【萃取】利用不同的物质在选定的溶剂中溶解度的不同,分离混和物中的组分的方法。习惯上指用溶剂分离液体混和物中的组分,即液-液萃取(又叫溶剂萃取);也可用溶剂分离固体混和物中的组分,即固-液萃取(又叫浸取)。液-液萃取是定量分析中分离方法的一种,主要用于元素的分离和富集。
萃取和分液的区别
萃取是一种常用的分离液-液混合物的方法,它是利用溶质在互不相溶的溶剂里溶解度的不同,用一种溶剂把溶质从它与另一溶剂所组成的溶液里提取出来的操作。分液是把互不相溶的两种液体分开的操作。一般分液都是与萃取配合使用的。萃取和分液常用的仪器是锥形分液漏斗。
操作方法是:
(1)将被萃取液倒入分液漏斗里,加入适量萃取剂,这时漏斗内的液体总量不能超过容积的1/2。盖上漏斗口上的磨口塞,用右手压住塞子,左手拇指、食指和中指夹住漏斗颈上的旋塞,将分液漏斗横放,用力振摇或将分液漏斗反复倒转并振荡。振荡过程中常有气体产生,应及时将漏斗倾斜倒置使液面离开旋塞,扭开旋塞把气体放出。
(2)把分液漏斗放在铁架台的铁圈上,静置。
(3)漏斗下放一承受容器如烧杯。打开分液漏斗上口的磨口塞或使塞上的凹槽与漏斗口颈上的小孔对准。
(4)当漏斗内液体明显分层后,打开旋塞,使下层液体慢慢流入承受器里。下层液体流完后,关闭旋塞。上层液体从漏斗上口倒入另外容器里。
【定义】分散相微粒的直径在1 -100nm之间的分散体系叫做胶体。〔也有一种观点认为,胶体是指微粒直径在l ~1000nm之间 的分散系统。
【说明】
1. 胶体的分散相和分散介质可以是气体、液体或固体。分散介质是气体的叫气溶胶(如烟、雾),是液体的叫溶胶,是固体的叫固溶胶(如水晶、有色玻璃)。
2. 胶体中的微粒(一般指胶核)是许多分子的集合体,一般由 103 --109个原子组成。例如,氢氧化铁的胶核是由几百万个氢氧化铁分子组成的集合体。有些高分子有机物的直径很大(如淀粉、 蛋白质),达到胶体微粒的大小。这些物质溶于水(或其他溶剂)得到的溶液也有胶体的性质。例如,分子量为36000的胰岛素(球 状)分子的直径是4.Onm;分子量为42000的蛋白质(椭球)分子 的直径是11nm。高分子溶液的稳定性较好,常常叫亲液胶体。 前者稳定性较差常称为疏液胶体。
3. 胶体的结构分胶核、胶粒和胶团。以碘化银胶体为例,把碘化钾溶液加人硝酸银溶液中(当硝酸银过量时),大量的碘化银形成胶体颗粒(称胶核),它的表面有选择性地吸附跟它有共同组成的离子,这样使胶核成为带电粒子。在胶核周围又吸附带相反 电荷的离子,形成比较紧密的吸附层和比较松散的扩散层。胶团的结构示意如下:
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胶体 |
4. 胶体有不同于溶液和浊液的一些特性,如有丁铎尔效应、 布朗运动、电泳等现象。
5. 制备胶体有多种方法。
①分散法就是用研磨、溶解、超声 波或电弧等方法把粗大物料分散研细。
②凝聚法就是把分子或离子聚集成胶体粒子。制淀粉溶胶属于分散法,制氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶属于凝聚法。
6. 在宇宙、天文、气象、地理、生物、医学、农业和工业生产中都有胶体现象,都跟胶体化学的研究有关。
【定义】当溶胶凝聚后,胶体的微粒和分散介质凝聚在一起,形成不流动的冻状物,叫做凝胶。
【说明】
1.根据含水量的多少,凝胶可分为干凝胶和软胶(又称冻胶)。干凝胶中含水量小于固体量;软胶中含水量超过固体量(甚至可达95%以上),如血凝胶、琼脂、肉冻、豆腐等。
2.根据机械性质,凝胶又可分为弹性凝胶、脆性凝胶和触变凝胶三种。脆性凝胶(如硅胶)失去或重新吸收水分时,形状和体积都不改变,但吸收水分后再不能重新变成溶胶(又叫不可逆凝胶)。弹性凝胶(如明胶)失去水分后,体积显著缩小,当重新新吸收水分时,体积膨胀,直到重新变成溶胶。触变凝胶(如氢氧化铁凝胶)受机械力作用时变为溶胶,没有机械力作用时再变成凝胶。弹性凝胶和触变凝胶又叫可逆凝胶。
【定义】又称胶体的凝聚。胶体的微粒在一定条件下发生聚集的现象叫做聚沉。
【说明】
1.引起胶体聚沉的因素(即破坏胶体稳定的条件)有多种,如升高温度、加入电解质、加带相反电荷的溶胶、光学作用和长期渗析等,其中最主要的是加入电解质。
2.升高温度能减弱胶粒对离子的吸附,破坏胶团的水化膜,使胶粒运动加快,增加胶粒间的碰撞机会,从而使胶粒聚沉。
3.加入电解质后,增加胶体溶液中的离子浓度,使胶粒吸附相反电荷,会减少或中和所带的电荷,削弱胶粒之间的静电斥力,使之因碰撞而聚沉。
4.加入带相反电荷的溶胶,如向带正电荷的氢氧化铁溶胶中加人带负电荷的三硫化二砷溶胶。由于胶粒的电荷被中和,两种溶胶都发生聚沉。
5.研究胶体的聚沉现象有应用价值。例如,制肥皂(采用盐析)和豆腐、除尘和净水都是要求胶体发生聚沉;制墨水、涂料、胶体石墨等都要使胶体稳定,防止聚沉。研究江河三角洲形成和生命现象也跟胶体的聚沉有关。
【定义】
1.在外加直流电源的作用下,胶体微粒在分散介质里向阴极或阳极作定向移动,这种现象叫做电泳。
2.利用电泳现象使物质分离,这种技术也叫做电泳。
【说明】
1.胶体有电泳现象,证明胶体的微粒带有电荷。各种胶体微粒的本质不同,它们吸附的离子不同,所以带有不同的电荷。利用电泳可以确定胶体微粒的电性质,向阳极移动的胶粒带负电荷,向阴极移动的胶粒带正电荷。
2.一般来讲,金属氢氧化物、金属氧化物等胶体微粒吸附阳离子,带正电荷;非金属氧化物、非金属硫化物等胶体微粒吸附阴离子,带负电荷。因此,在电泳实验中,氢氧化铁胶体微粒向阴极移动,三硫化二砷胶体微粒向阳极移动。
3.利用电泳可以分离带不同电荷的溶胶。例如,陶瓷工业中用的粘土,往往带有氧化铁,要除去氧化铁,可以把粘土和水一起搅拌成悬浮液,由于粘土粒子带负电荷,氧化铁粒子带正电荷,通电后在阳极附近会聚集出很纯净的粘土。工厂除尘也用到电泳。
4.利用电泳还可以检出被分离物,在生化和临床诊断方面发挥重要作用。本世纪40年代末到50年代初相继发展利用支持物进行的电泳,如滤纸电泳,醋酸纤维素膜电泳、琼脂电泳;50年代末又出现淀粉凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳等。目前,电泳技术已广泛应用于分析化学、生物化学、临床化学、药理学、免疫学、微生物学、遗传学等科学中。
【定义】利用半透膜使胶体跟其中所含杂质(分子或离子)分离,叫做渗析。
【说明】
1.半透膜一般是动物的膀胱膜、肠衣、羊皮纸等。现在多用人工合成膜,如有不同膜孔的硝化纤维膜和醋酸纤维膜,微孔直径从几微米到零点几微米不等。溶胶中的小分子和离子能自由地通过半透膜的微孔,而直径较大的胶体粒子却不能通过半透膜的微孔。
2.用各种方法制得的溶胶往往含有很多电解质(杂质或反应产物),其中只有一部分电解质跟胶体吸附的离子保持平衡。其余过量电解质的存在,会影响胶体的稳定性。
1861年,格雷姆(Thomas Graham,1805一1869)首先采用半透膜法纯化溶胶。溶胶中的小分子和离子能自由通过半透膜向溶剂中扩散,从而除去电解质。这种方法的缺点是一部分溶剂会进入溶胶,使它变稀,因此必须经常更换溶剂,才能使渗析进行彻底。
3.为了提高渗析的效率,现在发展有电渗析和超过滤。在电作用下渗析,加速从溶胶中除去电解质。在加压下渗析,可使固液分离,所得滤饼(溶胶)可立即分散在水中又变成溶胶。渗析可用于胶体的精制和核酸、蛋白质等高分子化合物的提纯。
【土壤胶体】土壤中呈胶体状态的物体。土壤胶体分有机胶体(如腐植质)、无机胶体(粘土矿物,如铝硅酸盐及铁、铝的含水氧化物等)、有机无机复合胶体三种。土壤胶体具有很大的表面积、在溶液中带有电荷,并有吸收、膨胀、收缩、分散、凝聚、粘结、粘着和可塑等特点。有机胶体吸收性较强,无机胶体则粘结性、可塑性较强,各种胶体在土壤中的存在量,对土壤性状和肥力都有很大影响。
