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高中化學(xué)競賽 第二講溶液 競賽基本要求 1 分散系 2 溶解度 3 亨利定律 4 稀溶液的依數(shù)性 5 溶液濃度 知識點擊 一 分散系一種或幾種物質(zhì)以細小的粒子分散在另一種物質(zhì)中所形成的體系稱分散系 被分散的物質(zhì)稱分散質(zhì) 把分散質(zhì)分開的物質(zhì)稱分散劑 按照分散質(zhì)粒子的大小 常把分散系分為三類 見下表 分散系銨分散質(zhì)粒子的大小分類 二 溶解度和飽和溶液1 溶解度在一定溫度下的飽和溶液中 在一定量溶劑中溶解溶質(zhì)的質(zhì)量 叫做該物質(zhì)在該溫度下的溶解度 易溶于水的固體的溶解度用100g水中溶解溶質(zhì)的質(zhì)量 g 表示 一定溫度下 難溶物質(zhì)飽和溶液的 物質(zhì)的量 濃度也常用來表示難溶物質(zhì)的溶解度 例如298K氯化銀的溶解度為1 10 5mol L 1 2 飽和溶液在一定溫度下 未溶解的溶質(zhì)跟已溶解的溶質(zhì)達到溶解平衡狀態(tài)時的溶液稱為飽和溶液 在飽和溶液中 存在著下列量的關(guān)系 3 溶解度與溫度溶解平衡是一個動態(tài)平衡 其平衡移動的方向服從勒沙特列原理 一個已經(jīng)飽和的溶液 如果它的繼續(xù)溶解過程是吸熱的 升高溫度時溶解度增大 如果它的繼續(xù)溶解過程是放熱的 升高溫度時溶解度減小 大多數(shù)固體物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高而增大 氣體物質(zhì)的溶解度隨著溫度的升高而減小 常數(shù) 常數(shù) 4 溶解度與壓強固體或液體溶質(zhì)的溶解度受壓力的影響很小 氣體溶質(zhì)的溶解度受壓力影響很大 對于溶解度很小 又不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體 在溫度不變時 氣體的溶解度和它的分壓在一定范圍內(nèi)成正比 這個定律叫亨利 Henry 定律 其數(shù)學(xué)表達式是 Cg Kg pg式中pg為液面上該氣體的分壓 Cg為某氣體在液體中的溶解度 其單位可用g L 1 L 氣 L 水 1 mol L 1表示 Kg稱為亨利常數(shù) 5 溶解平衡任何難溶的電解質(zhì)在水中總是或多或少地溶解 絕對不溶的物質(zhì)是不存在的 對于難溶或微溶于水的物質(zhì) 在一定條件下 當(dāng)溶解與結(jié)晶的速率相等 便建立了固體和溶液中離子之間的動態(tài)平衡 簡稱溶解平衡 三 溶液的性質(zhì)1 稀溶液的依數(shù)性稀溶液的某些性質(zhì)主要取決于其中所含溶質(zhì)粒子的數(shù)目 而與溶質(zhì)本身的性質(zhì)無關(guān) 這些性質(zhì)稱為依數(shù)性 稀溶液的依數(shù)性包括溶液的蒸氣壓下降 沸點升高 凝固點降低和和滲透壓 1 溶液的蒸氣壓下降19世紀(jì)80年代拉烏爾 Raoult 研究了幾十種溶液的蒸氣壓與溫度的關(guān)系 發(fā)現(xiàn) 在一定溫度下 難揮發(fā)的非電解質(zhì)溶液的蒸氣壓p等于純?nèi)軇┱魵鈮簆與溶劑的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x的乘積 即 p p x這就是拉烏爾定律 用分子運動論可以對此作出解釋 