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 学习要求： 1. 水分子的结构和奇特性质 2.液态水的性质（表面张力、毛细现象） 3.水的相变（有关概念） 4.水溶液（浓度、溶解过程） 5 稀溶液的依数性 6 胶体（特征、性质 4.1水分子的结构和冰 1.水的重要性 2.水分子的结构：氧原子以不等性$p形式杂化与两个氢原子形成角型结构-极性 氢键 3.水分子的特性： (1)氢键使水在凝固过程中体积会膨胀，使冰的密度就比水的密度小，水在4℃时 的密度最大， (2)冰中的水分子的六角型晶体结构带来了不少有趣现象。大部分雪花都具有图4-5 中所显示的那种六角型结构，这就是水分子的立体构型所产生的结果。 4.2液态水的行为 4.2.1液体的性质 1.液体最显著的特征是可流动性，就是说液体可以搅拌，外力会使它从容器中飞溅出 来，可以从一个容器倾倒到另一个容器中，还可以通过滤网。 2.液体不具有大的压缩性，压力增加较大的幅度，液体的体积只有微小的减少。同时 液体也像大多数其他物质一样，温度升高它的体积也会相应的膨胀。 3.液体的微观状态是短程有序而长程无序. 1.黏度 黏度：液体阻碍流动的性质就叫黏度。 液体的黏度很大程度上受到分子间作用力的影响：当然液体分子的形状和大小也对黏 度有一定影响：对大部分液体而言，温度升高液体的黏度就会下降。 2.分子间凝聚力
第 4 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 4.1 水分子的结构和冰 1.水的重要性 2.水分子的结构：氧原子以不等性 sp 3 形式杂化与两个氢原子形成角型结构-极性 氢键 3.水分子的特性： （1） 氢键使水在凝固过程中体积会膨胀，使冰的密度就比水的密度小，水在 4ºC 时 的密度最大， （2） 冰中的水分子的六角型晶体结构带来了不少有趣现象。大部分雪花都具有图 4-5 中所显示的那种六角型结构，这就是水分子的立体构型所产生的结果。 4.2 液态水的行为 4.2.1 液体的性质 1. 液体最显著的特征是可流动性，就是说液体可以搅拌，外力会使它从容器中飞溅出 来，可以从一个容器倾倒到另一个容器中，还可以通过滤网。 2. 液体不具有大的压缩性，压力增加较大的幅度，液体的体积只有微小的减少。同时 液体也像大多数其他物质一样，温度升高它的体积也会相应的膨胀。 3. 液体的微观状态是短程有序而长程无序． 1．黏度 黏度：液体阻碍流动的性质就叫黏度。 液体的黏度很大程度上受到分子间作用力的影响；当然液体分子的形状和大小也对黏 度有一定影响；对大部分液体而言，温度升高液体的黏度就会下降。 2．分子间凝聚力 学习要求： 1. 水分子的结构和奇特性质 2. 液态水的性质（表面张力、毛细现象） 3. 水的相变（有关概念） 4. 水溶液（浓度、溶解过程） 5. 稀溶液的依数性 6. 胶体（特征、性质 6.了解各种晶体的结构和性质的关系
第4章奇妙的水分子和水资源 凝聚力(cohesion force):是存在于单一物种中分子间的一种作用力。对于水来说，这 种凝聚力就是氢键。 附着力(adhesive force):：是一种存在于两种不同物质中分子间的作用力。 3.表面张力 1.把处于液体表面的分子拉向液体内部的力又使液体表面具有尽可能小的表面积叫表 面张力。例如：雨后荷叶上滚动的圆圆的雨珠和清晨树叶上的露珠，如果没有重力的作用， 它们一定会是圆球形的。 2.润湿：当一滴水落在一个物体的表面并慢慢散开并慢慢沁润物体的表面的过程 3.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，粘着力和附着力 Cohesive force and Adhesive force) 粘着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。如果粘着力大于附着力，液滴就以圆球形状存在于物体材料的表面：如果粘着力 小于附着力，液滴就能润湿物体材料的表面。 4.2.2毛细现象 水分子是极性分子，玻璃也是极性物质。