【定义】表示电解质离解成自由离子的式子。
【说明】
1.强电解质(强碱、强酸和大部分盐类)在水溶液中完全电离。它的电离方程式用=或→表示。
NaOH=Na+ +OH- 或NaOH→Na+ +OH-
2.硫酸是强电解质,一级电离完全,而二级电离不完全(K2=1.2×10-2 ),所以硫酸的电离方程式是
H2SO4=H+ +HSO4-
HSO4- H+ +SO42-
在中学化学教学中简化为H2SO4=2H+ +SO42-
3. 弱电解质(弱酸、弱碱和个别盐类)在水溶液中仅部分电离,分子和离子之间存在电离平衡。所以电离方程式中常用表示。
例如,醋酸的电离方程式是:
CH3COOHCH3COO- +H+
4.在电离方程式中,阳离子带的正电荷总数和阴离子带的负电荷总数的绝对值相等。
5.电解质在水溶液中电离出的离子,都以水合离子的形式存在。例如,电离出的H+ 离子主要以H3O+ ([H·H2O]+ )等形式存在于水溶液中。由于不能确定水分子的数目,有时用符号H+ (aq)表不水合的氢离子。为了简便,在通常的电离方程式中仍然用简单离子符号书写,如H+ 、K+ 、Cl- 等。
6.在水溶液中,强电解质完全电离,用等号表示,例如:
弱电解质部分电离,存在电离平衡,用可逆号表示,例如:
多元弱酸的电离是分步进行的,以第一步为主,例如:
多元弱碱的电离也是分步进行的,一般简化为一步,例如:
注意区别:①强酸的酸式盐和弱酸的酸式盐表示方法不同,例如:
②复盐和络盐表示方法不同,例如:
多数离子化合物在熔化时也能发生电离,表示方法如下:
【定义】弱电解质AB在水溶液里达成电离平衡后,溶液中电离出来的各种离子浓度的乘积([A+]×[B-] )跟溶液中未电离的分子浓度([AB])的比值,叫做该弱电解质的电离平衡常数,简称电离常数,用K电离表示。
【说明】
1. 电离平衡常数只随温度的变化而改变,不随参与电离平衡的分子和各离子的浓度变化而变化。K电离表达式中的各浓度指平衡时的浓度。
2.通常都用在25℃的电离常数来讨论室温下各种弱电解质溶液的平衡状态。
3.多元弱酸是分步电离的,它的每一步电离都有相应的电离常数,通常用K1、K2、K3等表示。它们的关系是K1>K2>K3,一般都要相差104-105倍。
4.硫酸是强电解质,但它在水溶液中是分级电离的。它的K2=1.20×10-2,这是因为一级电离产生的H+因同离子效应而抑制二级电离,使平衡向重新结合成HS04-方向移动,所以二级电离产生的H+浓度不大。
5.弱电解质在水溶液中存在电离平衡,跟化学平衡一样也可得到电离平衡常数,用Ki表示(弱酸的电离常数用Ka表示、弱碱的电离常数用Kb表示)。例如醋酸的电离平衡:
Ki的值与温度有关,而与浓度无关。一定温度下某弱电解质的Ki是定值,Ki越大表示电离程度越大。对同类型的弱酸或弱碱,比较其Ka或Kb值的大小,就可确定它们的相对强弱。如氢氟酸(HF)和氢氰酸(HCN)都是一元酸,前者电离常数Ka=6.5×10-4、后者的电离常数Ka=4.93×10-10,可知氢氟酸比氢氰酸强。
【定义】 在弱电解质溶液中,加入跟该电解质具有不同离子的强电解质,使弱电解质的电离度增大,这种现象叫做盐效应。
【说明】
1. 在0.1mo」/L HAc溶液中加入0.1mol/L NaCl溶液,氯化钠完全电离成Na+和Cl-,使溶液中的离子总数骤增,离子之间的静电作用增强。这时Ac-和H+被众多异号离子(Na+和Cl-)包围,Ac-跟H+结合成HAc的机会减少,使HAc的电离度增大(可从1.34%,增大到1.68%)。
2.在难溶电解质溶液中加入具有不同离子的可溶性强电解质后,使难溶电解质溶解度增大的效应,也叫做盐效应。
3.在弱电解质溶液中,加入其它强电解质盐时,使该弱电解质电离度增大的效应。例如0.1mol/l的醋酸溶液,醋酸的电离度为1.33%,若加入氯化钠,使溶液中NaCl的浓度为0.1mol/l,此时醋酸的电离度为1.68%。这是因为加入不含相同离子的强电解质,增大了溶液中离子的总浓度,使溶液中离子之间的相互牵制作用增强,离子结合为分子的机会减少,降低了分子化的速度,电离平衡向电离方向移动的结果。
【定义】 在一定温度下,难溶电解质在它的饱和溶液中达成溶解平衡时,离子浓度(严格说应为离子活度)的幂乘积,叫溶度积,习惯上用Ksp表示。例如
MmNn(固体)mMn++nNm- ,
则有
Ksp==[Mn+]m[Nm-]n。
溶度积数值的大小表示电解质在溶剂中的溶解能力。
【说明】
1. 在一定温度下,一种物质的Ksp是常数。例如在25℃,Ksp(AgCl) =1. 56 X 10-10 ,Ksp(CaC03) =8. 7 X 10-9。
2.难溶电解质在溶剂中,当溶解和沉淀的速率相等时,便在固体和溶液中离子间达成动态平衡,这时的溶液是饱和溶液。根据平衡移动原理,可以得到
(1)当[Mn+]m[Nm-]n>Ksp时,溶液呈过饱和状态,将析出沉淀。
(2)当[Mn+]m[Nm-]n=Ksp时,溶液呈饱和状态,表面上看溶液中既没有沉淀析出,沉淀也不溶解。
(3)当[Mn+]m[Nm-]n<Ksp时,溶液呈不饱和状态,存在于溶液中的沉淀将溶解。这三条规律合起来就叫溶度积原理。它是解决难溶电解质溶解问题的依据。
3.根据溶度积的值可以估计和比较同类难溶电解质的溶解度大小:溶度积越小,表示该物质溶解度越小;还可以判断在一定条件下沉淀的生成和溶解的可能性以及判断体系中有多种离子共存时各种离子生成沉淀的先后次序。【定义】它是对强电解质溶液中离子浓度的校正。校正后的浓度叫做有效浓度,也叫做离子的活度。
【说明】
1.在强电解质溶液中,离子浓度大,离子间的距离很近,因此离子间有较强的静电作用,使离子自由移动受到限制。而且溶液中正离子附近负离子多一些,负离子附近正离子多一些,于是在一个离子的周围形成带异号电荷离子的包围圈,这个包围圈叫做离子氛。因而通电时这种有“牵挂”的离子在电场中的移动速度减小,离子的导电功能跟自由离子相比降低了。为此,人们提出有效浓度的概念,对离子浓度进行校正。离子的活度(a)跟离子的真实浓度(c)之间的关系是
a=γ· c
式中是γ活度系数,γ<1,相当于因离子氛的存在而使离子的功能打折扣。
2.在弱电解质溶液中,浓度跟活度值十分接近,在精度要求不高的计算中,用离子的浓度就可以了。
【定义】 在电场(外电场或离子本身电荷产生的)作用下,离子的电子云发生变化,产生偶极或使原来偶极增大,这种现象叫做离子的极化。
【说明】
1.离子间除有静电引力作用外,还有其他的作用力。阳离子一般半径较小,又带正电荷,它对相邻阴离子会起诱导作用而使它变形(极化作用)。阴离子一般半径较大,外围有较多负电荷,因而在电场作用下容易发生电子云变形(离子的变形性)。实际上,每个离子都有使相反离子变形的极化作用和本身被其他离子作用而发生变形的变形性双重性质。
2. 电荷数大、半径小的阳离子有较强的极化作用。不同电子层结构的阳离子,极化作用的一般规律是:
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离子极化 |
3.具有18电子层和不规则电子层的离子,它们的变形性比半径相近的惰气型离子大得多。
4.结构相同的离子,正电荷越多的阳离子变形性越小,电子层数越多的变形性越大。
体积大的阴离子和18电子层或不规则电子层的少电荷阳离子(如Ag+、pb2+、Hg2+)最容易变形。
最不容易变形的是半径小、电荷高的惰气型阳离子(如Be2+、Al3+、Si4+等)。
5.离子极化对化学键有影响。阳、阴离子相互极化,使它们之间发生额外的吸引力。所以当两个离子更靠近时,有可能使两个离子的电子云互相重叠起来,趋向于生成极性较小的共价型键。键型的变化,必将影响化合物的性质。一般随极化程度的增强,物质的熔点、沸点降低,颜色逐次加深,在水中的溶解性减小。
