1.1 分散系1.2  溶液浓度的表示方法1.3 稀溶液的通性 1.4 胶体溶液 1.5 高分子溶液和乳浊液

第一章 溶液和胶体 (Solution and Colloids)

学习要求

1. 了解分散系的分类及主要特征。 2. 掌握稀溶液的通性及其应用。 3. 熟悉胶体的基本概念、结构及其性质等。 4. 了解高分子溶液、表面活性物质、乳浊液 的基本概念和特征。

溶液（ solution ） : 凡是由一种或多种物质分散在另

一种物质中所形成的混合体系。

分散质 (dispersion phase)

分散系 分散剂 (dispersion medium)

分散质和分散剂可以是固体、液体或气体。

1.1 分散系

表 1-1 按聚集状态分类的各种分散系

分 散 质 分 散 剂 实 例  气 气 空气、家用煤气 液 气 云、雾 固 气 烟、灰尘 气 液 泡沫、汽水 液 液 牛奶、豆浆、农药乳浊液 固 液 泥浆、油漆、墨水 气 固 泡沫塑料、木炭、浮石 液 固 肉冻、硅胶、珍珠 固 固 红宝石、合金、有色玻璃

表 1-2 按分散质粒子大小分类的各种分散系 分散质 分散系类型 分散质 主要性质 粒子直径

<1nm 低分子或离子 小分子或离子 均相，稳定，扩散快 分散系 颗粒能透过半透膜

1-100 nm 胶体分散系： 高分子溶液 高分子 均相，稳定，扩散慢 颗粒不能透过半透膜 溶 胶 分子、离子、 多相，较稳定，扩散慢 原子的聚集体 颗粒不能透过半透膜

> 100nm 粗分散系： 分子的大集合体 多相 , 不稳定 , 扩散很慢 乳浊液 、 颗粒不能透过滤纸 悬浮液  

1.2       溶液浓度的表示方法

1.2.1 B 的物质的量浓度

CB — B 的物质的量浓度 ，单位为 mol·L-1 。

nB — 物质 B 的物质的量，单位为 mol 。 V — 混合物的体积，单位为 L 。

V

nc B

B

注意：使用物质的量单位 mol 时，要指明物 质的基本单元。

例： c(KMnO4)=0.10mol·L-1

c(1/5KMnO4)=0.10mol·L-1 的两个溶液。

两种溶液浓度数值相同，但是，它们所表示1 L 溶液中所含 KMnO4 的质量是不同的，前者15.8 克， 后者为 3.16 克。

1.2.2 溶质 B 的质量摩尔浓度

bB — 溶质 B 的质量摩尔浓度，单位为 mol·Kg-1 。

nB — 溶质 B 的物质的量，单位为 mol 。

mA — 溶剂的质量，单位为 kg 。

A

BB m

nb

1.2.3 B 的摩尔分数

nB—B 的物质的量， SI 单位为 mol ；

n — 混合物总的物质的量， SI 单位为 mol ； — SI 单位为 1 。

n

nBB

B

两组分的溶液系统 ：

溶质 B 的量分数 :

溶剂 A 的量分数 :

任何一个多组分系统，则

BA

BB nn

n

BA

AA nn

n

1BA

1 i

1.2.4 B 的质量分数

mB — 物质 B 的质量； m — 混合物的质量； — B 的质量分数， SI 单位为 1 。

m

mBB

B

例 1-1 求 (NaCl)=10% 的 NaCl 水溶液中溶质和溶剂的摩尔分数。

解：根据题意， 100g 溶液中含有 NaCl 10g ，水 90g 。 即 m(NaCl)=10g, 而m(H2O)=90g

因此

mol0.5mol18.0g

g90

O)H(

O)H(O)(H

mol17.0molg58

g10

NaCl)(

NaCl)(NaCl)(

1-2

22

1-

M

mn

M

mn

030.05.0)mol(0.17

mol17.0

)(H(NaCl)

NaCl)(NaCl)(

2

Onn

n

97.05.0)mol(0.17

mol0.5

)(H(NaCl)

O)H(O)H(

2

22

Onn

n

1.2.5 几种溶液浓度之间的关系

1. 物质的量浓度与质量分数

CB — 溶质 B 的量浓度 ; — 溶液的密度 ; — 溶质 B 的质量分数 ;

