4.1水分子的结构和冰 水分子的极性和氢键 水的构 2 第4章奇妙的水分子和水资源一 上街工学服 水的结构和性质 水的性质 表面和界面surface and interface) ·水的蒸发热大： 40.67kJmo1-1(101.3kPa) 界面是指两相接触的约几个分子厚度的过液区， ·水的等压热容： 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。 75.30Jm01-1【-1 表面是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面， ·水的沸，点：100℃ 但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固 密度反常：4℃为最大。 。 体的表面。 良好的溶剂：极性，氨健 -Oxygen e9 常见的界面有： 1.气-液界面 2.气-固界面 H:(g) 空气 气一液 界而 气-固界面 CuSO 容液 1
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 第 4章奇妙的水分子和水资源 水的性质 • 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 水的结构和性质 第 4章奇妙的水分子和水资源 • 水的沸点：100℃ • 密度反常：4℃为最大 • 良好的溶剂：极性，氢键 表面和界面(surface and interface) 界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。 表面是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面， 第 4章奇妙的水分子和水资源 但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固 体的表面。 1.气-液界面 常见的界面有： 第 4章奇妙的水分子和水资源 2.气-固界面 第 4章奇妙的水分子和水资源
3.液-液界面 4.液-固界面 液一固界面 HO H2O 液一液 界面 Hg 玻璃板 表面张力(Surface Tension) 5.固-固界面 Cr镀层 铁管 固-固界面 水滴为什么是球形？ 表面现象 2
2 3.液-液界面 第 4章奇妙的水分子和水资源 4.液-固界面 第 4章奇妙的水分子和水资源 5.固-固界面 第 4章奇妙的水分子和水资源 表面张力(Surface Tension) 第 4章奇妙的水分子和水资源 水滴为什么是球形? ? 第 4章奇妙的水分子和水资源 表面现象 ? 第 4章奇妙的水分子和水资源
4.2液态水的行为 液体的表面张力 4.2.1液体的性质 表面张力 (1)水分子间内聚力：范德瓦尔斯力和氢 1.现象： 健 (①)液面有收缩到最小的楚势； (2)液面像紧娜的橡皮膜具有弹性。 说明：液面上存在沿表面的收缩力作用，这种力 (2)表面张力：与分子间作用力有关 只存在于液体表面。 2.袁面张力 (1)袁面层：在液体与气体交界面，厚度等于分 子有效作用半径R的一层液体。 (2)表面张力：液体的表面层中有一种使液面尽 可能收缩成最小的宏观张力。 液体及其蒸气组成的表面 接触角和润湿 表面张力产生的原因： 在液体与固体接触面的边界处任取一点，作液 卫表■县分子>E兼体内都分子 体表面及固体表面的切线，这两切线通过液体内部 的夹角称接触角，用0袁示。 (1)日<严，液体润湿国体； 日=0，液体完全润湿因体 (2)日>严，液体不润湿国体； 2 日=元，液体完全不润湿国体 表面有自动收缩到最小的趋势，在宏观上就表现为液体的表 面张力，与液面相切。 自然界中的荷叶效应 微观解释 润湿、不润湿是由于分子力不对称而引起。 附着层：在国体与液体接触处，厚度等于液 体或围体分子有效作用半径的一层液体。 最躺束结的+藏水婚减结漏中司叶效应 粘着力（内聚力）：附着层内 分于所受液体分子引力之和。 附着力：附着层内分子所受固体 分于引力之和。 Lotus effect shakes off dirt 3
3 4.2液态水的行为 4.2.1液体的性质 （1）水分子间内聚力：范德瓦尔斯力和氢 键 第 4章奇妙的水分子和水资源 （2）表面张力：与分子间作用力有关 液体的表面张力 表面张力 1.现象： 说明：液面上存在沿表面的收缩力作用，这种力 (2)液面像紧绷的橡皮膜具有弹性。 (1)液面有收缩到最小的趋势； 第 4章奇妙的水分子和水资源 说明：液面上存在沿表面的收缩力作用，这种力 只存在于液体表面。 2.表面张力 (1)表面层：在液体与气体交界面，厚度等于分 子有效作用半径R 的一层液体。 (2)表面张力：液体的表面层中有一种使液面尽 可能收缩成最小的宏观张力。 液体及其蒸气组成的表面 表面张力产生的原因： E表面层分子> E液体内部分子 第 4章奇妙的水分子和水资源 表面有自动收缩到最小的趋势，在宏观上就表现为液体的表 面张力，与液面相切。 在液体与固体接触面的边界处任取一点，作液 体表面及固体表面的切线，这两切线通过液体内部 的夹角称接触角 ，用θ 表示。 接触角和润湿 , 液体润湿固体； 2 π θ < θ 0，液体完全润湿固体 。 ⑴ θ θ 第 4章奇妙的水分子和水资源 θ = 0，液体完全润湿固体 。 θ θ ⑵ , 液体不润湿固体； 2 π θ > θ = π ，液体完全不润湿固体 。 θ 微观解释 润湿、不润湿是由于分子力不对称而引起。 附着层：在固体与液体接触处，厚度等于液 体或固体分子有效作用半径的一层液体。 第 4章奇妙的水分子和水资源 粘着力（内聚力）：附着层内 分子所受液体分子引力之和。 附着力：附着层内分子所受固体 分子引力之和。 θ f附 A f内 ⋅ 自然界中的荷叶效应 Epidermal cell (15 μm) Wax crystals (100 nm) 第 微纳米结构 ＋ 疏水蜡质结晶 4章奇妙的水分子和水资源 微纳米结构 ＋ 疏水蜡质结晶 F 荷叶效应 Smooth surface without hydrophobic wax crystals Rough surface with hydrophobic wax crystals