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离子极化 |
【定义】电解质溶解于水或受热熔化,离解出自由移动离子,这叫做电离。
【说明】
1.电解质的电离有两种情况:
(1)离子化合物的电解质(属于离子晶体),它们是由阴、阳离子构成的。这些离子通过静电作用在空间按一定方式有规则地紧密排列。在固体中,这些离子不能自由移动,只能在自己的平衡位置附近作振动,所以固态的离子晶体在常温下不能导电。当受热熔化时,这些离子随着温度的升高而运动加快,克服离子电荷间的引力,产生能自由移动的离子,因而熔融的离子晶体能导电。当离子晶体溶解在水里时,在水分子的作用下发生异性取向吸引,阴、阳离子之间的引力削弱,最后晶格破坏,阴、阳离子分别跟水形成水合离子而进入溶液,成为能自由移动的离子,因此离子化合物的水溶液能导电。
(2)共价化合物的电解质(属于分子晶体),如氯化氢、醋酸等,它们不含有离子,因此不论是固态还是液态,都不存在能自由移动的离子。只有当它们溶解于水时,在水分子的作用下才发生电离,生成能自由移动的水合阴离子和水合阳离子。例如,氯化氢在水溶液里全部电离成水合氢离子和水合氯离子。在水分子的作用下,醋酸分子只有部分电离,大部分醋酸分子仍以分子状态存在于溶液中。
2.除上述电离外,中性气体分子或原子在高能粒子碰撞或高射线辐照下也会失去部分电子而分别成为分子离子或离子。
【定义】在水溶液中全部电离的电解质叫做强电解质,部分电离的电解质叫做弱电解质。
【说明】
1. 强酸、强碱和绝大多数可溶性的盐在水溶液里都能全部电离,它们都是强电解质。弱酸、弱碱在水溶液里只能部分电离,它们都是弱电解质。
2. 从化合物结构来看,有典型离子键的化合物(如强碱和大部分盐类),以及那些在水分子作用下能完全离子化的强极性键化合物(如硫酸、硝酸、盐酸等强酸)都属于强电解质。在水溶液里仅部分离子化的极性化合物(如醋酸、氢硫酸、氨水等弱酸、弱碱)和部分由共价键结合的盐类[如Pb(Ac)2、HgCl2、Hg(CN)2]都属 于弱电解质。
3.由强极性键形成的分子不一定都是强电解质。例如,氟化氢是弱电解质。氢氟酸是相当弱的酸,在稀溶液中仅发生部分电离。
4.电解质的强弱不是绝对的。溶剂的性质能影响电解质的强弱。例如,氯化锂和碘化钾都是离子型晶体,在水溶液中它们是强电解质,而在醋酸或丙酮中却变成弱电解质。
【定义】能抵抗外加少量强酸、强碱或稀释的影响,而本身的pH值不发生显著变化的溶液。
【说明】
1、缓冲溶液有三种类型:弱酸及其盐(如HAc—NaAc)、弱碱及其盐(NH3·H2O—NH4Cl)、多元弱酸盐及其对应的次级盐(NaH2PO4—Na2HPO4),总之缓冲溶液由弱酸及其共轭碱或弱碱及其共轭酸组成。
2、缓冲溶液具有缓冲能力的原因,以HAc—NaAc混和溶液为例:
HAc H+ + Ac-
NaAc=Na+ + Ac-
当加入少量酸时,体系中Ac-与加入的H+结合成HAc分子,而体系中[H+]无明显增加,Ac-为体系中抗酸部分;当加入少量碱时,体系中的HAc能与之中和,体系中[OH-]亦无明显增加,HAc为体系中的抗碱部份。缓冲溶液的pH值(或pOH值)可按下式计算:
3、缓冲溶液的缓冲能力是有限的,一般说C酸(或C碱)和C盐的数值较大且浓度相近时能力最大,一般取C酸/C盐或C碱/C盐之值在0.1~10之间。缓冲溶液在工业、农业、医学、化学、生理学方面有重要用途,如土壤、人的血液中都有复杂的缓冲体系,从而保持一定的pH值,使植物正常生长,使人维持正常的生理活动。
对于纯净的水,其浓度为常数,因此Ki[H2O]也是常数,在298.15K时纯水中[H+]=[OH-]=1.004×10-7摩尔/升所以,在101325Pa,298.15K时
Kw=Ki[H2O]=[H+][OH-]=(1.004×10-7)2≈10-14
Kw即水的离子积。水的离子积反映了在一定温度下水中H+离子和OH-离子的浓度间的关系。在任何水溶液中,水和它的离子(H+,OH-)之间的平衡是一种非常重要的平衡。在稀溶液中水的浓度可近似地看成为常数(近似等于纯水的浓度55.55摩尔/升),故在任何一种稀溶液中H+离子和OH-离子的浓度关系都服从水的离子积常数公式,[H+][OH-]=10-14。通过Kw,已知H+离子(或OH-离子)的浓度,就可计算出OH-离子(或H+离子)的浓度。
【中和滴定】又称酸碱滴定。利用已知浓度的酸(或碱),通过滴定来测定未知浓度的碱(或酸)。进行中和滴定时,酸、碱的浓度一般都用摩尔浓度表示。
中和滴定的操作步骤是:
(1)做好滴定前的准备工作
①洗净滴定管;
②检查滴定管是否漏水;
③往滴定管里装标准溶液,将液面调至“0”刻度。
(2)滴定。以已知浓度的盐酸测定氢氧化钠浴液浓度为例。
①用移液管量取25毫升待测氢氧化钠溶液放入锥形瓶里,滴入几滴甲基橙指示剂。振荡锥形瓶使溶液充分混合,这时溶液呈黄色。
②把锥形瓶放在酸式滴定管的下面,瓶下垫一白瓷板或一张白纸。右手拿住锥形瓶,左手小心地旋转酸滴定管的旋塞使酸滴下,边滴边摇动锥形瓶(向一个方向作圆周转动),直到加入一滴酸后溶液颜色从黄色变为橙色,静置半分钟颜色不再变化,这就表示已到达滴定终点。
③读取滴定管液面所在刻度的数值,记录。
④将锥形瓶里的溶液倒掉,用自来水冲洗干净最后用蒸馏水淋洗一次。按上述滴定方法重复两次,记录每次滴定所用酸液的体积数。
⑤求出三次滴定数据的平均值,用以计算待测氢氧化钠溶液的摩尔浓度。
如果是用已知浓度的氢氧化钠溶液测定盐酸的浓度,要先用移液管量取盐酸放入锥形瓶里,加入2滴酚酞指示剂。把氢氧化钠溶液注入碱式滴定管里进行滴定。滴定三次后用平均值计算出盐酸的摩尔浓度。
【定义】弱电解质在溶液中达电离平衡时,已电离的电解质分子数占原有电解质分子数的百分数称为该电解质的电离度,用α表示:
将公式中分子和分母中的“分子数”换成“物质的量”或“物质的量浓度”计算时更为方便。
【说明】
1、电离度的大小由电解质本身的性质及外界条件决定。对于同一种电解质,温度越高、溶液越稀电离度越大。在温度和浓度相同的条件下,可根据电离度的大小比较不同弱电解质的相对强弱——电离度大的电解质相对较强。电离度常用于弱酸、弱碱的pH值计算。
2、对于弱电解质来说,用相同温度和相同浓度的电解质的电离度数据可以量度和比较弱电解质的相对强弱。一般电离度都是在25C的值。
3、弱电解质的电离度和电离常数K可以通过下式换算:
k=Cα2 ÷(1-α)
式中C是溶液的浓度。如果电解质很弱,电离度α很小,则分母 1- α=1,上式可以简化为K=Cα2 ,可见,电离度随溶液的稀释而增大。这种变化规律叫做稀释定律,它不适用于强电解质;对于多元弱酸或多元弱碱,稀释定律只适用于它们的一级电离。
4、强电解质在稀溶液中完全电离(α =100%)。但是,由于离子浓度大,离子间距离小,强烈的静电作用限制离子的自由移动。再加上同性相斥,异性相吸,使正离子周围有很多负离子,在负离子的周围有很多正离子,使它们在通电时向电极方向移动的 速度要比无“牵挂”的离子小,所以实际测得的电离度并非100%。 这种小于100%的电离度叫做强电解质的表观电离度。它不能真正反映强电解质在溶液中的电离程度。
【定义】多数弱电解质为含有较弱极性键的共价化合物,溶解后,受到水分子的作用,只有部分分子发生电离;同时,电离出的阴阳离子在水中碰撞时,又能重新结合成分子。因此,弱电解质的电离是可逆的,在一定条件下,分子的电离和离子结合成分子的速度相等,称作电离平衡。
【说明】
1、在一般浓度下,弱电解质主要以分子形成存在于溶液中。注意,难溶的弱电解质溶于水的部分存在电离平衡,难溶的强电解质溶于水的部分全部电离,不存在电离平衡。影响电离平衡的因素除了溶质、溶剂的性质外,还有温度、浓度等外界条件。升温或加水稀释都能使电离平衡向正方向移动。
2、电离平衡跟其他化学平衡一样,也是动态平衡。到达平衡时,参与电离平衡的分子和各种离子的浓度都保持不变,但电离和重新结合都仍在进行。