當(dāng)氣體和液體處于相平衡時 液態(tài)分子氣化的數(shù)目和氣態(tài)分子凝聚的數(shù)目應(yīng)相等 若溶質(zhì)不揮發(fā) 則溶液的蒸氣壓全由溶劑分子揮發(fā)所產(chǎn)生 所以由液相逸出的溶劑分子數(shù)目自然與溶劑的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)成正比 而氣相中溶劑分子的多少決定蒸氣壓大小 P pA0bM 1000 k b 2 溶液的沸點升高 Tb K P kpA0bM 1000 kb b 3 溶液的凝固點降低在101kPa下 純液體和它的固相平衡的溫度就是該液體的正常凝固點 在此溫度時液相的蒸氣壓與固相的蒸氣壓相等 純水的凝固點為0 此溫度時水和冰的蒸氣壓相等 但在0 水溶液的蒸氣壓低于純水的 所以水溶液在0 不結(jié)冰 若溫度繼續(xù)下降 冰的蒸氣壓下降率比水溶液大 當(dāng)冷卻到Tf時 冰和溶液的蒸氣壓相等 這個平衡溫度Tf就是溶液的凝固點 Tf Kf b 利用凝固點降低 可以測定溶質(zhì)的分子量 并且準(zhǔn)確度優(yōu)于沸點升高法 實驗誤差相應(yīng)較小 而且在凝固點時 溶液中有晶體析出 現(xiàn)象明顯 容易觀察 因此利用凝固點降低測定分子量的方法應(yīng)用很廣 此外 溶液的凝固點降低在生產(chǎn) 科研方面也有廣泛應(yīng)用 例如在嚴(yán)寒的冬天 汽車散熱水箱中加入甘油或乙二醇等物質(zhì) 可以防止水結(jié)冰 食鹽和冰的混合物作冷凍劑 可獲得 22 4 的低溫 4 溶液的滲透壓 如圖所示 這種讓溶劑分子通過半透膜的單方向的擴散過程稱為滲透 由于滲透作用 蔗糖溶液的體積逐漸增大 垂直的細玻璃管中液面上升 因而靜水壓隨之增加 這樣單位時間內(nèi)水分子從溶液進入純水的個數(shù)也就增加 當(dāng)靜水壓達到一定數(shù)值時 單位時間內(nèi) 水分子從兩個方向穿過半透膜的數(shù)目彼此相等 這時體系達到滲透平衡 玻璃管內(nèi)的液面停止上升 滲透過程即告終止 這種剛剛足以阻止發(fā)生滲透過程所外加的壓力叫做溶液的滲透壓 19世紀(jì)80年代 范特霍夫?qū)Ξ?dāng)時的實驗數(shù)據(jù)進行歸納比較 發(fā)現(xiàn)稀溶液的滲透壓與濃度 溫度的關(guān)系 與理想氣體狀態(tài)方程相似 可表示為 n v RT 2 分配定律 1 分配定律在一定溫度下 一種溶質(zhì)分配在互不相溶的兩種溶劑中的濃度比值是一個常數(shù) 這個規(guī)律就稱為分配定律 其數(shù)學(xué)表達式為 K cA cA K為分配系數(shù) 分子和分母分別為溶質(zhì)A在溶劑 和 中的溶解度 2 萃取分離萃取分離法是利用一種與水不相溶的有機溶劑與試液一起震蕩 使某組分轉(zhuǎn)入有機相 另外的組分留在水相 從而達到分離的目的 溶劑萃取的實質(zhì)是物質(zhì)在互不相溶的兩種溶劑中的分配差異 萃取過程是物質(zhì)在兩相中溶解過程的競爭 服從相似相溶原理 萃取分離的主要儀器是分液漏斗 具體操作如下 將試液置于60 125mL的梨形分液漏斗中 加入萃取溶劑后立即震蕩 使溶質(zhì)充分轉(zhuǎn)移至萃取溶劑中 靜置分層 然后將兩相分開 在實際工作中 常用萃取百分率E來表示萃取的完全程度 萃取百分率是物質(zhì)被萃取到有機相中的比率 萃取時 為提高萃取效率 通常采用 少量多次 的方法 Mn m0 式中K為分配系數(shù) K 