MB — 溶质 B 的摩尔质量。

B

B

B

B

B

B

B

BBB / MmM

m

mM

m

VM

m

V

nc

B

2．物质的量浓度与质量摩尔浓度

CB — 溶质 B 的量浓度 ;

— 溶液的密度 ;

m — 溶液的质量 ;

nB — 溶质 B 的物质的量。

m

nmn

V

nc

BBBB

B

A

BBB b

m

n

m

nc

BB bc

•若该系统是一个两组分系统，且 B 组分的含量较少，则溶液的质量 m 近似等于溶剂的质量 mA ，上式可近似成为：

若该溶液是稀的水溶液，则：

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，或称为依数性。

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）

1.3 稀溶液的通性

溶液有两大类性质：1 ）与溶液中溶质的本性有关：溶液的颜

色、比重、酸碱性和导电性等；2 ）与溶液中溶质的独立质点数有关：而

与溶质的本身性质无关：如溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压等。

1.3.1 溶液蒸气压的下降

饱和蒸气压（ saturated vapor pressure ） , 简称蒸气压 (po) ：

将一种纯液体（纯溶剂）置于一个密封容器中，当蒸发为气态的溶剂粒子数目与气态粒子凝聚成液态的溶剂粒子数目相等时，这时液体上方的蒸气所具有的压力 。

纯溶剂的表面少量地被加入非挥发性溶质粒子所占据，使溶剂的表面积相对减小，单位时间内逸出液面的溶剂分子数相对比纯溶剂要少。达到平衡时溶液的蒸气压就要比纯溶剂的饱和蒸气压低。

溶液蒸气压的下降的原因：

法国物理学家拉乌尔 (F ． M ． Roult) 在 1887 年总结出一条关于溶剂蒸气压的规律。

p =po×χA

P — 溶液的蒸气压，单位为 Pa ；

po — 溶剂的饱和蒸气压，单位为 Pa ；χA — 溶剂的摩尔分数。

由于 χA 十 χB ＝ l ，即 χA ＝ l 一 χB ， 所以 p = po× （ 1-χB ） =po-p o·χB

po-p = p o·χB

△ p = po-p = p o·χB

△ p — 溶液蒸气压的下降值，单位为 Pa ； B — 溶质的摩尔分数。结论 : 在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液 的蒸气压的下降值与溶质的摩尔分数成 正比。——拉乌尔定律

1.3.2 溶液沸点的升高和疑固点下降

Tb* 和 Tb 分别为纯溶剂和溶液

的沸点。

图 1—1 溶液的沸点升高凝固点降低示意图

溶液的沸点：当溶液的蒸气压等于外界大气压 )时溶液的温度。溶液沸点升高的原因：溶液蒸气压较纯溶剂低。某温度下，纯溶剂开始沸腾，而溶液因蒸气压低未能沸腾，需加热以增加溶液的蒸气压，直至达外界压力，溶液开始沸腾，此时溶液的温度势必大于纯溶剂的温度。

1. 溶液沸点的升高

△Tb = Kb×bB

△ Tb— 溶液沸点的变化值，单位为 K 或℃； bB— 溶质的质量摩尔浓度，单位为 mol·kg-1;

Kb— 溶液沸点上升常数，单位为 K·kg·mol-1 或 ℃·kg·mol-1, Kb只与溶剂的性质有关，而与溶 质的本性无关。不同的溶剂有不同的 Kb 值 。

表 1-3 几种溶剂的 Tb 和 Kb

溶液凝固点：固态纯溶剂和液态溶液呈平衡时的温度。

溶液凝固点下降原因： 溶剂的蒸气压下降使原来固态纯溶剂和液态溶剂共存的平衡受到破坏，固态纯溶剂需通过融化成液态溶剂来增加溶液的蒸气压，从而使体系重新达到平衡。在固相融化过程中，要吸收体系的热量，因此在新平衡点的温度就要比原平衡点温度低。

2 溶液的凝固点下降

△Tf ＝ Kf×bB

△ Tf — 溶液凝固点下降值，单位为 K 或℃； bB— 溶质的质量摩尔浓度，单位为 mo1·kg-1 ；

Kf — 溶液凝固点下降常数，单位为 K·kg·mol-1 或 ℃·kg·mol-1 。 Kb只与溶剂的性质有关，而

与 溶质的本性无关。

表 1-4 几种溶剂的 Tf 和 Kf 值

溶液沸点上升和凝固点下降都与加入的溶质的质量摩尔浓度成正比，而质量摩尔浓度又与溶质的相对分子质量有关。因此可以通过对溶液沸点上升和凝固点下降的测定来估算溶质的相对分子质量大小。