3、这种平衡是有条件的,因而是暂时的、相对的。当条件改变时,原有的平衡将被破坏,逐渐向新条件下的平衡状态方向移动,最后达成新的平衡状态。例如,增大电解质分子的浓度,或减小相应离子的浓度,都会使平衡向电解质分子电离的方向移动; 反之,就会向离子重新结合成分子的方向移动。
4、电离一般伴随有热效应,所以改变温度会使电离平衡发生移动。
【盐类的水解】在溶液中,盐电离出的离子跟水电离出的H+或OH-生成弱电解质的反应。
说明:
1、盐类水解的必要条件是:必须能电离出弱酸根离子或弱碱阳离子。因此,强酸跟弱碱所生成的盐、强碱跟弱酸所生成的盐、弱碱跟弱酸所生成的盐都能水解,而强酸跟强碱所生成的盐不水解。酸越弱,越难电离,对应的酸根离子越易与H+结合成分子,因此酸根的水解越强烈;同理,碱越弱,对应的弱碱阳离子水解越强烈。综上所述,盐类水解的规律可概括为:遇“弱”水解,越“弱”水解越强烈。此外,弱酸跟弱碱所生成的盐,阴、阳离子均水解,二者互相促进,水解比较强烈。
2、盐类水解程度的大小主要由本身性质决定,同时受外界条件影响:①温度盐类的水解反应可看做是中和反应的逆反应,因此是吸热的,升温可促进水解。②浓度 加水稀释可促进水解。③溶液的pH值 盐类水解后,溶液多数显酸性或碱性,因此,加入酸、碱等可抑制或促进水解。④在溶液中,弱酸根离子和弱碱阳离子同时水解时,可互相促进。
3、盐类的水解对生产、生活、科研等有重要意义。例如:利用硫酸铝和碳酸氢钠的双水解,可生成二氧化碳,用做泡沫灭火剂;利用碳酸钠水解显碱性,用于洗涤油污(升温促进水解,热的纯碱溶液去污力更强);利用氯化铁溶液滴入沸水中制备氢氧化铁胶体……。盐类水解有时会带来危害,应加以抑制或防止。例如,草木灰(主要成分K2CO3)与铵盐不能混合使用,否则碳酸根离子与铵根离子的水解相互促进,生成氨气,使氮肥失效。再如,某些强酸弱碱盐溶于水时,由于水解使溶液浑浊,配制溶液时,应先将固体盐溶于少量相应的酸抑制水解,再加水稀释至所需浓度。
【酸碱指示剂】在pH值不同范围内显示不同颜色的物质。用于指示中和滴定的终点和测定溶液的pH值范围等。它们一般为有机弱酸或有机弱碱。常用指示剂有酚酞、石蕊、甲基橙等。指示剂变色原理如下(HIn表示有机弱酸):HInIn- + H+
HIn和In-颜色不同,当HIn的浓度大于In-的浓度10倍时,溶液显HIn的颜色,反之显In-的颜色,它们的浓度之比在0.1~10之间时,显二者的混合色。当溶液的pH值改变时,引起上述电离平衡的移动,可显示出不同颜色。指示剂显混合色的pH值范围,称为该种指示剂的变色范围。酚酞、石蕊、甲基橙在不同pH值范围内显示的颜色如下表:
中和滴定时,指示剂用量太多,不但颜色变化不明显,而且可能引起误差,一般在50ml溶液中加2~3滴即可。
【水溶液的pH值】用于表示水溶液酸碱度的数值。定义式为:pH=-lg[H+]
pH值越小,溶液酸性越强;pH值越大,溶液碱性越强。25℃时,pH值一般在0~14之间,pH值等于7时,溶液为中性。当H+的浓度大于1摩/升时,pH值为负数,一般不用pH值表示溶液的酸碱度,而直接用H+的浓度表示。
此外,OH-浓度的负对数,称为水的pOH值,有以下关系:pOH=-lg[OHˉ] ,25℃时:pH+pOH=14
pH值的测定和控制对生产、生活、科研有重要意义。粗略测定溶液的pH值用pH值试纸,精确测定溶液的pH值用pH计。
【胶体粒子】指胶体中的分散相微粒,又称胶粒。以液溶胶的胶体粒子为例分析,胶粒由胶核和吸附层组成,如在KI过量时形成的AgI胶体,AgI是胶核;胶核吸附了I-离子,I-离子叫电位离子,溶液中的反号离子K+有一部分进入吸附层,称反离子;还有一部分反离子疏散地分布在胶粒周围形成扩散层,见下图:
【水的软化】用人工的方法降低硬水的硬度的过程。
软化硬水的主要方法有:
(1)加热法,以除去暂时硬度。
(2)石灰纯碱法,用石灰降低碳酸盐的硬度,用纯碱降低非碳酸盐的硬度。
(3)离子交换法,用离子交换剂除去钙、镁离子。
在日本九州熊本县海边,有一个小镇,叫水俣镇。1953年,一位7岁的小女孩患了一种怪病,起初是口齿不清,步态不稳,后来麻痹抽筋,完全不能行动。医生们怎么也治不好这种怪病。连生病的原因也弄不清。惟一的线索是,3年前这个镇上曾出现过不少狂猫,症状也是行走不稳,老兜圈,有时麻痹抽筋,就像在跳独脚舞,它们痛苦万状,有的竞跳海自杀,由于这些原因.医生们就把这种病叫作“狂猫病”。
随着狂猫病患者的增多和死亡人数的增加,熊本大学凶科研人员加紧了对狂猫病病因的调查。他们注意到,人同病,是不是与吃色有关。经过分析.证实狂猫病果然是吃鱼引起的。进一步的调查、化验发现,水俣湾里的鱼身体里含有大量的能使动物和人中毒的甲基汞。
这么大量的甲基汞是怎么进入猫和人体的呢?调查发现,在水俣湾附近有一家生产氮肥的工厂,从它那里排出大量的含甲基汞的废水,污染了水俣湾;使生活在这一带海水中的鱼中毒。而人和猫吃了这种沉积了大量甲基汞有毒物质的鱼。就得了那种狂躁不安的怪病。到1974年,患者已达780多人,死亡200多人。从1997年开始,我国社会生活中又多了一件新鲜事,许多城市就像发布天气预报那样,在当地电视台、电台、报纸上公布一周来本城市的空气质量情况。从此,城市空气质量的好坏对于许多老百姓来说,不再是一个未知数了。
通过新闻媒介向全社会发布空气质量周报是国务院环境保护委员会1997年1月做出的决定,当时要求在全国46个环境保护重点城市发布空气质量周报。当年5月23日,南京市率先在当地新闻媒介上发布空气质量周报,紧接着,上海、武汉、沈阳……到1998年6月,46个城市全部推出了空气质量周报。这46个城市包括所有的直辖市、省会城市、经济特区城市以及一部分重点旅游城市。在物理学中我们学过,所有的带热物体都能以不同的波长放出不同能量的辐射。炽热的太阳发出波长较短的高能辐射,凉爽的地球表面发出波长较长的低能辐射。地球的大气层起着温室玻璃的作用,允许波长较短的太阳辐射穿过,抵达地球表面,但是却能够捕获波长较长的地球的红外辐射热,使地球保持着一种温暖的状态,这种现象被形象地称为“温室效应”。大气之所以起到温室效应的作用,是因为大气本身合有大量的温室气体,比如水蒸气、二氧化碳、甲烷等温室气体。是不是温室气体越多越好呢?当然不是。当温室气体过多时,会使地球的平均温度升高,全球气候会因此变暖。
【光化学烟雾】汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物和氮氧化物等一次污染物在阳光(紫外光)作用下会发生光化学反应生成二次污染物。参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混和物(其中有气体污染物,
也有气溶胶)所形成的烟雾污染现象,
称为光化学烟雾。光化学烟雾成分复杂, 对动物、植物和材料有害的主要是O3、PAN(过氧乙酰硝酸酯),
丙烯醛和甲醛等二次污染物。控制光化学烟雾首先要控制污染源,
主要有减少汽车排放的碳氢化合物、氮氧化物及一氧化碳等;此外,
炼油工业、加油站、焚烧炉等也是重要的排放源,
应该加以控制。 如果污染严重,空气中就会产生一种可怕的烟雾——光化学烟雾。
20世纪40年代,美国加利福尼亚州洛杉矶发生过一次严重的光化学烟雾。50年代以后,光化学烟雾事件在美国其他城市和世界各地相继出现,如日本、加拿大、前联邦德国、溴大利亚、荷兰等国的一些大城市都发生过。1974年,中国兰州的西固石油化工区也发生过光化学烟雾。近年来,一些乡村地区也出现光化学烟雾污染的迹象。日益严重的光化学烟雾问题,逐渐引起人们的重视。世界卫生组织和美国、日本等许多国家已经把臭氧和光化学氧化剂(臭氧、二氧化氮、过氧乙酰硝酸酯及其他能使碘化钾氧化成碘的氧化剂的总称)的水平作为判断大气环境质量的标准之一,并据以发布光化学烟雾的预警。
光化学烟雾是怎样产生的呢?
