的沸点升高与溶液的质量摩尔浓度成正比，即几种溶剂的沸点、凝固点kbp、kfp的数值见P114表3-2。第3章水化学与水污染第3章水化学与水污染凝固点：某纯物质液体蒸气压和它的固相蒸气压相等时的温度称为该物质的凝固点。或液态纯物质与其固态纯物质平衡共存的温度。fpfpTkm特点：kfp,kbp只与溶剂种类有关；同种溶剂kfp＞kbp3.凝固点下降kfp：溶剂的摩尔凝固点下降常数；m：溶质的质量摩尔浓度。溶液蒸气压总是低于纯溶剂的蒸气压，溶液凝固点会下降。第3章水化学与水污染①测定分子的相对摩尔质量以凝固点下降应用较多∵kfp＞kbp，ΔTfp＞ΔTbp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。②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。沸点和凝固点测定的应用第3章水化学与水污染③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℃④低熔合金的制备利用固态溶液凝固点下降原理，可制备许多有很大的实用价值的合金。如33%Pb(mp327.5℃)与67%Sn(mp232℃)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%。第3章水化学与水污染(1)半透膜：可以允许溶剂分子自由通过而不允许溶质分子通过。若被半透膜隔开的两边溶液的浓度不等（即单位体积内溶剂的分子数不等），则可发生渗透现象。溶剂透过半透膜进入溶液的趋向取决于溶液浓度的大小，溶液浓度大，渗透趋向大。4．渗透压第3章水化学与水污染渗透现象——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）Π渗透压——阻止渗透进行所施加的最小外压,用П表示。在数值上，cRTRTVnΠnRTΠV或图3.3溶液渗透压示意图4．渗透压第3章水化学与水污染(2)溶液的渗透压：由于半透膜两边的溶液单位体积内水分子数目不同而引起稀溶液溶剂分子渗透到浓溶液中的倾向。为了阻止发生渗透所需施加的压力，叫溶液的渗透压。在一定温度下，渗透压只和一定体积中所含溶质的粒子数成正比，即与溶质的浓度成正比，而与溶质的本性无关。第3章水化学与水污染与理想气体方程无本质联系。Π－渗透压；V－溶液体积；R－气体常数；n－溶质物质的量；c－体积摩尔浓度；m－质量摩尔浓度；T－温度；R=8.314J·mol-1·K-1VnRTcRTmRTVan’tHoff(范特霍夫)于1886年提出：第3章水化学与水污染渗透压平衡与生命过程的密切关系：①给患者输液的浓度；②植物的生长；③人的营养循环。注意：即使是稀溶液，其渗透压也是相当大的。例如，298K时，某溶液的浓度c=0.10mol·dm－3，其渗透压为：π=cRT=（0.10×103×8.314×298.15）Pa=248×103Pa（相当于25米高水柱的压力）一般植物细胞汁的渗透压约可达2000kPa,所以，水分可以从植物的根部运送到数十米高的顶端。第3章水化学与水污染测定分子的相对摩尔质量渗透压有较大数值，容易测定，因此可以准确测定化合物的相对摩尔质量。例如：浓度为0.00100mol·kg-1的某高分子物质（如蛋白质）的水溶液，其沸点升高的数值为ΔTfp=0.00186K，因此用沸点升高的方法测定是十分困难的。若用渗透压法，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。(3)渗透压测定的应用第3章水化学与水污染等渗溶液人体血液的渗透压约为780kPa，病人注射或输液时，使用0.9%的NaCl溶液（0.16mol·dm-3）或5%的葡萄糖溶液(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）。反渗透若外加在溶液上的压力大于渗透压，则会使溶液中的溶剂向纯溶剂方向流动，使纯溶剂体积增加，该过程叫反渗透。广泛用于海水淡化、工业废水或污水的处理及溶液的浓缩等，关键在于耐高压半透膜的制备。(4)等渗溶液与反渗透第3章水化学与水污染结论：蒸气压下降，沸点上升，凝固点下降，渗透压都是难挥发的非电解质稀溶液的通性；它们只与溶剂的本性和溶液的浓度有关（或与一定量溶剂中溶质分子的数目成正比），而与溶质的本性无关。这种性质称为稀溶液的依数性或依数定律。凡符合依数定律的溶液叫做理想溶液。5.稀溶液的依数性第3章水化学与水污染浓溶液中溶质的微粒数较多，溶质微粒间的相互作用及溶质微粒与溶剂分子间的相互作用复杂，使稀溶液依数定律的定量关系产生偏差。而在电解质溶液中，由于电解质的解离，使得稀溶液定律的定量关系不适用。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？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。第3章水化学与水污染例：已知20ºC时水的蒸气压为2333Pa，将17.1g某易溶难挥发非电解质溶于100g水中，溶液的蒸气压为2312Pa，试计算该物质摩尔质量。解：设该物质的摩尔质量为M，则溶质的质量摩尔浓度为：17.11000171()()100mMM2333231221ApppPa5.551.17233321M1molg342M5.55mppA第3章水化学与水污染阿仑尼乌斯根据电解质溶液不服从稀溶液定律的现象，提出了电离理论。1903年他获得了诺贝尔化学奖。电离理论认为电解质分子在水溶液中解离成离子，使得溶液中的微粒数增大，故它们的蒸汽压、沸点、熔点的改变和渗透压数值都比非电解质大。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：%100电解质的起始浓度已解离的电解质浓度解离度二、电解质溶液的通性电解质溶液可分为强电解质和弱电解质溶液两种。强电解质-理论上100％电离第3章水化学与水污染电解质溶液也具有溶液蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压等性质，但非电解质稀溶液的依数性不适用于电解质溶液，会产生偏差，可引入一个修正系数i予以修正。①对于AB型的强电解质溶液,如KNO3、N