第4章 奇妙的水分子和水资源.ppt

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,水分子的极性和氢键,4.1水分子的结构和冰,水的性质,水的蒸发热大： 40.67 kJmol-1(101.3kPa) 水的等压热容： 75.30 Jmol-1K-1 水的沸点：100 密度反常：4为最大 良好的溶剂：极性，氢键,水的结构和性质,几种常见物质的热容(J/gK),冰浮在水面上,1g冰，水，水蒸汽的体积随温度的变化,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 （2）水分子间内聚力：范德瓦尔斯力和氢键 （3）表面张力：与分子间作用力有关,表现在

2、表面,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,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。 如果内聚力大于附着力，液滴就以圆球形状存在于物体材料的表面；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,水在干净的玻璃上就是这样.,润湿,润湿角的示意图：,玻璃管中的毛细现象,水分子与水分子之间的内聚力向下， 玻璃与水分子之间的附着力向上提拉， 内聚力附着力时，液面上升并形成凹面,4.2.2毛细现象,玻璃管中的水银,内聚力附着力时，液面下降并形成凸面 凸面附加合力向下

3、,剖面图,4.2.2毛细现象,溶液及其性质,物质的三态：气态、液态、固态。 1.气态：无序、热运动 气体分子的特点及处理方式和状态方程。 2.液态：短程有序，长程无序 纯液体的性质：液体分子之间的作用力； 液体表面与中间分子受力的情况不同； 表面分子有逃逸出液体的倾向，液体上空的分子也有回到液面的倾向，即蒸发与凝聚的过程； 3.固态：对于晶体，有序及各项异性 晶体的结构特点及与物性的关系。,物质的三态,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

4、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-范德瓦耳斯力、氢键。,4.3水的相变,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,蒸气压,饱和蒸气压:处于密闭容器中的液体,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力.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力,注意,以后提到的蒸气压都是指 饱和蒸气压,4

5、.3.3 液体的蒸气压(饱和蒸气压),只与体系本身的性质和温度有关； 不同的液体，由于分子间的作用力不同，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。,不同物质不同温度的蒸气压(饱和蒸气压),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气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分压，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。,举例,例4-1：已知

6、某一天空气的相对湿度为57%，温度为25C，请问此时空气中水的分压为多少？ 查表4-1水在25C时的分压为3.167kPa,此时空气中水的分压为1.805kPa,4.3.5沸点,当液体被加热到某一特定温度时，液体的蒸发气化突然加剧，速度迅速增加这时液面下生成许多水蒸气的小泡泡，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，小气泡中的气态水分子进入空气中，这就叫沸腾，发生沸腾的温度叫沸点 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；,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汽压有很大的影响。 分子间作

7、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。,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。 平衡升华蒸汽压会随着温度的升高而增大，直到和外界环境的压力相等时，这个温度就叫该物质的升华温度。,物质的三相及其变化,4.3.7水的相图,凝固点，沸点，三相点，临界点：,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),分散体系及溶液,1。分散体系：分散介质+分散相 分散介质，连续、均匀；

8、 分散相，孤立的，分散在分散介质之中。,溶液,真溶液10-9 m，均相； 胶体110010-9 m，均相； 悬浊液10-7m，多相，重力下沉。,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；在溶液中含量较少的那个组分叫溶质。 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,4.4.1溶液,溶液的浓度,重量百分比浓度： 体积摩尔浓度； 质量摩尔浓度：,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

9、，,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：gdm-3 ,moldm-3 ,3溶解热,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（冰点）下降 渗透压,难挥发非电解质稀溶液的依数性：,4.5稀溶液的依数性,溶液的蒸气压,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,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力. 蒸气压下降：溶液比纯溶剂蒸气压下降,蒸气压下降,4.5 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

10、和溶质的本性无关。,拉乌尔定律(Raoults Law) ：,P: 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,4.5 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： nurea3.00/60.00.05 mol nwater100.0/18.05.55 mol,举例,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,溶剂的凝固点下降常数和沸点上升常数可查表,沸点上升，凝固点下降,纯苯的凝固点

11、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。,解：,故萘的摩尔质量为,4.5 稀溶液的依数性,例,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,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,: 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， moldm-3,或,4.5 稀溶液的依数性,4.5 稀溶液的依数性,太空水和反渗透,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1.80102Pa，求马的血红素的摩尔质量。,解：,例,4.5 稀溶液的依数性,4.6胶体,胶体中的小颗粒叫分散相； 支持分散相的的介质叫分散介质。 小颗粒的分散相非常细小，以至肉眼都无法看到，但是它们大都由成百万上千万的原子组成，一般它们的直径在1100nm之间。尽管有时胶状分散体系是透明的，有时还很稳定，并且表现出溶液的依数性，但它们仍然不是溶液。,4.6.1胶体的概念,4.6.2胶体的性质,均相；1-100nm范围内，黏度比真溶液大； 胶