这两种极性物质之间附着力较大，如果水分 子和器壁间的附着力（不同种物质中不同分子间的相互作用力）大于水分子之间的黏着力（同 种物质中相同分子间的相互作用力)，细的玻璃管内就形成凹液面图4-8(b):反之，如果 液体分子和器壁间的附着力小于液体分子之间的黏着力，细的玻璃管内就形成凸液面图4-8 (a),如细的玻璃管插入水银中。 这种由于两种力之间相互作用而导致的液面上升现象就称为一毛细现象。 举例。 4.3水的相变 当一种物质从一种状态变成另一种状态，如：固体熔化成为液体或液体蒸发成为气体， 这个过程称为相变。 4.3.1熔化和凝固 l.凝固(freezing)和凝固点(fp,freezing point)。 2.熔化或融解(melting):固体变成了液体和熔点(mp,melting point).。 3.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-范得华力或氢键。如果 这种相互作用力较强，物质的熔点就较高：相反，如果物质微粒间的相互作用力较弱，物质 的熔点就较低。 4.3.2蒸发和冷凝 蒸发或汽化(evaporation or vaporization)。 冷凝(condensation)是与蒸发相反的一个过程， 4.3.3.液体的蒸汽压 2
第 4 章 奇妙的水分子和水资源 2 凝聚力（cohesion force）：是存在于单一物种中分子间的一种作用力。对于水来说，这 种凝聚力就是氢键。 附着力（adhesive force）：是一种存在于两种不同物质中分子间的作用力。 3．表面张力 1.把处于液体表面的分子拉向液体内部的力又使液体表面具有尽可能小的表面积叫表 面张力。例如：雨后荷叶上滚动的圆圆的雨珠和清晨树叶上的露珠，如果没有重力的作用， 它们一定会是圆球形的。 2.润湿：当一滴水落在一个物体的表面并慢慢散开并慢慢沁润物体的表面的过程 3.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，粘着力和附着力 （Cohesive force and Adhesive force）。 粘着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。如果粘着力大于附着力，液滴就以圆球形状存在于物体材料的表面；如果粘着力 小于附着力，液滴就能润湿物体材料的表面。 4.2.2 毛细现象 水分子是极性分子，玻璃也是极性物质。这两种极性物质之间附着力较大，如果水分 子和器壁间的附着力（不同种物质中不同分子间的相互作用力）大于水分子之间的黏着力（同 种物质中相同分子间的相互作用力），细的玻璃管内就形成凹液面图 4-8（b）；反之，如果 液体分子和器壁间的附着力小于液体分子之间的黏着力，细的玻璃管内就形成凸液面图 4-8 (a)，如细的玻璃管插入水银中。 这种由于两种力之间相互作用而导致的液面上升现象就称为---毛细现象。 举例。 4.3 水的相变 当一种物质从一种状态变成另一种状态，如：固体熔化成为液体或液体蒸发成为气体， 这个过程称为相变。 4.3.1 熔化和凝固 1.凝固（freezing）和凝固点(fp., freezing point)。 2.熔化或融解(melting)：固体变成了液体和熔点（mp., melting point）。 3.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--范得华力或氢键。如果 这种相互作用力较强，物质的熔点就较高；相反，如果物质微粒间的相互作用力较弱，物质 的熔点就较低。 4.3.2 蒸发和冷凝 蒸发或汽化(evaporation or vaporization)。 冷凝(condensation)是与蒸发相反的一个过程， 4.3.3.液体的蒸汽压