因溶液凝固点下降常数比沸点常数大，且溶液凝固点的测定也比沸点测定容易，故通常用测凝固点的方法来估算溶质的相对分子质量。

凝固点测定在低温下进行，被测样品组成与结构不会被破坏。故该方法常用于生物体液及易被破坏的样品体系中可溶性物质浓度的测定。

3 ．利用沸点和凝固点求摩尔质量

凝固点法来估算溶质的相对分子质量：

例 1-3 有一质量分数为 1.0% 的水溶液 ,测得其凝固 点为 273.05K．计算溶质的相对分子质量。 解： 根据公式：△ Tf=Kf×bB 则有

所以有

BA

Bff Mm

mKT

fA

BfB Tm

mKM

由于该溶液的浓度较小，所以 mA+mB≈mA ，

即 mB/mA≈1.0%

所以溶质的相对分子质量为 183

1-1

B kg.mol183.0273.05K-2.73.15K

1.0%ol1.83K.kg.m

M

植物的抗旱性和抗寒性与溶液蒸气压下降和凝固点下降规律有关：

当植物所处环境温度发生较大改变时，植物细胞中的有机体会产生大量可溶性碳水化合物来提高细胞液浓度，细胞液浓度越大，其凝固点下降越大，使细胞液能在较低的温度环境中不结冻，从而表现出一定的抗寒能力。

同样，由于细胞液浓度增加，细胞液蒸气压下降较大，使得细胞的水份蒸发减少，因此表现出植物的抗旱能力。

4 ．植物的抗旱性和抗寒性

1.3.3 溶液的渗透压

渗透 (osmosis) ：由物质粒子通过半透膜单向扩散 的现象。半透膜 (semipermeable membrane) ：在两个不同浓 度的溶液之间，存在一种能有选择地通过 或阻止某些粒子的物质。

渗透压 (osmosis pressure) ：为维持半透膜所隔开的 溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力。

即阻止渗透作用进行时所需加给的额外压力。

图 1-2 渗透压示意图

半透膜能阻止蔗糖分子向纯水一边扩散，却不能阻止水分子向蔗糖溶液的扩散。因单位体积内纯水中水分子比糖溶液中的水分子多，故进入溶液中的水比离开的水多，因而蔗糖溶液的液面升高。

原因：

П×V = nB×R×T即 П= cB×R×T

П— 溶液的渗透压，单位为 Pa ； cB— 溶液的浓度，单位为 mo1·L-1 ；

R— 气体常数，为 8.31kPa·L·mol-1·K-1 ； T— 体系的温度，单位为 K 。

稀溶液渗透压与 浓度、温度的关系：

渗透压法估算溶质的相对分子质量：

例 1-4 有一蛋白质的饱和水溶液，每升含有蛋白 质 5.18 克，已知在 298.15K 时 , 溶液的渗

透压 为 413Pa, 求此蛋白质的相对分子质量。解：根据公式 П=cB×R×T

1-1-13

BB g.mol30569

1LPa413

K15293KmolPa.L103148g185

.....

V

TRmM

即该蛋白质的相对分子质量为 30569 。

稀溶液的定理： 难挥发、非电解质稀溶液的某些性质 ( 蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压 ) 与一定量的溶剂中所含溶质的物质的量成正比，而与溶质的本性无关。注意：稀溶液的各项通性，不适用于浓溶液和电 解质。（为什么？）

