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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
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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
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(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
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(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
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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
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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
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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
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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
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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
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不同物质、不同温度的蒸气压(平衡蒸气压)
第
4 章
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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= ×
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第
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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
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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
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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
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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
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第
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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
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第
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4.3.7水的相图
高压锅
高原
第
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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)
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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
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
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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 /=
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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。
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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
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第
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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
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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
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溶剂+溶质===溶液
第
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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
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溶液的蒸气压
第
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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
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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
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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
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沸点上升和凝固点下降沸点上升和凝固点下降
10010000
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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