以城市为例,城市是一个人口、工业和交通聚集的地方。汽车尾气、工厂向大气中排放大量的碳氢化合物和氮氧化合物等一次污染物,并在紫外线的作用下发生光化学反应生成二次污染物。参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物混合起来形成一种烟雾,称为光化学烟雾。
光化学烟雾一般发生在大气湿度相对较低、气温为24—32度的夏季晴天,高峰出现在中午或稍后。城市和城郊的光化学烟雾通常要比乡村严重一些,但近几年来发现许多乡村地区光化学烟雾也非常严重,有的甚至超过城市。因此,光化学氧化剂的污染不只是城市问题,而且是区域性的污染问题。
光化学烟雾成分十分复杂,但是对动、植物和材料有害的是臭氧、过氧乙酰硝酸酯和丙醛、甲醛等二次污染物,这些物质都具有非常强烈的氧化性。
人和动物受到了光化学烟雾的伤害以后,眼睛和呼吸道粘膜就会受到强烈的刺激,引起眼睛红肿和喉炎,感觉头痛,呼吸困难。植物受臭氧的损害以后,开始表皮褪色,呈蜡质状,经过一段时间后,色素发生变化,叶片上出现红褐色斑点。PAN使叶子背面呈银友色或古铜色,影响植物的生长,降低植物对病虫害的抵抗力。
光化学烟雾是名副其实的“健康杀手”。
在高层大气中(高度范围约离地面15~24KM),由氧吸收太阳紫外线辐射而生成可观量的臭氧(O3)。光子首先将氧分子分解成氧原子,氧原子与氧分子反应生成臭氧:
O2→2O
O+O2→O3
O3和O2属于同素异形体,在通常的温度和压力条件下,两者都是气体。
当O3的浓度在大气中达到最大值时,就形成厚度约20KM的臭氧层。臭氧能吸收波长在220~330nm范围内的紫外光,从而防止这种高能紫外线对地球上生物的伤害。
过去人类的活动尚未达到平流层(海拔约30KM)的高度,而臭氧层主要分布在距地面20~25KM的大气层中,所以未受到重视。近年来不断测量的结果已证实臭氧层已经开始变薄,乃至出现空洞。1985年,发现南极上方出现了面积与美国大陆相近的臭氧层空洞,1989年又发现北极上空正在形成的另一个臭氧层空洞。此后发现空洞并非固定在一个区域内,而是每年在移动,且面积不断扩大。臭氧层变薄和出现空洞,就意味着有更多的紫外辐射线到达地面。紫外线对生物具有破坏性,对人的皮肤、眼睛,甚至免疫系统都会造成伤害,强烈的紫外线还会影响鱼虾类和其他水生生物的正常生存,乃至造成某些生物灭绝,会严重阻碍各种农作物和树木的正常生长,又会使由CO2量增加而导致的温室效应加剧。
人类活动产生的微量气体,如氮氧化物和氟氯烷等,对大气中臭氧的含量有很大的影响。引起臭氧层被破坏的原因有多种解释,其中公认的原因之一是氟里昂(氟氯甲烷类化合物)的大量使用。氟里昂被广泛应用于制冷系统、发泡剂、洗净剂、杀虫剂、除臭剂、头发喷雾剂等。氟里昂化学性质稳定,易挥发,不溶于水。但进入大气平流层后,受紫外线辐射而分解产生Cl原子,Cl原子则可引发破坏O3循环的反应:
Cl+O3→ClO+O2
ClO+O→ClO2
由第一个反应消耗掉的CI原子,在第二个反应中又重新产生,又可以和另外一个O3起反应,因此每一个CI原子能参与大量的破坏O3的反应,这两个反应加起来的总反应是:
O3+O→2O2
反应的最后结果是将O3转变为O2,而CI原子本身只作为催化剂,反复起分解O3的作用。O3就被来自氟里昂分子释放出的CI原子引发的反应而破坏。
另外,大型喷气机的尾气和核爆炸烟尘的释放高度均能达到平流层,其中含有各种可与O3作用的污染物,如NO和某些自由基等。人口的增长和氮肥的大量生产等也可以危害到臭氧层。在氮肥的生产中去向大气释放出各种氮的化合物,其中一部分可能是有害的氧化亚氮(N2O),它会引发下列反应:
N2O+O→N2+O2
N2+O2→2NO
NO+O3→NO2+O2
NO2+O→NO+O2
O3+O→2O2
NO按后两个反应式循环反应,使O3分解。
为了保护臭氧层免遭破坏,于1987年签定了蒙特利尔条约,即禁止使用氟氯烷和其他的卤代烃的国际公约。然而,臭氧层变薄的速度仍在加快。不论是南极地区上空,还是北半球的中纬度地区上空,O3含量都呈下降趋势。与此同时,关于臭氧层破坏机制的争论也很激烈。例如大气的连续运动性质使人们难以确定臭氧含量的变化究竟是由动态涨落引起的,还是由化学物质破坏引起的,这是争论的焦点之一。由于提出不同观点的科学家在各自所在的地区对大气臭氧进行的观测是局部和有限的,因此建立一个全球范围的臭氧浓度和紫外线强度的监测网络,可能是十分必要的。
联合国环境计划署对臭氧消耗所引起的环境效应进行了估计,认为臭氧每减少1%,具有生理破坏力的紫外线将增加13%,因此,臭氧的减少对动植物尤其是人类生存的危害是公认的事实。保护臭氧层须依靠国际大合作,并采取各种积极、有效的对策。
1968年3月,在日本的九州、四国等地,几十万只鸡在短时间内突然死亡。经化验.死因是饲料中有一种污染物——多氯联苯。当人们还没有搞清楚是怎么回事的时候,在北九州、爱知县等地有许多人同时患上了一种怪病。患病者起初是眼皮发肿,手心出汗,全身起皮疹疙瘩,以后又感觉全身倦怠,皮肤变黑,严重的患病者肝脏萎缩、四肢麻木、胃肠道功能紊乱等。过了几个月,患者越来越多,超过了5000人,其中16人死亡。轻度患者达13000人。
人们随意抛弃在自然界中的白色废旧塑料包装制品(袋、薄膜、农膜、餐盒、饮料瓶、包装填充物等),飘挂在树上、散落在路边、草坪、街头、水面、农田及住地周围等处的这种随处可见的污染环境现象,称为“白色污染”。
重金属及其化合物的数目很多,有一些微量元素为各种生物所必需,其中锰、铁、钴、铜、锌、铂等六种是一切生命所必需的。但如果环境受到污染,使它们缺乏或过多,就会引起人体发生疾患。一般来讲,原子量在50以上的金属或两性元素,即在周期表中钒后的这类元素均被视为重金属,总数约有六十个。重金属广泛分布于大气圈、岩石圈、生物圈和水圈中。在正常情况下,其自然本底浓度难以达到有害的程度。但大规模的工业生产和排污以及大范围地施用农药,把金属翻弄出来,污染了环境几十年来造成了不少悲剧。危害最大的重金属要属汞、镉、铅、砷4种.