将淡水鱼放人海水中由于其细胞液浓度较低，因而渗透压较小。它在海水中就会因细胞大量失去水分而死亡。

人体发高烧时，需要及时喝水或通过静脉注射与细胞液等渗的生理盐水和葡萄糖溶液以补充水分 。

反渗透 ：在渗透压较大的溶液一边加上比其渗透压还要大的压力，迫使溶剂从高浓度溶液处向低浓度处扩散，从而达到浓缩溶液的目的。

渗透压的应用

1.4 胶体溶液

溶胶 （如 Fe(OH)3 胶体和 As2S3 胶体等）

高分子溶液（淀粉溶液和蛋白质溶液等）

胶体分散系

1.4.1 分散度和表面吸附

1. 分散度分散系的分散度 (dispersion degree)常用比表面积(specific surface)来衡量。

s— 分散质的比表面积，单位是 m-1；S— 分散质的总表面积，单位是 m2；V— 分散质的体积，单位是 m3。

V

Ss

从中可知，单位体积的分散质表面积越大，即分散质的颗粒越小 ,则比表面积越大，因而体系的分散度越高。

而胶体的粒子大小处在 10-9-10-7m ，所以溶胶粒子的比表面积非常大，正是由于这个原因使溶胶具有某些特殊的性质。

处在物质表面的质点受力情况与处在物质内部质点所受力情况不相同。对于内部质点来说，由于同时受到各个方向并且大小相近的作用力，它所受到的总的作用力为零。而处在物质表面的质点，受到的来自各个方向的作用力的合力就不等于零。

2 ．表面吸附

物质表面的质点自身相对不稳定：物质表面的质点处在一种力不稳定状态，它有要减小自身所受作用力的趋势。

表面质点进入物质内部就要释放出部分能量，使其变得相对稳定。而内部质点要迁移到物质表面则就需要吸收能量，因而具有表面能。

表面能：表面质点比内部质点所多余的能量。

1.4.2 胶团的结构

例：稀 AgNO3 与过量的稀 KI 溶液反应制备 AgI 溶胶。

图 1-3 KI 过量时形成的 AgI 胶团结构示意图

AgI 胶团结构简式：

{ （ AgI)m · nI-· （ n-x ） K+}x-·xK+

胶核 电位离子 反离子 反离子

吸附层 扩散层

胶粒

胶团

氢氧化铁、三硫化二砷和硅胶的胶团结构式可表示如下 :

{(Fe(OH)3)m·nFeO+·(n-x)Cl-}x+·xCl-

{(As2S3)m·nHS-·(n-x)H+}x-·xH+

{(H2SiO3)m·nHSiO3-· （ n-x ） H+}X-·xH+

注意 : 在制备胶体时 , 一定要有稳定剂存在。 通常稳定剂就是在吸附层中的离子。

1.4.3 胶体溶液的性质

光学性质

溶胶的动力学性质

溶胶的电学性质

胶体溶液的性质

1. 光学性质

1869年，丁达尔 (Tyndall) 在研究胶体时，他将一束光线照射到透明的溶胶上，在与光线垂直方向上观察到一条发亮的光柱。这一现象称为丁达尔效应 (Tyndall effect) 。 由于丁达尔效应是胶体所特有的现象，因此，可以通过此效应来鉴别溶液与胶体。

产生原因：

光线照射到物体表面时，可能产生两种情况： （ 1 ）颗粒的直径远远大于入射光的波长，此时入射光被完全反射，不出现丁达尔效应；

（ 2 ）物质的颗粒直径比入射波长小的话，则发生光的散射作用而出现丁达尔现象。

因为溶胶的粒子直径在 1 一 100nm ，而一般可见光的波长范围在 400 一 760nm ，所以可见光通过溶胶时便产生明显的散射作用。

2. 溶胶的动力学性质

溶胶的布朗运动 ： 在超显微镜下看到溶胶的散射现象的同时，还

可以看到溶胶中的发光点并非是静止不动的，它们是在作无休止、无规则的运动。

3. 溶胶的电学性质

电泳 (electrophoresis) ： 在电场中，溶胶体系的溶胶粒子在分散剂中能发生定向迁移。

如 U形管中装入棕红色的氢氧化铁溶胶 结论：氢氧化铁溶胶粒子带正电。

溶胶粒子带电的主要原因 ：

（ 1 ）吸附作用：氢氧化铁溶胶，该溶胶是 FeCl3 溶液在沸水中水解而制成的。在整个水 解过程中，有大量的 FeO+存在，由于 Fe(OH)3

对 FeO+ 的吸附因而溶胶带正电。（ 2 ）电离作用 ：硅胶粒子带电就是因为 H2SiO3

电离形成 HSiO3- 或 SiO3

2- ，并附着在表面而带 负电。 H2SiO3 ＝ HsiO3

- + H+ ＝ SiO32- + 2H+

1.4.4 溶胶的稳定性和聚沉

1. 溶胶的稳定性

布朗运动

胶粒的双电层结构 溶胶的聚结稳定性 溶剂化膜

溶胶的稳定性

2. 溶胶的聚沉 聚沉 (coagulation) ：胶体分散系中的分散质从分 散剂中分离出来的过程。影响溶胶聚沉的因素主要有： （ 1 ）电解质对溶胶的聚沉作用 （ 2 ）溶胶的互聚