第4章奇妙的水分子和水资源 1.可挥发性(volatile)。 2.液态分子离开液面变成气态分子的分子数目与气态分子碰撞液体表面变为液态分子 的数目达到相等，这时体系达到了动态平衡(dynamic equilibrium)。一液体与自己的蒸汽达 到动态平衡时的气相的蒸汽压不再升高就叫它的平衡蒸汽压（简称蒸汽压）。 3.液体的蒸汽压与液体分子内的分子间作用力有关，液体内分子间作用力越强，其蒸汽 压就越低。 4.3.4相对湿度 1盛装于敞口容器中的液体蒸发时很难达到平衡，液体表面之上的气相是该液体的气态 分子与空气的混合物，存在的平衡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 体的平衡蒸汽压。 2当空气中的水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%。 3.相对湿度定义为一定温度下实际或实验测得的空气中水的分压与水的平衡蒸汽压的 相对比值。 RH=(P/P.a)×100% (4-1) 例41：已知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, RH=(P/Pg)×100%-(P/3.167)×100%=57% P=1.805kPa 此时空气中水的分压为1805kPa 例4-2：在给定的温度下，你认为甲酸(HCOOH)和乙酸(CHCOOH)哪一个具有较高的 蒸汽压？ 分析：从分子间作用力的强弱着手分析这一问题。甲酸和乙酸的分子式如下： H-C-OH CHa-c-OH 它们都是极性化合物，并且分子间都存在氢键，其分子间作用力的区别在于范德华力中的色 散力的强弱。色散力随着分子量的增大而增大，乙酸有较大的分子量，因此乙酸分子间的作 用力强于甲酸分子间的作用力，在相同温度下乙酸的蒸汽压低于甲酸的蒸汽压。 4.3.5沸点 1.沸腾和沸点(boiling point). 2沸腾的原因：置于敞开容器中的液体被加热，液体的蒸汽压与外界环境的压力（与大 气的压力)相等时，就达到了该液体的沸点，液体就开始沸腾. 3.由于液体的蒸汽压会随着温度的上升而升高，因此液体的沸点会随着外界大气压的变
第 4 章 奇妙的水分子和水资源 3 1.可挥发性（volatile）。 2.液态分子离开液面变成气态分子的分子数目与气态分子碰撞液体表面变为液态分子 的数目达到相等，这时体系达到了动态平衡（dynamic equilibrium）。一液体与自己的蒸汽达 到动态平衡时的气相的蒸汽压不再升高就叫它的平衡蒸汽压（简称蒸汽压）。 3.液体的蒸汽压与液体分子内的分子间作用力有关，液体内分子间作用力越强，其蒸汽 压就越低。 4.3.4 相对湿度 1.盛装于敞口容器中的液体蒸发时很难达到平衡，液体表面之上的气相是该液体的气态 分子与空气的混合物，存在的平衡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 体的平衡蒸汽压。 2.当空气中的水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%。 3.相对湿度定义为一定温度下实际或实验测得的空气中水的分压与水的平衡蒸汽压的 相对比值。 ( / ) 100% (4-1) RH P P eq 例 4-1：已知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， ( / ) 100% =( / 3.167) 100%=57% RH P P P eq P kPa 1.805 此时空气中水的分压为 1.805kPa 例 4-2：在给定的温度下，你认为甲酸（HCOOH）和乙酸（CH3COOH）哪一个具有较高的 蒸汽压？ 分析：从分子间作用力的强弱着手分析这一问题。甲酸和乙酸的分子式如下： C O H OH CH3 C O OH 它们都是极性化合物，并且分子间都存在氢键，其分子间作用力的区别在于范德华力中的色 散力的强弱。色散力随着分子量的增大而增大，乙酸有较大的分子量，因此乙酸分子间的作 用力强于甲酸分子间的作用力，在相同温度下乙酸的蒸汽压低于甲酸的蒸汽压。 4.3.5 沸点 1.沸腾和沸点（boiling point）． 2.沸腾的原因：置于敞开容器中的液体被加热，液体的蒸汽压与外界环境的压力（与大 气的压力）相等时，就达到了该液体的沸点，液体就开始沸腾． 3.由于液体的蒸汽压会随着温度的上升而升高，因此液体的沸点会随着外界大气压的变