1955年,在日本富山县医院里。一位病人入院已经有几个月了,初期腰、背、膝关节疼痛,随后全身骨骼没有一个地方不痛的,医生们一次又一次会诊,没有—个人能说出这是什么病,因为他们谁也没见过这种病.查遍世界各国的医书,也找不到关于这种病的记载,因为病人老喊“痛”,就叫做“痛痛病”。医生们试着用了一些止痛药,可那只是隔靴搔痒,无济于事。病人痛得无法行动,甚至连呼吸都困难,只得乱喊乱叫。医生们束手无策。
我们有时候从海面或者湖面上看到红、白、黄、褐色的各种各样的如彩带一般的水草样的东西在飘荡,其实这些所谓的“水草”不是水草,而是一种名字叫做“赤潮”的自然现象,这种东西有时候也91做“红潮”、“红祸”。之所以把它P1做赤潮是由于在这些颜色当中,远远望去红色是最显眼的。
多诺拉镇位于美国宾夕法尼亚州;它地处孟农加希拉河一个马蹄形河谷中,两岸百米以上的高山耸立,盆地中央大型炼铁厂、炼锌厂和硫酸厂鳞次栉比,14000多人居住在这里,平常虽不免受到烟熏雾罩,但还未发现受到明显的损害。
大气中的化学物质随降雨到达地面后会对地表的物质平衡产生各种影响。降雨的酸化程度通常用pH值表示,pH值就是氢离子浓度的负对数,即pH=-lg[H+]。
正常雨水偏酸性,pH值约为6~7,这是由于大气中的CO2溶于雨水中,形成部分电离的碳酸:
CO2(g)+H2OH2CO3
H++HCO3-
而水的微弱酸性可使土壤的养分溶解,供生物吸收,这是有利于人类环境的。酸雨通常是指pH小于5.6的降水,是大气污染现象之一。首先用酸雨这个名词的人是英国化学家史密斯。1852年,他发现在工业化城市曼彻斯特上空的烟尘污染与雨水的酸性有一定关系,报导过该地区的雨水呈酸性,并于1872年编著的科学著作中首先采用了“酸雨”这一术语。
酸雨的形成是一个复杂的大气化学和大气物理过程,主要是由废气中的SOx和NOx造成的。汽油和柴油都有含硫化合物,燃烧时排放出SO2,金属硫化物矿在冶炼过程也要释放出大量SO2。这些SO2通过气相或液相的氧化反应产生硫酸,其化学反应过程可表示为:
气相反应:2SO2+O22SO3
SO3+H2O→H2SO4
液相反应:SO2+H2O→H2SO3
2H2SO3+O22H2SO4
大气中的烟尘、O3等都是反应的催化剂,O3还是氧化剂。
燃烧过程产生的NO和空气中的O2化合为NO2,NO2遇水则生成硝酸和亚硝酸,其反应过程可表示为:
2NO+O2→2NO2
2NO2+H2O→HNO3+HNO2
酸雨对环境有多方面的危害:使水域和土壤酸化,损害农作物和林木生长,危害渔业生产(pH值小于48时,鱼类就会消失);腐蚀建筑物、工厂设备和文化古迹也危害人类健康。因此酸雨会破坏生态平衡,造成很大经济损失。此外,酸雨可随风飘移而降落到几千里外,导致大范围的公害。因此,酸雨已被公认为全球性的重大环境问题之一。
公害事件(publienuisanceevents):因环境污染造成的在短期内人群大量发病和死亡事件。
污水处理方法分类
基本方法 |
基本原理 |
单元技术 |
物理法 |
物理或机械的分离过程 |
过滤,沉淀,离心分离,上浮等 |
化学法 |
加入化学物质与污水中有害物质发生化学反应的转化过程 |
中和,氧化,还原,分解,混凝,化学沉淀等 |
物理化学法 |
物理化学的分离过程 |
气提,吹脱,吸附,萃取,离子交换,电解电渗析,反渗透等 |
生物法 |
微生物在污水中对有机物进行氧化,分解的新陈代谢过程 |
活性污泥,生物滤池,生物转盘,氧化塘,厌气消化等 |
常用处理废水的化学方法
方法 |
原理 |
设备及材料 |
处理对象 |
混凝 |
向胶状浑浊液中投加电解质,凝聚水中胶状物质,使之和水分开 |
混凝剂有硫酸铝,明矾,聚合氯化铝,硫酸亚铁,三氯化铁等 |
含油废水,染色废水,煤气站废水,洗毛废水等 |
中和 |
酸碱中和,pH达中性 |
石灰,石灰石,白云石等中和酸性废水,CO2中和碱性废水 |
硫酸厂废水用石灰中和,印染废水等 |
氧化还原 |
投加氧化(或还原)剂,将废水中物质氧化(或还原)为无害物质 |
氧化剂有空气(O2),漂白粉,氯气,臭氧等 |
含酚,氰化物,硫铬,汞废水,印染,医院废水等 |
电解 |
在废水中插入电极板,通电后,废水中带电离子变为中性原子 |
电源,电极板等 |
含铬含氰(电镀)废水,毛纺废水 |
萃取 |
将不溶于水的溶剂投入废水中,使废水中的溶质溶于此溶剂中,然后利用溶剂与水的相对密度差,将溶剂分离出来 |
萃取剂:醋酸丁酯,苯,N—503等设备有脉冲筛板塔,离心萃取机等 |
含酚废水等 |
吸附(包含离子交换) |
将废水通过固体吸附剂,使废水中溶解的有机或无机物吸附在吸附剂上,通过的废水得到处理 |
吸附剂有活性炭,煤渣,土壤等 吸附塔,再生装置 |
染色、颜料废水,还可吸附酚,汞,铬,氰以及除色,臭,味等用于深度处理 |
【定义】含Ca2+ 和Mg2+ 较多的水叫硬水。溶有少量或不含Ca2+ 、Mg2+ 的水,称为软水。水中含有Ca2+ 、Mg2+ 多少的程度,叫做水的硬度,它有一种规定的标准。通常把1升水里含有10毫克CaO(或相当于10毫克CaO)称为1度(以1°表示)。水的硬度在8°以下的称为软水,在8°以上的称为硬水。硬度大于30°的是最硬水。
【说明】
1.水中的Ca2+ 和Mg2+ 主要以酸式碳酸盐形式存在,这种硬水称为暂时硬水。当暂时硬水煮沸时,碳酸氢盐分解变成不溶性的碳酸钙和碳酸镁而除去,煮沸时间延长,碳酸镁发生水解,变成更难溶的氢氧化镁。这样,水里溶解的Ca2+ 、Mg2+ 相当一部分就以沉淀析出,从而使水的硬度降低,使硬水得以软化。
Ca(HCO3)2CaCO3↓+CO2↑+H2O
Mg(HCO3)2MgCO3↓+CO2↑+H2O
当继续加热煮沸时,少量溶于水的碳酸镁发生水解,生成更难溶的氢氧化镁:
MgCO3+H2O Mg(OH)2↓+CO2↑
2. 水中的Ca2+ 和Mg2+ 主要是以硫酸盐、硝酸盐和氯化物的形式存在,这种硬水叫做永久硬水。永久硬水煮沸时,Ca2+ 和Mg2+ 不会变成沉淀而除去。永久硬度不能用加热的方法软化。
3.天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度,因此水的硬度是泛指这两种硬度的总和。高硬度的水对生活和生产都有危害。它不适宜饮用,因为容易引起肠胃不舒适,还能诱发疾病;它也不利于洗涤,因为硬水中的Ca2+ 和Mg2+ 会跟肥皂中的硬脂酸钠作用,生成硬脂酸钙和硬脂酸镁沉淀,降低肥皂的去污能力,会造成肥皂的浪费,并使衣物丧失鲜艳的色泽。硬水用作锅炉用水,会生成水垢,附着在锅炉的受热面上,阻碍传热,多耗燃料,甚至局部过热,损毁锅炉,引起爆炸。因此锅炉用水一定要先将硬水软化。使硬水软化的方法是离子交换法(用磺化煤和离子交换树脂)。
通常把少含或不含Ca2+、Mg2+的水叫软水。
【定义】溶解(或称分散)于溶剂中的物质叫做溶质。
【说明】
溶质一般以分子、原子或离子形态均匀地分布于溶剂中。溶质微粒(如糖水中的蔗糖分子,氯化钠溶液中的氯离子和钠离子、 碘酒中的碘分子)的直径一般小于1 nm。
【定义】 能溶解其他物质的物质叫溶剂(旧名溶媒)。
【说明】
1、应用最广的溶剂是水。
2、溶剂分极性溶剂(高介电常数)和非极性溶剂(低介电常数)两类。最典型的极性溶剂是水,非极性溶剂如烃类。芳香烃(如苯)的溶解能力强于脂肪烃(如汽油)。
3、很多有机物[也作为溶剂使用,常称为有机溶剂,如醇、酯、醚、 酮和卤代烃。化学工业生产大量的有机溶剂,它们在涂料、塑料、 合成纤维、合成橡胶中有广泛的应用。