电解质对溶胶的聚沉作用

电解质的聚沉能力 ：用聚沉值的大小来表示。聚沉值 — 指一定时间内，使一定量的溶胶完全聚 沉所需要的电解质的最低浓度。电解质的聚沉值 ，聚沉能力 。电解质聚沉值 ，聚沉能力 。例： Fe(OH)3 正溶胶： 聚沉能力： K3[Fe(CN)6]>MgSO4>AlCl3

As2S3负溶胶： 聚沉能力： AlCl3>MgSO4>K3[Fe(CN)6]

带负电溶胶 ： 聚沉能力： Rb+ ＞ K+ ＞ Na+ ＞ Li+

结论 （ 1 ）与胶粒所带电荷相反的离子电荷越高， 对溶胶的聚沉作用就越大。 （ 2 ）随着离子半径的减小，离子的聚沉能 力减弱。

溶胶的互聚

两种带有相反电荷的溶胶按适当比例相互混合，溶胶同样会发生聚沉。例： 明矾净水作用。 天然水中胶态的悬浮物大多带负电，明矾在水中水解产生的 Al(OH)3 溶胶带正电，它们相互聚沉而使水净化。

1.5 高分子溶液和乳浊液

1.5.1 高分子溶液 1. 高分子溶液的特性（ 1 ）高分子溶液由于其溶质的颗粒大小与溶胶粒 子相近，属于胶体分散系，所以它表现出某 些溶胶的性质，例如，不能透过半透膜、扩 散速度慢等。（ 2 ）高分子溶液是一种热力学稳定体系。 （ 3 ）溶解的可逆性。（ 4 ）高分子溶液具有一定的抗电解质聚沉能力 。

2. 盐析 (salting out) 与溶胶聚沉：

（ 1 ）定义：通过加人大量电解质使高分子化合物聚沉的作用称为盐析。胶体分散系中的分散质从分散剂中分离出来的过程称为溶胶聚沉 。（ 2 ）盐析除中和高分子化合物所带的电荷外，更重要的是破坏其水化膜，需加大量电解质 ；溶胶聚沉只需加少量的电解质。

溶胶中加入适量的高分子化合物，就会提高溶胶对电解质的稳定性。

在溶胶中加入高分子，高分子化合物附着在胶粒表面，可以

1) 使疏水的胶粒变成亲水，提高胶粒溶解度；2) 在胶粒表面形成一个高分子保护膜，增强溶胶抗电解质

的能力。所以高分子化合物经常被用来作胶体的保护剂。

3. 高分子化合物对溶胶的保护作用

1.5.2 表面活性剂

表面活性剂性质： 当它被加入到某一物质中后， 能够显著降低其表面张力，从而使一些极性相差较大的物质也能相互均匀分散、稳定存在。表面活性剂的分子结构 ： 由极性基团 (亲水 ) （通常是一 OH 、一

COOH 、一 NH2 ， =NH 、一 NH3

+ 等基团构成）和非极性基团(疏水 ) （主要是由碳氢组成的长链或芳香基团所构成）两大部分构成。

乳浊液：分散质和分散剂均为液体的粗分散系。 乳浊液中被分散的液滴直径约在 0.1- 50μm 之间。 根据分散质与分散剂的不同性质分为两大类 :1)“油” (通常指有机物 )分散在水中所形成的体

系，以油／水型表示，如牛奶、豆浆、农药乳化剂等，

2) 水分散在“油”中形成的水／油型乳浊液，例如石油。

1.5.3 乳浊液

许多乳化剂都是表面活性物剂。因此，表面活性剂有时也称为乳化剂。可根据其亲和能力的差别分为亲水性乳化剂和亲油性乳化剂

* 常用的亲水性乳化剂有：钾肥皂、钠肥皂、蛋白质、动物胶等。

* 常用亲油性乳化剂有钙肥皂、高级醇类、高级酸类、石墨等。