分母和分子分別為溶質(zhì)A在水中和萃取劑中的濃度 3 溶解度原理 相似相溶原理 限于理論發(fā)展水平 至今我們還無法預(yù)言氣體 液體 固體在液體溶劑中的溶解度 但是我們可以按照 相似相溶 這個一般溶解度原理來估計不同溶質(zhì)在液體溶劑中的相對溶解程度 結(jié)構(gòu)或極性上相似 因此分子間作用力的類型和大固態(tài)物質(zhì)的熔點對其在液體溶劑中的溶解度也有一定的影響 一般結(jié)構(gòu)相似的固體化合物在同一溶劑中低熔點的固體將比高熔點固體易溶解 對于氣體 在同一溶劑中 高沸點氣體的溶解度大 具有與氣體溶質(zhì)最為近似分子間力的溶劑是該氣體的最佳溶劑 如鹵化氫氣體較稀有氣體易溶于水 而且隨著鹵素原子序數(shù)的遞增 鹵化氫的沸點升高 在水中的溶解度增大 例析 例題1 在某溫度下 當(dāng)蔗糖的溶解達成平衡后 杯底還剩有大量蔗糖 試分析這種溶液是否為過飽和溶液 分析 在這種情況下 溶質(zhì)雖然大大地過量 但過量的溶質(zhì)并未進入溶液中 該溶液的濃度等于而并未超過該溫度下飽和溶液的濃度 而且過飽和溶液一般不穩(wěn)定 溶液中必須沒有固體溶質(zhì)存在 才有形成過飽和溶液的可能 因此 該溶液不是過飽和溶液 而是飽和溶液 答案 該溶液不是過飽和溶液 例題2 已知20 時Ca OH 2的溶解度為0 165g 100g水 及在不同的CO2壓力下碳酸鈣的溶解度為 請用計算說明 當(dāng)持續(xù)把CO2 壓強為99501Pa 下同 通入飽和石灰水 開始生成的白色沉淀是否完全 消失 在多次實驗中出現(xiàn)了下列現(xiàn)象 請解釋 1 由碳酸鈣和鹽酸 約6mol L 作用生成的CO2直接通入飽和石灰水溶液 所觀察到的現(xiàn)象是 開始通CO2時生成的沉淀到最后完全消失 若使CO2經(jīng)水洗后再通入飽和石灰水溶液則開始生成的白色沉淀到最后不能完全 消失 為什么 2 把飽和石灰水置于一敞口容器中 過了一段時間后 溶液表面有一層硬殼 把硬殼下部的溶液倒入另一容器中 再通入經(jīng)水洗過的CO2 最后能得清液 請解釋 若把硬殼取出磨細后 全部放回到原石灰水溶液中 再持續(xù)通入經(jīng)水洗過的CO2 最后能得清液嗎 3 用適量水稀釋飽和石灰水溶液后 再持續(xù)通入經(jīng)水洗過的CO2結(jié)果是因稀釋程度不同 有時到最后能得清液 有時得不到清液 請估算用水將飽和石灰水稀釋多少倍時 準(zhǔn)能得到清液 設(shè)反應(yīng)過程中 溫度保持恒定 即20 分析 1molCa OH 2吸收1molCO2 生成1molCaCO3 因此將溶解度中溶質(zhì)的克數(shù)換算成物質(zhì)的量 便于分析得出結(jié)論 20 時飽和石灰水溶解度為0 165g 相當(dāng)于0 165 74 0 00223mol 而當(dāng)CO2壓力為1 01 105Pa時 CaCO3溶解度為0 109g 相當(dāng)于0 109 100 0 00109mol 由于0 00109mol 0 00223mol 所以把過量CO2通入飽和石灰水后產(chǎn)生的沉淀不能全部消失 1 由CaCO3和6mol L鹽酸制取的CO2中混有逸出的HCl氣體 當(dāng)過量的該氣體通入飽和石灰水中 開始產(chǎn)生的沉淀溶于鹽酸及生成Ca HCO3 2而消失 用水洗除去HCl氣體 所以沉淀不消失 2 飽和石灰水吸收空氣中的CO2 在表面形成一層硬殼 取硬殼下面的溶液 由于產(chǎn)生表面的硬殼 消耗了一定量的Ca