【定义】在一定条件下,未溶解的溶质和已溶解的溶质处于平衡状态,这样的状态叫做溶解平衡。
【说明】
1. 溶解平衡是动态平衡。一定条件下,在单位时间里溶质扩散到溶液里的分子(或离子)数等于回到固体表面的分子(或离子)数时(即溶解速度等于结晶速度),这种状态叫做溶解平衡。
处于溶解平衡状态的溶液叫做饱和溶液。
2. 溶解平衡是有条件的、暂时的和相对的。当条件改变时, 如温度升條,在饱和溶液中加人溶剂时,原有的溶解平衡就被破坏。
3. 溶解平衡又是相平衡。含有未溶解固体溶质的饱和溶液, 整个体系里存在固-液两相平衡。溶解平衡也可以是气-液或液-液两相平衡。
【定义】
1. 在一定温度下,某物质在100 g溶剂里达到饱和状态(或称溶解平衡)时所溶解的克数,叫做这种物质在这种溶剂里的溶解度。
2. 在一定温度和压强下,物质在一定量的溶剂中每解的最大 量,叫做这种物质在这种溶剂里的溶解度。
【说明】
1. 溶解度和溶解性
溶解性是一种物质在另一种物质中的溶解能力,通常用易溶、可溶、微溶、难溶或不溶等粗略的概念来表示。溶解度是衡量物质在溶剂里溶解性大小的尺度,是溶解性的定量表示。溶解度常用符号S表示。
2. 溶解度的单位用g/100 g H20表示。例如20°C,在100g 水里最多溶解36 g NaCl,则氯化钠在25°C的溶解度是 36 g/100 g H20,可表示为S(NaCl) = 36 g/100 g H20。实际上溶解度是没有单位的相对比值,按法定计量单位,可用质量分数表 示。例如在 20°C, S(NaCl) =0.36。
3. 溶解度也可以用饱和溶液的浓度表示。例如,氯化钾在 20的溶解度是4.627 mol/1000 gH2O(此浓度为质量摩尔浓 度),即表示20°C在1000g水中最多可溶解4. 627mol的氯化钾。难溶物质的溶解度也可以用物质的量浓度(摩尔浓度)表示。 例如在25"C,氢氧化铁的物质的量浓度是0. 45μmol/L,即表示 1 L氢氧化铁饱和溶液里含0. 45μmol氢氧化铁。
4. 气体的溶解度有两种表示方法。(1)在一定温度下,气体的压强(或是该气体的分压,不包括水蒸气的压强)在101 kPa下, 溶解在1体积水里达到饱和状态时溶解的气体的体积(将非标准状况时气体的体积换算成标准状况时的体积数),就是这种气体在水里的溶解度。例如在0°C,氮气的溶解度是0.024,與是指在 0°C,1体积水里最多能溶解0.024体积的氮气。(2)在一定温度 下,气体的总压强是101 kPa (气体的分压加上当时水蒸气的压 强)时该气体在100 g水里溶解的克数。这种表示方法跟固体溶解度的通常表示方法一致。
5. 溶解度的大小踉溶质和溶剂的性质有关,还跟外界条件有关。多数固体物质的溶解度随温度的上升而增大,如氯化铵、硝酸钾。少数物质的溶解度受温度变化的影响很小,如氯化钠。含有 结晶水的硫酸钠(Na2S04 • 10H2O)的溶解度开始随温度的升高而增大,当达到一定温度(32.4°C)时,随温度的升高而减小(这时Na2S04•10H20脱水成Na2S04)。含有结晶水的氢氧化钙 [Ca(OH)2•2H2O]和醋酸钙[Ca(CH3COO)2•2H2O]等物质的溶解度随温度的升高而减小。
气体的溶解度随温度的升高而减小,随压强的增大而增大。
【定义】物质在另一种物质中的溶解能力,叫做这种物质的溶解性。
【说明】
1. 物质的溶解性跟溶质和溶剂的本性有关。人们曾根据经验总结出“相似者相溶”的规则来描述物质的溶解规律。例如,食盐易溶于水而难溶于汽油,油脂难溶于水而易溶于汽油。
目前发现,这个规则不能概括许多事例。例如,甲醇和苯、水 和二甲基甲酰胺、苯胺和二乙基醚、聚苯乙烯和氯仿等组物质,虽 然它们的分子结构不相似,但在室温下都能互相混溶。又如,聚乙烯醇不溶于乙醇,醋酸纤维不溶于乙酸乙酯,聚丙烯腈不溶于丙烯腈,四氯化锡在苯中比在四氯化碳中更易溶解等。因此,人们根据分子的极性来估计物质的溶解性。这就是非极性溶质易溶于非极性溶剂,极性溶质易溶于极性溶剂;而非极性溶质较难溶解在极性溶剂中,极性溶质较难溶解在非极性溶剂中。
2. 溶解性通常用易溶、可溶、微溶、难溶或不溶等粗略概念表示。
通常把在室温(20°C)下溶解度大于10 g/100 g H20的物质 叫做易溶物质,溶解度在1-10 g/100 g H20之间的物质叫做可溶物质,溶解度在0. 01-1 g/100 g H2O之间的物质叫做微溶物质,溶解度在0.01 g/100 g H2O以下的物质叫做难溶物质。
3. 习惯上把难溶物质又叫做不溶物质。例如在20°C,碳酸钙的溶解度是0. 0013g/100g H20,它属于不溶物质。实际上溶解是绝对的,不溶解是相对的,绝对不溶解的物质是不存在的。
【定义】在一定温度和压强下,溶剂中所溶解的溶质已达到最大值,这种溶液叫故这种溶质在该溶剂中的饱和溶液。
【说明】
1. 在饱和溶液里,溶质的溶解速度等于溶质的结晶速度,溶液处于动态平衡状态。
2. 在一定温度和压强下,溶剂中溶解的溶质未达到最大值, 这种溶液叫做不饱和溶液。
3.各种物质的溶解性不同,在一定温度下,不同的溶质在溶剂中形成的饱和溶液,浓度差别很大。例如在20°C, 100 g水中最 多溶解0. 15 mg氯化银,虽然它是很稀的溶液,可这是氯化银的饱和溶液。同样在20°C, 100 g水中溶解140 g碘化钾,这时溶液的浓度是58. 3%,巳属于浓溶液了,但它还没有达到饱和[在 20°C,S(KI)=144g/100gH20]。因此,饱和溶液不一定是浓溶液,稀溶液不一定是不饱和溶液。
【定义】一种物质在两种互不相溶的液相中都能溶解,当建立平衡后,该物质在两种液相中的浓度比是常数,这就是分配定律。 该常数叫做分配系数。
【说明】
1. 分配系数K实际上是物质在各相中建立平衡后的平衡常数。例如碘在水和二硫化碳中的分配:
I2(在H2O相中)I2(在CS2相中)
碘在该体系中的平衡常数是
【定义】难挥发的非电解质稀溶液的性质(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)跟溶入一定量溶剂中溶质的物质的量成正比,而跟溶质的本性无关。这种性质叫做稀溶液的依数性。
【说明】
1. 稀溶液的这些性质仅仅依赖于溶质的粒子数目的多少,而跟溶质的本性无关。
2. 在一定温度下,稀溶液的蒸气压下降是跟溶入这溶剂中溶质的物质的量分数成正比,而跟溶入溶质的性质无关。它的数学表达式是 ,
P0(剂)—p= △p=P0(剂) • X(剂)
其中P0(剂)是纯溶剂的蒸气压,P是溶液的蒸气压,△p液蒸气压下降,X(质)是溶质的物质的量占溶液物质的量的分数。
3. 溶有难挥发非电解质的稀溶液的沸点升高度数跟溶液的质量摩尔浓度成正比。它的数学表达式是
△tb=Kb• mB 式中tg是纯溶剂的沸点,△tb是沸点升高,Kb是溶剂的沸点上升常数(只跟溶剂有关),mb是溶液的质量摩尔浓度。
4. 溶有难挥发非电解质的稀溶液的凝固点下降度数跟溶液 的质量摩尔浓度成正比。其数学表达式是
△tf= Kt • mB
式中△tf是凝固点下降度数(纯溶剂凝固点和溶液凝固点的差), Kt是溶剂的凝固点下降常数(只跟溶剂有关),mB是溶液的质量摩尔浓度。
5. 稀溶液的渗运压跟溶液的浓度、绝对温度成正比,而跟溶质的本性无关。它的数学表示式是
πV=nRT
式中π是溶液的渗透压,V是溶液的体积,R是通用气体常数,T 是热力学温度,n是溶液中溶人洁质的物质的量。