第4章奇妙的水分子和水资源 化而变化。如果外界的大气压升高，液体的沸点也会随之升高，反之亦然。 分子间力与沸点之间的关系 1.液体分子之间的黏着力（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。 2.液体分子之间的分子间作用力越强，液体的蒸汽压越低沸点越高：反之亦然。 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。 4.3.6升华和固态物质的蒸气压 1.直接由固态变为气态的过程叫做升华(Sublimation).随着固体温度的升高，升华 的速度也会加快。 2.从气态直接凝固成为固态的过程叫做凝华(Deposition),雪花的生长就是一个凝华 的例子.凝华的速度会随着外界大气压的增大而加快 3.升华平衡.所有物质的平衡升华蒸汽压都会随着温度的升高而增加. 4.升华温度. 4.3.7水的相图 1.相图的制作 2.相图上的主要信息：蒸发冷凝曲线代表气液两相的共存状态，这条线把气相和 液相分离开：熔化凝固曲线代表着固液两相的共存状态，这条线把固相和液相 分离开：第三条线是升华凝华曲线，这条线把固相和气相分离开：每条线都是 自己所分隔的两相可以共存的状态；三条线汇聚在三相点(triple point).上，这 一点有独特的压力和温度值，三种状态一气相、液相和固相同时共存。 1.临界点 临界点(Critical point):临界温度：临界压力。高于它的临界温度以上，不论怎样增加 压力气体都不可以被液化。在临界点的右上方的区域内，该物质叫超临界流体。它既不是液 体也不是气体，但它兼具气体和液体的双重性质。 超临界二氧化碳就是一个很好的溶剂，在工业和实验室中发挥着独特的作用。 4.4水溶液 4.4.1溶液 1溶液溶液就属于均相混合物。溶液可以是液态的，也可以是固态和气态的。 溶剂(Solvent)和溶质(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(Molarity)、质量摩尔浓度 (Molality)、摩尔分数(Mole fraction)和摩尔百分数(Mole%)
第 4 章 奇妙的水分子和水资源 4 化而变化。如果外界的大气压升高，液体的沸点也会随之升高，反之亦然。 分子间力与沸点之间的关系 1. 液体分子之间的黏着力（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。 2. 液体分子之间的分子间作用力越强，液体的蒸汽压越低沸点越高；反之亦然。 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。 4.3.6 升华和固态物质的蒸气压 1. 直接由固态变为气态的过程叫做升华（Sublimation）．随着固体温度的升高，升华 的速度也会加快。 2. 从气态直接凝固成为固态的过程叫做凝华（Deposition），雪花的生长就是一个凝华 的例子．凝华的速度会随着外界大气压的增大而加快． 3. 升华平衡．所有物质的平衡升华蒸汽压都会随着温度的升高而增加． 4. 升华温度． 4.3.7 水的相图 1. 相图的制作 2. 相图上的主要信息：蒸发冷凝曲线代表气液两相的共存状态，这条线把气相和 液相分离开；熔化凝固曲线代表着固液两相的共存状态，这条线把固相和液相 分离开；第三条线是升华凝华曲线，这条线把固相和气相分离开；每条线都是 自己所分隔的两相可以共存的状态；三条线汇聚在三相点（triple point）上，这 一点有独特的压力和温度值，三种状态－气相、液相和固相同时共存。 1．临界点 临界点（Critical point）；临界温度；临界压力。高于它的临界温度以上，不论怎样增加 压力气体都不可以被液化。在临界点的右上方的区域内，该物质叫超临界流体。它既不是液 体也不是气体，但它兼具气体和液体的双重性质。 超临界二氧化碳就是一个很好的溶剂，在工业和实验室中发挥着独特的作用。 4.4 水溶液 4.4.1 溶液 1.溶液 溶液就属于均相混合物。溶液可以是液态的，也可以是固态和气态的。 溶剂(Solvent)和溶质(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（Molarity）、质量摩尔浓度 (Molality)、摩尔分数（Mole fraction ）和摩尔百分数（Mole %）