OH 2 當(dāng)CO2通入時產(chǎn)生CaCO3的量將減少 通入過量水洗的CO2可能沉淀消失 得澄清溶液 若將硬殼全部放回 由于生成的沉淀CaCO3總量不變 再通入水洗過的過量CO2 沉淀不消失 3 要使開始產(chǎn)生的沉淀消失 必須將Ca OH 2在100g水中溶解量降到0 00109mol 這樣產(chǎn)生的CaCO3也是0 00109mol 過量水洗過的CO2通入 沉淀將消失 所以加水量是 0 00223 0 00109 1 1 05倍 答案 由于0 165 74 0 109 100 沉淀不消失 1 CO2混有HCl氣體 沉淀溶解 水洗除HCl后 沉淀不消失 2 CaCO3總量減少 沉淀可能消失 硬殼 返回后 CaCO3總量不變 沉淀不消失 3 加入超過1 05倍體積的水 可得清液 例題3 Na2CrO4在不同溫度下的溶解度見下表 現(xiàn)有100g60 時Na2CrO4飽和溶液分別降溫到 1 40 2 0 時 析出晶體多少克 0 20 析出晶體為Na2CrO4 10H2O 30 60 析出晶體為Na2CrO4 4H2O 分析 表中所列數(shù)據(jù)是指在該溫度下 100g水中溶解無水物的克數(shù) 若析出晶體不含結(jié)晶水 其計算方法很簡單 這里不再贅述 若析出晶體含結(jié)晶水 晶體質(zhì)量將超過無水物的質(zhì)量 其計算方法通常有兩種 1 先假設(shè)析出無水物 并計算其質(zhì)量 根據(jù)化學(xué)式計算 求出無水物對應(yīng)結(jié)晶水的質(zhì)量 再由結(jié)晶水量 相當(dāng)于溶劑減少 計算又析出無水物質(zhì)量 無限循環(huán) 求和 取極限 導(dǎo)出晶體總質(zhì)量 此法繁瑣 2 從最終結(jié)果考慮 析出一定質(zhì)量的晶體 其中晶體中無水物為原溶液中溶質(zhì)的一部分 結(jié)晶水為溶劑的一部分 剩余溶質(zhì)和溶劑和該溫度下的溶解度對應(yīng) 答案 1 設(shè)析出xgNa2CrO4 4H2O晶體 x 21 876g 2 設(shè)析出ygNa2CrO4 10H2O晶體 y 125 9g 例題4 有每毫升含碘1mg的水溶液10mL 若用6mLCCl4一次萃取此水溶液中的碘 問水溶液中剩余多少碘 若將6mLCCl4分成三次萃取 每次用2mLCCl4 最后水溶液中剩余多少碘 哪個方法好 已知K為85 解析 溶液中碘的含量為 m 1 10 10mg 用6mLCCl4一次萃取后水相中碘的剩余量為 m 10 0 19mg 若每次萃取用2mLCCl4 相當(dāng)于水相體積的1 5進行三次萃取 則水相中碘的剩余量應(yīng)為 m 3 m 3 10 3 0 0017mg 后者碘在水相中的剩余量為前者的1 112 例題5 已知某不揮發(fā)性物質(zhì)的水溶液的沸點是100 39 在18 101kPa下 將3 00L空氣緩慢地通過此溶液時 將帶走水多少克 已知水的摩爾沸點升高常數(shù)Kb 0 52 分析 根據(jù)稀溶液定律公式求得溶液質(zhì)量摩爾濃度b 根據(jù)18 時水的飽和蒸氣壓公式求得溶液的蒸氣壓 將水的蒸氣壓按理想氣體處理 根據(jù)氣態(tài)方程式求得 答案 根據(jù)稀溶液定律 Tb Kb b Tb 100 39 100 00 0 39b 0 39 0 52 0 7518 時水的飽和蒸氣壓p0 2 06kPa 則溶液的蒸氣壓為 p p0 p0 0 9867 2 06kPa 2 03kPa m 0 0453g