第四章奇妙的水分子和水资源

1 第4章 奇妙的水分子和水资源 上海交通大学化学化工学院 大学化学教研室 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 水分子的极性和氢键 4.1水分子的结构和冰 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 水的性质 • 良好的溶剂：极性，氢键 • 水的蒸发热大： 40.67 kJ·mol-1(101.3kPa) • 水的等压热容： 75.30 J·mol-1·K-1 • 水的沸点：100℃ • 密度反常：4℃为最大 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 几种常见物质的热容(J/g·K) 0.13Gold, Au 0.24Silver, Ag 0.451Iron, Fe 0.90Aluminum, Al 2.0Water vapor, H2O 2.01Ice , H2O 2.42Ethylene glycol, C2H6O2 4.184Liquid water , H2O 4.70Ammonia, NH3 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 冰是六角形晶体 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 冰浮在水面上 1g冰，水，水蒸汽的体积随温度的变化 2 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.2液态水的行为 4.2.1液体的性质 （1）粘度：与液体流动性有关。 • 受分子间作用力影响，还受分子大小和形状 影响.受温度影响 • 油:分子缠绕 油 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 （2）内聚力和附着力 内聚力是同种物质中相同分子间的相互作用力。 附着力是不同种物质中不同分子间的相互作用力。 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 （3）面张力 液体内部分子所受的力可以 彼此抵销，但表面分子受到体相 分子的拉力大，受到气相分子的 拉力小（因为气相密度低），所 以表面分子受到被拉入体相的作 用力，这个力叫表面张力。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势。 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 露珠的形成 • 落在物体表面的水滴是否能润湿物体的表面取 决于两种力的竞争，内聚力和附着力 •如果内聚力大于附着力，液滴就以圆球形状存在于物 体的表面；叫不润湿,露珠的形成就是这样. •如果内聚力小于附着力，液滴就能润湿物体材料的表 面;叫能润湿,水在干净玻璃上就是这样. •荷叶表面有脂类物质与水的作用力比水分子间氢键 小，故不润湿，形成水珠。 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 细玻璃管中的毛细现象 • 玻璃与水分子之间的附着力向上提拉， 形成凹面; • 水分子与水分子之间的内聚力(表面张力 向下)，要减小面积,凹面变平, • 内聚力<附着力时,液面提升; • 不断长高,直到重力可以抵抗提升力. • 凹面附加合力向上:水面的回形针 4.2.2毛细现象 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 溶液及其性质 1。气态：无序、热运动剧烈 2。液态：短程有序，长程无序 3。固态：对于晶体，有序 物质的三态 3 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.3.1 熔化和凝固 • 温度降低，液体分子平均动能下降，当其比 其他分子对他的吸引力小的时候，分子间滑 动停止，失去流动性，这种现象就叫凝固， • 发生凝固的温度就是该物质的凝固点 • 温度升高，固体变成了液体，这一过程叫熔 化或融解。 • 这个温度就是该物质的熔点。 • 物体熔点的高低主要取决于物质内部微粒之 间的相互作用力--范德瓦尔斯力、氢键。 4.3水的相变 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.3.2蒸发和凝聚 • 位于液体表面的分子就能获得足够能量克服分子间 力的束缚跑到液面以外的空间成为气态分子，这一 过程就叫蒸发或气化. • 冷凝或凝聚是与蒸发相反的一个过程，气体分子撞 击液体的表面，该分子不是反弹回气态而是附着在 液体的表面 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.3.3液体的蒸气压 • 平衡蒸气压:封闭容器中，某温度下,冷凝的速度等 于挥发的速度时液体表面气体分子形成的压强.是蒸 气压的一个情况. •蒸气压:某温度下,液体表面气体分子形成的压强 注意 •以后提到的蒸气压都是指 平衡蒸气压 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 影响平衡蒸气压大小的因素 • 只与体系本身的性质和温度有关； • 不同的液体，由于互相作用力的不同，蒸 气压的大小不同。是液体挥发性的表征； • 同一体系，温度不同，蒸气压的大小不同， 温度升高，蒸气压变大。 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 不同物质、不同温度的蒸气压(平衡蒸气压) 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.3.4相对湿度 • 敞开容器中，要达到挥发和凝聚平衡，则应该 是该液体的蒸汽在整个气相混合物中的分压等 于该液体的平衡(饱和)蒸气压。 • 当空气中的水蒸气的分压等于水的平衡(饱和) 蒸气压，我们就说空气被水饱和了，空气的相 对湿度为100%。 • 相对湿度定义为一定温度下实际测得的空气中 水的分压与水的平衡(饱和)蒸气压(Peq:根据温度查表)的相对比值。 ( / ) 100% eqRH P P= × 4 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 举例 • 例4-1：已知某一天空气的相对湿度为57%，温度为25°C，请问 此时空气中水的分压为多少？ • 查p98表,水在25°C时的饱和蒸汽为3.167kPa,40°C时的饱和蒸汽为 7.38kPa. ( / ) 100% =( / 7.376) 100%=57% eqRH P P P= × × ( / ) 100% =( / 3.167) 100%=57% eqRH P P P= × × 25°C空气中水的分压为 1.805kPa •桑拿为什么闷(缺氧)? 为什么夏天的雨天叫桑拿天? 想一想 P水=4.204kPa P 水=1.805kPa 40°C空气中水的分压为 4.204kPa n p n p =水 水 空 空 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.3.5沸点 当液体被加热到某一某温度时，液体的蒸气压等于外压, 液体的蒸发气化突然加剧，这时液面下生成许多水蒸汽 的小气泡，小气泡的尺寸逐渐长大直至上升到液面，继 而冲出液面爆裂，这就叫沸腾，发生沸腾的温度叫沸点 (bp）． • 蒸发与气化的区别:表面与整体内部； • 液体气化时的特点：过程中温度不变，整个过程均为Tb 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 沸腾---水内部蒸发 从水表面进入空气 蒸发---水表面 • 沸腾与蒸发的区别 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 分子间力与沸点之间的关系 • 液体分子之间的内聚力（分子间作用力） 对液体的沸点和液体的蒸气压有很大的 影响。 • 分子间作用力以色散力为主,分子间的色 散力随着其分子量的增加而增加，因此 同种类型的分子，分子量越大分子间作 用力越强,沸点越高. 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.3.6升华和固态物质的蒸气压 • 直接由固态变为气态的过程叫做升华 • 气态分子也会撞击固体的表面并在其表面停留 下来，这种从气态直接凝固成为固态的过程叫 做凝华. •固态物质的平衡蒸气压:密闭容器里,当升华 和凝华速度相等时的蒸气压 5 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.3.7水的相图 高压锅 高原 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 超临界现象 超临界流体的特点: • 不具备可压缩性(液体) • 会充满整个容器(气体) 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.4水溶液 • 和溶液的物理状态一致的在溶液中含量较多的 那个组分叫溶剂(Solvent)；在溶液中含量较 少的那个组分叫溶质(Solute)。 • 常用于表示溶液组成的方法有：质量分数、体 积分数、摩尔浓度、质量摩尔浓度、摩尔分数 和摩尔百分数 ppm(百万分之一10-6),ppb(十亿分之一10-9) 4.4.1溶液 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 溶液的浓度 • 重量百分比浓度： • 体积摩尔浓度； • 质量摩尔浓度： %100% ×+= 溶剂的质量溶质的质量 溶质的质量w ）（溶液的体积 溶质的摩尔数 3/ dmmolC = ）（溶剂每 溶质的摩尔数 kgmole kg m /= 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 溶液 • 真溶液——10-9 m，均相； • 胶体——1~100*10-9 m，均相； • 悬浊液——>10-7 m，多相，重力下沉。 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.4.2 溶剂化作用和溶解度 1．溶剂化作用 溶液中的离子会与极性溶剂分子（例如水）间产 生离子--偶极之间的作用力，这一过程就叫做 溶剂化， 溶液中解离的离子分散在溶剂中就被溶剂化了 6 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 2．溶解度 • 一定量的给定溶剂中可溶解溶质的量叫 做这种溶质在该溶剂中的溶解度。 • 单位： g•dm-3 ,mol•dm-3 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 3．溶解热 1 2 3 1 2 3 (1) H 0 (2) H 0 (3) H 0 H H H H ⎯⎯→ Δ > ⎯⎯→ Δ > ⎛⎜ ⎯⎯→ Δ <⎜⎜⎝ ⎯⎯→ Δ = Δ + Δ + Δ溶液 纯溶剂 分开的溶剂分子 纯溶质 分开的溶质分子 分开的溶质分子 + 溶液 分开的溶剂分子 ---------------------------------------- 果：纯溶质+纯溶剂 溶液 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 溶剂+溶质===溶液 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 依数性：溶液的某些性质主要取决于所含 溶质的粒子数而与溶质的本性无关。 • 蒸气压下降 • 沸点升高 • 凝固点下降 • 渗透压 难挥发难挥发非电解质非电解质稀溶液稀溶液的依数性：的依数性： 4.5稀溶液的依数性 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 溶液的蒸气压 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4.5.1稀溶液的蒸气压下降 蒸气压（饱和蒸气压） :处于密闭容器中的 液体,某温度下,凝聚的速度等于挥发的速度 时液体表面气体分子形成的压强. 