第 8 章  溶液和胶体Chapter 1 　 Solution and Colloid

第一节     稀溶液的依数性Section 1 Colligative Properties of Dilute Solution第二节  胶体溶液Section 2 Colloidal Solution

内容提要 本章主要介绍溶液的浓度、非电解质稀溶液的依数性（即溶液的蒸汽压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压）及溶胶的性质、胶团结构、稳定性和聚沉。

第一节     稀溶液的依数性 (Colligative Properties of Dilute Solution)

一种物质以分子、原子或离子状态分散于另一种物质中所构成的均匀而又稳定的体系叫溶液。溶液分为气态溶液、液态溶液、固态溶液，通常不加说明的溶液是指液态溶液。 液态溶液按组成的溶质与溶剂的状态可分为三种类型：气态物质与液态物质组成的溶液，常把液态物质看成溶剂，气态物质看成溶质；固态物质与液态物质组成的溶液，常把液态物质看成溶剂，固态物质看成溶质； 液态物质与液态物质组成的溶液，常把含量较多的组分称为溶剂，含量较少的称为溶质。

溶液的某些性质与溶液中溶质的本性有关，例如溶液的颜色、密度、导电性、酸碱性等等； 另外一些性质则与溶液中溶质的独立质点数有关，而与溶质的本性无关，例如较稀溶液的蒸汽压、沸点、凝固点的变化和溶液渗透压的产生等，这类性质称为稀溶液的依数性。 当溶质是难挥发的非电解质所形成的稀溶液时，这种依数性就表现得更规律。 ( 本节只讨论难挥发非电解质稀溶液的依数性规律。 )

一、溶液的浓度

定量描述溶液的组成标度，即“浓度”，溶液的浓度可以用不同的方法来表示，常用的表示方法，质量摩尔浓度、物质的量浓度、质量分数和摩尔分数。

（一）质量摩尔浓度定义： 1000g （ 1kg ）溶剂 A 中所含溶质

B 的物质的量，称为溶质 B 的质量摩尔浓度。其数学表达式为： bB =

SI 单位为 mol·kg-1

A

B

mn

（二）物质的量浓度定义：溶液中溶质 B 的物质的量浓度是指溶质 B 的物质的量除以混合溶液的体积。用符号 c(B) 表示，即：

Vn

c B(B)

SI 单位为 mol·m-3 ；常用单位为 mol·L-1 。使用物质的量单位“ mol” 时，要指明物质的基本单元。例如， c （ H2SO4 ）＝ 0.10 mol·L-1 与 c （ 1/2H2SO4) ＝ 0.10 mol·L-1 表示的意义不同。

（三）质量分数定义：混合体系中，溶质 B 的质量与混合物的质量之比，称为溶质 B 的质量分数，其数学表达式为：

mm

w BB

例 1 － 1 如何将 25g NaCl 配制成 wNaCl 为 0.25 的食盐溶液？

由计算可知将 25g NaCl 溶在 75g 水中就可制得 NaCl 质量分数为 0.25 的溶液。

解：

（四）摩尔分数 定义：溶质 B 的物质的量与混合物总的物质的量之比，称为溶质 B 的摩尔分数，其数学表达式为

nn

x BB

对于一个两组分的溶液体系来说，溶质 B的物质的量分数 xB 与溶剂 A 的物质的量分数 xA 分别为：

若将这个关系推广到任何一个多组分体系中，则 　　　　。BA

BB nn

nx

BA

AA nn

nx

1BA xx

1B

B x

二、溶液的蒸气压下降 在一定温度下，任何纯溶剂都有一定的饱和蒸气压（ p* ），此时在溶剂表面上，溶剂蒸发为气态溶剂的速率与气态溶剂凝聚成液态的速率相等，即蒸发与凝聚达到动态平衡。如果在纯溶剂中加入一定量的非挥发性溶质，溶剂的蒸气压就会发生改变。

图 1 － 1 溶剂的转移 实验证明，在相同的温度下，当把难挥发的非电解质溶质加入溶剂形成溶液后，稀溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压低。

1887 年，法国物理学家拉乌尔（ Raoult ）提出：“在一定温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂摩尔分数的乘积”，这就是拉乌尔定律。 式中 p 为溶液的蒸气压， p* 为纯溶剂的蒸气压，

xA 为溶剂的摩尔分数。 A

*A xpp

因为：所以推出

拉乌尔定律也可以这样描述：“在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降值 Δp 和溶质 的 摩 尔 分 数 xB 成 正比”。