6. 稀溶液的依数性有广泛的应用,例如,由测定物质的冰点下降和沸点上升来推断物质的分子量,由测定渗透压推断蛋白质、 血红素等大分子物质的分子量,利用凝固点下降制作防冻剂和致
冷剂,在生物和医学上制作等渗溶液(0.9%的生理盐水)。
【定义】悬浮在液体或气体中的微粒所作的永不停止的无规则运动,叫做布朗运动。
【说明】
1. 在1827年,英国植物学家布朗(Robert Brown, 1773一 1858)用显微镜观察悬浮在水里的花粉,发现花粉小颗粒作不停的、无规则运动。这种运动因为布朗首先发现而命名为布朗运动。
2. 直径在1μm或l-100nm的微粒(称胶粒、布朗微粒) 在水中都能发生布朗运动。微粒愈小、温度愈高,布朗运动愈激烈。发生布朗运动的原因是,布朗微粒或胶粒受到来自各方面的溶剤水分子(气体或液体分子)的不平衡撞击,从而引起不停止的、无规则的运动。目前已可以用超显微镜观察胶体粒子的布朗运动。
3. 布朗运动间接显示物质分子处于永恒的热运动中。不少科学家研究胶体,1930年爱因斯坦根据布朗运动导出粒子的半径与平均位移的关系,测得阿佛加德罗常数是6.08×1023,跟用其他方法测得的数据很接近,终于使分子运动论得到验证而被公认。
【定义】在滴定实验中用来确定反应达到计量点时的滴定终止点,叫做滴定终点。
【说明】
1. 酸碱中和滴定是否达到计量点,通常用酸碱指示剂的颜色变化或被测溶液的某种特性(如电导、电势等)的改变来表示滴定终丨I、
2.计量点和滴定终点一般很难恰好符合。为此,必须根据指示剂的变色范围,选择适当的指示剂,使它反映的滴定终点尽可能接近计量点。例如,用盐酸滴定氨水,可选用甲基橙作指示剂(变色剂
范围3.2-4. 4),当甲基橙由橙黄色变成橙红色时,表示已达到滴定终点。当然也可以用仪表读数(如pH计)来确定滴定终点。
【定义】在滴定实验操作中,当加人的标准溶液与被测物质反应完全,两者的物质的正好符合滴定反应所表示的化学计量关系时,这一点称为化学计量点,简称计量点。相当于俗称的等当点。
【说明】
1.运用定义,可以用一般的摩尔比来计算。例如,在滴定反 应aA+ AB=cC+dD中,根据反应时的计量关系,可以求得:
A的物质的量=(a/b)×B的物质的量,或Ma ×VA=(a/b)×MB ×Vb,上式中Ma、Mb分别是物质A和B的摩尔浓度。
2. 在酸碱滴定中,到达计量点溶液不一定都是中性的,要看中和成盐的性质。强酸、强碱中和滴定,到计量点时溶液呈中性。强碱滴定弱酸(或强酸滴定弱碱),因生成的盐要水解,在计量点吋溶液呈碱性(或呈酸性)。
【定义】在水溶液中,有些盐类的离子跟水电离出来的H+或 OH-结合,生成弱电解质,使溶液呈现碱性或酸性,这种现象叫做盐的水解。
【说明】
1. 盐类水解的原因是盐的组成中含有弱酸的酸根离子或弱碱的金属离子(包括NH4+)。当这些离子遇到水里的H+或OH-结合而生成弱酸或弱碱时,会破坏水的电离平衡,使溶液呈现碱性或酸性。强酸强碱盐不发生水解。盐类水解的程度主要取决于盐类本身的性质,它的弱酸或弱碱性越弱,盐类水解程度越大。
2. 水解平衡跟电离平衡相似,也随温度和浓度的变化而移动。水解反应是中和反应的逆反应。中和反应放热,水解必然吸热,因此升高温度能促进盐类水解。另外,如果水解后的溶液呈酸性,那么加酸能抑止水解,加碱能促进水解。所以,配制氯化铝、氯化铁、氯化亚锡溶液时,要预先在水中加入适量的盐酸,以抑制盐类的水解。
3.弱酸弱碱盐水解后浓液的酸碱性取决于生成弱酸、弱碱的相对强弱,弱酸(或弱碱)的电离常数较大,溶液呈酸性(或碱性),如果两者的电离常数相等,则溶液显中性。
4.多元弱酸盐的水解像多元弱酸的电离一样,是分步发生的,但第一步水解程度比第二步大得多。
【定义】盐类的水解常数就是水解平衡中的平衡常数,常用符 Kh表示。例如,醋酸钠的水解平衡是Ac-+H2OHAc+OH- 。它的水解常数是
Kh=([HAc][OH-])÷[Ac-]==([HAc][OH-][H+])÷([Ac-][H+])=Kw÷Ka(HAc)
式中Ka(HAc)是醋酸的电离常数。
【说明】
1. 强酸、强碱生成的盐不水解,没有水解常数。多元酸或多元碱的盐,每一级水解都打一个水解常数。
2. 盐的水解常数在手册中不易査到,可以参照下表计算得到。
【焙烧】在空气流中加热矿物或其他固体物料时有氧气参与反应的高温化学过程。通常是指高温处理金属硫化物矿使其转化为金属氧化物和含硫气体的操作。如焙烧黄铁矿得到氧化铁和二氧化硫。
【煅烧】一般是指在不熔化和氧不参与反应的条件下将物料加热到高温, 使其中的水合物、碳酸盐或其他化合物发生分解并排出挥发物的过程。如煅烧石灰石时, CaCO3分解, 放出二氧化碳, 生成生石灰。
【表观电离度】系指通过实验测得的强电解质的电离度。强电解质的电离度和弱电解质的电离度的意义不同,强电解质的电离度反映了溶液中离子间相互牵制作用的强弱程度。
【溶度积规则】用溶度积概念判断在一定条件下, 某难溶电解质在溶液中沉淀能否生成或溶解的规则。在某难溶电解质溶液中, 其离子浓度的乘积称为离子积, 用Qi表示。在给定的溶液中Qi可能有三种情况:
(1)Qi=Ksp是饱和溶液
(2)Qi<Ksp是不饱和溶液, 无沉淀析出, 若体系中已有固体存在, 沉淀会溶解, 直至饱和(Qi=Ksp)为止。
(3)Qi>Ksp是过饱和溶液, 有沉淀析出, 直至饱和。
以上就是溶度积规则。溶度积规则有一定的局限性, 如形成的难溶固体很少(少于每毫升10-5 克),
或形成过饱和溶液以及产生副反应时, 虽然Qi已大于Ksp,
也观察不到沉淀的生成。
【路易斯酸碱理论】又称酸碱电子理论。1923年由美国化学家路易斯(G.N.LEWIS)提出。其要点是:凡是可以接受电子对的物质称为酸, 凡是可以给出电子对的物质称为碱。故酸又称为电子对接受体, 碱又称电子对给予体。按照路易斯的观点, 酸碱反应的实质是配位键的形成并生成酸碱络合物。例如:
路易斯酸、碱的范围非常广泛, 酸碱络合物包含很多类物质。凡是金属离子及氢离子都是酸, 与路易斯酸结合的物质不管是阴离子或中性分子都是碱。所以大多数无机化合物都可看成是酸碱络合物, 许多有机化合物也是如此。酸碱电子理论以电子对的授受来说明酸碱反应, 更能体现物质的本质属性。但由于对酸碱的认识过于笼统, 没有统一的酸碱强度的标准, 因而有一定的局限性。
【软酸】路易斯酸中具有体积大、正电荷少、易极化、易失去电子、易形成共价性较强的键的物质。如Cu+ 、Ag+ 、Hg22- 、Cd2+ 等属于软酸。软酸易与软碱生成稳定的络合物, 软酸不易与硬碱生成络合物, 或生成的络合物不稳定。
【软碱】路易斯碱中, 具有电负性小、易失去电子、其低能轨道不饱和、易形成共价性较强的键的物质, 如I- 、CN- 、S2O32- 等属于软碱。软碱易与软酸生成稳定的络合物, 软碱与硬酸不易生成络合物, 或生成的络合物不稳定。
【硬酸】路易斯酸中具有体积小、正电荷多、不易失去电子、不易极化、易形成离子性较强的键的物质, 如Li+ 、Na+ 、Ca2+ 、Mg2+ 、Fe3+ 等属于硬酸。硬酸易与硬碱生成稳定络合物, 硬酸与软碱不易生成络合物, 或生成的络合物不稳定。
【硬碱】路易斯碱中具有电负性大、不易极化、不易失去电子, 而且低能轨道已饱和、易形成离子性较强的键的物质, 如H2O、Cl- 、OH- 等属于硬碱。硬碱易与硬酸生成稳定的络合物, 硬碱与软酸不易生成络合物或生成的络合物不稳定。