蒸气压下降：溶液比纯溶剂蒸气压下降 蒸气压下降蒸气压下降 7 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 5.1.2 稀溶液的依数性 一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气 压下降与溶质的摩尔分数成正比，而和溶质 的本性无关。 拉乌尔定律(Raoult’s Law) ： 0p nn np BA A +=Δ ΔP: 溶液的蒸气压下降 P0: 纯溶剂的蒸气压 nA: 溶质的物质的量 nB: 溶剂的物质的量 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 5.1.2 稀溶液的依数性 例5-1 已知100℃时水的蒸气压为101.3kPa， 溶解3.00g尿素[CO(NH2)2]于100g水中，计算该 溶液的蒸气压。 解： nurea＝3.00/60.0＝0.05 mol nwater＝100.0/18.0＝5.55 mol 举例 0p nn np waterurea urea +=Δ ppp Δ−= 0 kPa904.03.101 55.505.0 05.0 =×+= kPa4.100904.03.101 =−= 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 沸点上升和凝固点下降沸点上升和凝固点下降 10010000 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 稀溶液时： mKT mKT ⋅=Δ ⋅=Δ 凝凝 沸沸 m: 溶液的质量摩尔浓度 K沸: 沸点上升常数 K凝: 凝固点下降常数 1000g 溶剂中所含 溶质的物质的量 一些溶剂的凝固点下降常数和沸点上升常数 0.51100.01.860水 --6.880萘 3.6362.34.68-63.5氯仿 2.5380.25.125.48苯 2.93118.13.917乙酸 K沸(K·kg·mol-1)沸点(℃)K凝(K·kg·mol-1)凝固点(℃)溶剂 5.1.2 稀溶液的依数性 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 为防止汽车水箱在寒冬冻裂，需使水的冰 点下降到253K，则在每1000g水中应加入甘 油多少克？ 解： mKT ⋅=Δ 凝凝 gW W 989 92 86.1253273 = ×=− 故需甘油重 H2C OH HC H2C OH OH glycerol C3H8O3 Mol. Wt.: 92.09 92 383 =OHCM 30g NaCl + 100g H2O: T凝= 250.6K (-22.6℃) 42.5g CaCl2 + 100g H2O: T凝= 218 K (-55.2℃) 致冷剂： 5.1.2 稀溶液的依数性 例 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 纯苯的凝固点为5.40℃，0.322g萘溶于80g 苯，配制成的溶液的凝固点为5.24℃。已知苯 的K凝值为5.12，求萘的摩尔质量。 Naphthalene Mol. Wt.: 128.17 解： =Δ= 凝 凝 K T m 16.128 0313.0 1000/80 /322.0 −⋅= == molgM Mm 故萘的摩尔质量为 5.1.2 稀溶液的依数性 10313.0 12.5 24.540.5 −⋅=− kgmol 例 8 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 修正因子i • 对电解质公式需要加修正因子 p109 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 渗透压：因溶液中的溶剂分 子可以通过半透膜，而溶质 分子不能透过半透膜而产生 的压力，以符号Π表示。 半透膜：只允许水分子自由通 过而不允许溶质分子或离子通 过的膜状物质 如：细胞膜、肠衣、牛皮纸 4.5.4稀溶液的渗透压 溶液的渗透压溶液的渗透压 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 非电解质稀溶液渗透压的大小与溶液浓度 的关系具有与理想气体状态方程式相似的 形式。 范托夫方程 RTnV ⋅=⋅Π Π: 溶液的渗透压，kPa V: 溶液的体积，dm-3 n: 溶质的物质的量，mol c: 溶液的浓度， mol·dm-3 RTc ⋅=Π或 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 º植物细胞汁的渗透压可达 20×105Pa º人体血液平均的渗透压为 7.7×105Pa º静脉注射或输液时采用“等渗液”：0.9%的 生理盐水；5.0%的葡萄糖溶液 溶液渗透压现象 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 输液和渗透 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 太空水和逆（反）渗透 9 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 1dm-3溶液中含5.0g马的血红素，在298K 时测得溶液的渗透压为1.80×102Pa，求马 的血红素的摩尔质量。 解： 例 mV n RT RT M Π⋅ = ⋅ = 4 1 3 5.0 8.314 298 6.9 10 180 10 1 mRTM g mol V − − × ×= = = × ⋅Π × × 5.1.2 稀溶液的依数性 第 4 章 奇妙的水分子和水资源 稀溶液的依数性 • 只与溶液浓度有关，与溶质种类无关 • 根本原因是溶液比纯溶剂蒸气压下降 总结