拉乌尔定律只适用于非电解质的稀溶液，在稀溶液中（ nA>>nB ） ： 若以水为溶剂，则 1000g 水中

A

B

BA

BB n

nnn

nx

51.5501.18

1000BB

A

BB

bbnn

x B

*A 51.55

Kbbpp B

式中， K 为蒸气压下降常数，它的大小只与溶剂本性有关。该式表明稀溶液的蒸气压下降与溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质的本性无关。

三、溶液的沸点上升和凝固点下降 （一）溶液的沸点上升沸点定义：溶液的沸点是指溶液的蒸气压等于外界压力（大气压）时的温度。沸点上升原因：由于难挥发非电解质溶液的蒸气压要比纯溶剂的蒸气压低，所以温度达到纯溶剂的沸点时，溶液不能沸腾。为了使溶液在此压力下沸腾，就必须使溶液温度升高，增加溶液的蒸气压。

图 1 － 2 稀溶液的沸点上升 溶液的沸点高于纯溶剂的沸点主要原因是由于溶液的蒸气压下降，因此溶液沸点升高值与溶液中溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质的本性无关。它的数学表达式为： ΔTb ＝ Kb·bB Kb 为溶剂沸点升高常数，单位为 K·kg·mol-1 。Kb 只与溶剂有关，与溶质无关，不同的溶剂有不同的 Kb 值，

表 1 － 1 常用溶剂的 K f 和 Kb 值

利用溶液的沸点上升，可以测定溶质的摩尔质量。在实验工作中利用沸点上升现象，使用较浓的盐溶液来做高温热浴。

溶剂 f.p./K K f /( K·kg·mol-1) b.p./K Kb /( K·kg·mol-1)

水苯环己烷乙酸氯仿萘樟脑对二氯代苯

273.0 1.86278.5 5.12279.5 20.20290.0 3.90209.6 4.68353.0 6.90451.0 40.00326.0 7.10

373.0 0.512353.15 2.53 354.0 2.79 391.0 2.93 333.19 3.82 491.0 5.80 481.0 5.95  

例 1 － 2 把 1.09g葡萄糖溶于 20g 水中所得溶液在101 325Pa 下沸点升高了 0.156K ，求葡萄糖的摩尔质量 M 。

（二）溶液的凝固点下降凝固点定义：常压下，纯溶剂的液相与其固相达成平衡时的温度称为该液体的正常凝固点，此时固相溶剂的蒸气压与液相溶剂的蒸气压相等。 凝固点下降原因：对于溶液，由于液态溶液的蒸气压下降，必须降低温度，才能使固相纯溶剂的蒸气压与溶液中溶剂的蒸气压相等，此时的温度就是溶液的凝固点，溶液的凝固点下降主要是由于溶液的蒸气压下降所导致的。

图 1 － 3 稀溶液的凝固点下降 难挥发非电解质稀溶液的凝固点下降 ΔTf 与溶液的质量摩尔浓度 bB 成正比，而与溶质的性质无关。它的数学表达式为：　　 ΔTf ＝ Kf·bB Kf 为溶剂凝固点下降常数，单位为 K·kg·mo

l-1 。 Kf 与 Kb 一样只与溶剂有关，而与溶质无关。

　　由于凝固点下降常数要比沸点升高常数大，因此通常用测凝固点下降的方法来测定溶质的摩尔质量。 例 1 － 3 把 0.322g萘溶于 80g苯中所得溶液的凝固点为 278.34K ，求萘的摩尔质量。

科学研究表明，植物的抗旱性和抗寒性与溶液蒸气压下降和凝固点下降有关。 当植物所处的环境温度发生较大改变时，植物细胞中的有机物的浓度就会增大。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冰，表现出一定的抗寒能力，如冬季麦苗不会被冻死等。由于细胞液浓度增加，细胞液的蒸气压下降较大，使得细胞的水分蒸发减少，因此表现出植物的抗旱能力，如夏季作物的抗旱能力等。

溶液凝固点降低的理论在实际中有很重要的应用。 冬天为防止汽车水箱冻裂，常在水箱中加入少量甘油或乙二醇，以降低水的凝固点。食盐和冰的混合物是常用的制冷剂，温度可降至 251K 。若用 CaCl2·2H2

O 和冰的混合物，温度可降至 218K 。因此，冰盐混合而成的冷冻剂，广泛应用在化学反应制冷、工农业生产制冷中。在冬季，建筑工人经常在水泥中加入食盐或氯化钙，也是利用这一原理。