。RO方向，滚落角9°： ·RO反方向，水滴粘滞， 不滚落。 4.2.2毛细现象 玻璃管中的水 ·水分子与水分子之间的粘着力 向下 ·玻璃与水分子之间的附着力向 上提拉 ·粘着力<附着力 一殷式：2 ycosO/R-=Pgh 玻璃管中的水银 毛细现象的应用 ·粘着力>附着力时，液面下降并形成凸面 凸面合力向下 剖面图 4
4 第 4章奇妙的水分子和水资源 100 um 100 nm z RO方向，滚落角9º； z RO反方向，水滴粘滞， 不滚落。 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 4.2.2毛细现象 玻璃管中的水 • 水分子与水分子之间的粘着力 第 向下 4章奇妙的水分子和水资源 • 玻璃与水分子之间的附着力向 上提拉 • 粘着力<附着力 一般式：2γ cosθ/R=ρgΔh 玻璃管中的水银 • 粘着力>附着力时，液面下降并形成凸面 • 凸面合力向下 第 4章奇妙的水分子和水资源 剖 面 图 毛细现象的应用 第 4章奇妙的水分子和水资源
物质的三态 4.3.2蒸发和凝聚 ·蒸发或汽化(evaporation or vaporization)位于液体表面的分子就能获 1。气态：无序、热运动 得足够能量克服分子间力的束缚跑到液面 2。液态：短程有序，长程无序 以外的空间成为气态分子。 3。固态：晶体，有序及各向异性 ·疑聚(condensation)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 蒸汽压 4.3.3液体的蒸汽压 只与体系本身的性质和温度有关； 蕉气压（饱和蒸汽压）：处于 不同的液体，由于互相作用力的不同，蒸 密闭容器中的液体，在一 气压的大小不同。表征液体挥发性。 定温度下，由液面蒸发的 分子数和由气相回入液体 的分子数相等时，两相处 于平衡状态，这时蒸气的 压力就是该液体的蒸气压。 323 373 T/K 4.3.4相对湿度 举例 例4-1：已如莱一天空气的相时湿度为57%，温度为25℃，请问 此时空气中水的分压为多少？ ·蒸发和凝聚平衡一该液体的蒸气在整个气 查D98表，水在25℃时的他和燕汽为3.167kP1,40C时的他和蒸汽 相混合物中的分压等于该液体的平衡（饱和） 为7.38Pa. 蒸汽压。 RH=(P/P)×100%-(P13.167)×100%=57% ·相对湿度 一一定温度下实际测得的空气 P本-1.805kPa 25C空气中水的分压为1.805kPa 中水的分压与水的平衡（饱和）蒸汽压P: RH=(P/Pg)×100%-(P17.376)×100%=57% 根据温度查表)的相对比值。 Px=4.204kPa 40C空气中水的分压为4.204kPa RH=(p/Pg)×100% *=P水 想一短 n空P空 相对湿度为100%一 空气中的水的分压等于水的平衡分压 桑拿为什么闷（缺氧？为什么天的雨天叫桑拿天？ J
5 物质的三态 1。气态：无序、热运动 第 4章奇妙的水分子和水资源 2。液态：短程有序，长程无序 3。固态：晶体，有序及各向异性 4.3.2蒸发和凝聚 • 蒸发或汽化(evaporation or vaporization)位于液体表面的分子就能获 第 得足够能量克服分子间力的束缚跑到液面 4章奇妙的水分子和水资源 以外的空间成为气态分子。 • • 凝聚(condensation)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 蒸汽压 蒸气压(饱和蒸汽压) ：处于 密闭容器中的液体，在一 定温度下，由液面蒸发的 第 分子数和由气相回入液体 4章奇妙的水分子和水资源 的分子数相等时，两相处 于平衡状态，这时蒸气的 压力就是该液体的蒸气压。 4.3.3 液体的蒸汽压 • 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。表征液体挥发性。 第 4章奇妙的水分子和水资源 4.3.4相对湿度 • 蒸发和凝聚平衡——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) 蒸汽压。 第 • 相对湿度——一定温度下实际测得的空气 4章奇妙的水分子和水资源 相对湿度——一定温度下实际测得的空气 中水的分压与水的平衡(饱和)蒸汽压(Peq: 根据温度查表)的相对比值。 ( / ) 100% RH p p = × eq 相对湿度为100%——空气中的水的分压等于水的平衡分压 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% =( / 3.167) 100%=57% RH P P P = eq × × 第 P 水=1 805kPa 25°C空气中水的分压为 1 805kPa 4章奇妙的水分子和水资源 ( / ) 100% =( / 7.376) 100%=57% RH P P P = eq × × 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