四、溶液的渗透压 渗透现象：给缺水的植物浇上水，不久，植物茎叶挺立，这也是由于水渗入植物细胞内的结果。 渗透实验：一个连通器的中间，用一种只让溶剂分子通过，而不允许溶质分子通过的半透膜隔开，左边盛纯溶剂水，右边盛蔗糖溶液，使两边液面高度相等。经过一段时间后，我们会发现，右边的液面会逐渐升高，而左边液面逐渐下降，直到右边液面比左边液面高出一定的高度 h 为止。

溶剂分子从一个液相通过半透膜向另一个液相扩散的过程叫渗透。 达到了渗透平衡时，蔗糖水液面比纯水液面高出 h ，这段液面高度差所产生的压力称为该溶液的渗透压。 就渗透而言，溶剂分子总是从低浓度溶液向高浓度溶液扩散。如果在浓度高的溶液一端施加外压，当外加压力大于渗透压时，溶剂分子就会从高浓度的一端向低浓度溶液一端渗透，这一过程叫做反渗透。

1886 年荷兰物理学家范特荷甫（ Van’t Hoff ）总结得出：“稀溶液的渗透压与溶液的浓度和温度的关系同理想气体状态方程式一致”，即πV=nBRT 　 π=c(B)RT

式中， π是渗透压， V 是溶液体积， nB 是溶质物质的量（ mol ）， cB 是浓度， R 是气体常数， T 是绝对温度。从上面的式子可以看出，在一定条件下，难挥发非电解质稀溶液的渗透压与溶液中溶质的浓度成正比，而与溶质本性无关。 对于稀的水溶液，（ 1 － 11 ）式也可以表示为 π=bBRT

例 1 － 4 1L 溶液中含 5.0g马的血红素，在 298K 时测得溶液的渗透压为 1.82×102Pa ，求马的血红素的摩尔质量。

第二节  胶体溶液（ Colloidal 　 Solution ）一 、分散体系 一种或几种物质分散在另一种物质中所组成的体系叫做分散体系。其中被分散的物质叫做分散质，分散质存在的介质叫做分散剂。按照分散质颗粒大小不同，分散系可分为三类。

　　类型 颗粒大小（ nm ） 主 要 特 征粗分散体系（悬浊液和乳状液） ＞ 100 离子不能透过滤纸，不扩散，在一般显微镜下可以看见胶体分散系（溶胶、高分子溶液） 1 － 100 离子能透过滤纸，但不能透过半透膜，扩散速度慢，在普通显微镜下看不见，在超显微镜下可以分辨小分子或小离子分散系（真溶液） ＜ 1 离子能透过滤纸与半透膜，扩散速度快，无论普通显微镜还是超显微镜均能看不见。

根据分散体系中分散质和分散剂的聚集状态的不同，又将分散系分为九类 。分散质 分散剂 实例

气液固气液固气液固

气气气液液液固固固

混合气体，如空气云雾烟尘泡沫牛奶、豆浆泥浆、氢氧化铁溶液乳石、泡沫塑料珍珠、肉冻合金、有色玻璃

二 、 溶胶的性质 （一）溶胶的光学性质 将盛有溶胶的试管放在暗箱中，电灯的光从洞口投射到溶胶的粒子上，在与光路垂直的方向上可以看到一条发亮的光柱，这种现象叫丁达尔（ Tyndall ）现象。 丁达尔现象的本质是光的散射。溶胶中分散质的颗粒一般在 1nm － 100nm范围内，而可见光的波长为 400nm － 700nm ，颗粒小于入射光的波长时，便发生光的散射。

（二）溶胶的动力学性质 利用超显微镜可以观察到溶胶中分散质的颗粒在不断地做无规则的运动，这种运动叫做布朗（ Brow

n ）运动 。 布朗运动的产生，是由于分散剂分子的热运动不断地撞击溶胶粒子所引起的。溶胶粒子受来自四面八方分散剂分子的撞击，各个方向对粒子的撞击难以完全抵消，撞击力的合力大小和方向在不同瞬间都不同。因而粒子时刻以不同的速度、沿着不同的方向做无规则的布朗运动。

（三）溶胶的电学性质 在电场的作用下，溶胶粒子定向地移动称为电泳。可以根据电泳实验测定溶胶粒子的带电性。

给两个电极通以直流电，即可见到氢氧化铁溶胶粒子移向负极，而使溶胶在两个管中的高度有一定的差距，证明氢氧化铁溶胶粒子是带正电荷的。 若在上述 U型管中加入 As2S3或 Sb2S3溶胶，接通直流电后溶胶粒子将移向正极，说明 As2S3或Sb2S3溶胶粒子带负电荷。

如果让溶胶通过多孔物质（如烧瓷片、玻璃纤维等），胶粒能吸附而固定不动，通入直流电后，分散剂将通过多孔固体物质做定向移动，这种现象称为电渗。

电泳现象说明溶胶粒子是带电的，而带电的主要原因有以下两个方面：1．吸附作用 　溶胶中的分散质颗粒具有较大的比表面积和较强的吸附作用，在电解质溶液中发生离子的选择性吸附，从而使溶胶粒子带上与被选择吸附的离子相同符号的电荷。　　例： FeCl3水解是分步进行的，除了生成 Fe(OH)3外，还有FeO+离子生成 ，由大量 Fe(OH)3分子聚集而成的溶胶颗粒，由于它选择吸附了 FeO+离子而带正电荷。 2．电离作用 有些溶胶是通过表面基团的电离而带电的。 　　例：硅酸溶胶由许多硅酸分子缩合而成的。表面上的分子可以电离，电离后 H+进入溶液中， HSiO3－离子留在离子表面而使离子带负电荷。

溶胶粒子带电原因十分复杂，以上两种情况只能说明溶胶粒子带电的某些规律。至于溶胶粒子究竟怎样带电，带什么电荷，都还需要通过实验来证实判断。 例：将 AgNO3 与 KI 混合制得 AgI 溶胶，该溶胶带的电荷则需要根据反应过程中哪个物质过量来判断。若

AgNO3过量， AgI 固体有选择地吸附 Ag+ 离子，则溶胶粒子带正电；若 KI过量， AgI 固体吸附 I- 离子，则溶胶粒子带负电。

三、胶团结构 以三氯化铁水解制备氢氧化铁溶胶为例，说明胶团结构。

图 1 － 8 氢氧化铁胶团结构示意图

｛〔 Fe(OH)3〕 m·nFeO+·(n-x) ·Cl －｝ x+·x Cl －

胶团的结构（扩散双电层结构）

碘化银、三硫化二砷和硅胶的胶团结构式可表示如下：　　 [(AgI)m · nAg+· (n-x)NO3

-]x+·x NO3-

　 [(As2S3)m · nHS-· (n-x)H+]x-·x H+

　　 [(H2SiO3)m · nHSiO3-· (n-x)H+]x-·x H+

四、溶胶的稳定性和聚沉 （一）溶胶的稳定性 溶胶是高度分散的多相体系，它具有很大的表面积和很高的表面能。因此，从热力学角度看，体系中的胶粒有自发聚沉的倾向。然而，用正确方法制得的溶胶可以保存很长时间而不沉淀，这说明它又具有一定的稳定性。溶胶的不稳定性是绝对的，而稳定性是相对的，有条件的。

其一，溶胶粒子进行着剧烈的布朗运动，从而阻止了胶粒因重力作用而下沉；二是溶胶胶粒带有同种电荷，静电排斥阻止了小颗粒胶粒聚集成大颗粒而聚沉；三是由于胶粒表面的溶剂化作用阻止了胶粒聚集成大颗粒而聚沉。

溶胶稳定性的主要原因有三个：

（二）溶胶的聚沉 　　　使溶胶聚沉的因素很多，如加热、辐射、加入电解质等，其中对电解质作用研究得最多。1. 电解质的聚沉作用 电解质的聚沉能力主要由异电性离子的价态决定，离子价态愈高、电解质的聚沉能力愈大，这一规律称为叔尔采－哈迪（ Schuize-Hardy）规则。 同价离子的聚沉能力也不同，例如碱金属离子对负电性溶胶的聚沉能力顺序为： Cs+＞ Rb+＞ K+＞Na+＞ Li+。一般认为同价离子的水合离子半径越小，聚沉能力越强。

2. 溶胶的相互聚沉作用 胶体粒子都带有一定的电荷，若将带有相反电荷的溶胶混合在一起，则会发生相互聚沉，这种现象称为溶胶的相互聚沉作用。 3. 高分子化合物对溶胶的作用 在溶液中加入大分子物质可以使溶胶稳定性增加。例如，少量的电解质加到红色金溶胶中可以引起聚沉，如果先在红色金溶胶中加入少量动物胶，摇动均匀后再加入电解质，可以发现，等量或适当过量的电解质不再引起金溶胶的聚沉，这种现象称为高分子对溶胶的保护作用。