第4章奇妙的水分子和水资源 2.质量分数如把5.0克氯化钠溶于95克水中，就称此溶液为质量分数为5%的NaC1溶液。 NaC1质量分数(%=5-x100%=5% 5+95 质量分数常在工业生产中使用。 体积分数由于液体很容易用体积来衡量，因此体积分数也是常用的一种表示溶液组成的 方法。如：把25毫升液体甲醇(CHOH)溶于100毫升水中，就配制成了25%(VN)的 甲醇防冻液。 质量/体积百分比浓度还有一种表达方式是以溶质的质量和溶液的体积来表示，如把2.0 克的NaCl溶于100毫升的水中，就配制成了2%(mass/volume)的氯化钠溶液。这种表达 方式在医药和制药领域应用较广泛。 (体积)摩尔浓度)以溶液中溶质的摩尔数来表示溶液的溶度称为摩尔浓度 (Molarity),定义如下： 摩尔浓度(M)=溶液中溶质的物质的量(mo1) 溶液的体积(L) 在20℃把5.0克氯化钠溶解于水并转移到100毫升容量瓶中，以水定容至100毫升，制得 溶液的摩尔浓度为： NaC1摩尔浓度(MD=5.00g58.5(emoyol088gs/ 1000m）0.100L 100mlx(,1L 质量摩尔浓度(m)由于液体的体积会随着温度的变化而变化，如上述溶液在20℃时配 制，其摩尔浓度为0.85M,在25℃溶液的体积大约会微小的增加（大约0.1%），即每升溶 液中溶质的摩尔数会有一点减小（大约01%）。因此如果实验要求更高的精密度，体积摩尔 浓度就无法满足此要求。质量摩尔浓度定义为：1000克溶剂中所含溶质的摩尔数。 把5.0克氯化钠溶解于1.00千克水中，该溶液的质量摩尔浓度为： NaC1摩尔浓度(MD=5.00g/58.5(gLmo1mo088行85 1.00g 1.g 摩尔分数和摩尔百分数溶液中某一组分的摩尔数与溶液中各组分的摩尔数之和的比值 就叫摩尔分数：基于摩尔为单位，溶液中某一组分(mol)在溶液中(mol)所占百分比一摩 尔百分数。 摩尔分数(x)= 某一组分物质的量(mol) 溶液中各组分物质的量的和(mo1) x+x+x+...=1 ppm,ppb,ppt浓度当溶液浓度非常稀的时候，其它表示方法就不太方便，分析化学 中常用ppm,即百万分之一来表示稀溶液的浓度。ppm来源于Parts per million,即一百万 份中的一份：相应的还有：ppb和ppt,分别表示：十亿分之一(Parts per billion)和万亿分 之一(Parts per trillion)。这几种浓度的表示方法现在已不太常用了。 5
第 4 章 奇妙的水分子和水资源 5 2.质量分数 如把 5.0 克氯化钠溶于 95 克水中，就称此溶液为质量分数为 5%的 NaCl 溶液。 5 % 100% 5% 5 95 NaCl质量分数（ ） 质量分数常在工业生产中使用。 体积分数 由于液体很容易用体积来衡量，因此体积分数也是常用的一种表示溶液组成的 方法。如：把 25 毫升液体甲醇（CH3OH）溶于 100 毫升水中，就配制成了 25%（V/V）的 甲醇防冻液。 质量/体积百分比浓度 还有一种表达方式是以溶质的质量和溶液的体积来表示，如把 2.0 克的 NaCl 溶于 100 毫升的水中，就配制成了 2%（mass/volume）的氯化钠溶液。这种表达 方式在医药和制药领域应用较广泛。 （体积）摩尔浓度(M) 以溶液中溶质的摩尔数来表示溶液的溶度称为摩尔浓度 （Molarity），定义如下： 溶液中溶质的物质的量(mol) 摩尔浓度（M） 溶液的体积（L） 在 20C 把 5.0 克氯化钠溶解于水并转移到 100 毫升容量瓶中，以水定容至 100 毫升，制得 溶液的摩尔浓度为： 5.00g/58.5(g/mol) 0.085 0.85 1L 0.100 100ml ( ) 1000ml mol M L NaCl摩尔浓度（M） 质量摩尔浓度（m）由于液体的体积会随着温度的变化而变化，如上述溶液在 20C 时配 制，其摩尔浓度为 0.85M，在 25C 溶液的体积大约会微小的增加（大约 0.1%），即每升溶 液中溶质的摩尔数会有一点减小（大约 0.1%）。因此如果实验要求更高的精密度，体积摩尔 浓度就无法满足此要求。质量摩尔浓度定义为：1000 克溶剂中所含溶质的摩尔数。 把 5.0 克氯化钠溶解于 1.00 千克水中，该溶液的质量摩尔浓度为： 5.00g/58.5(g/mol) 0.085 0.085 1.00 1.00 mol m kg kg NaCl摩尔浓度（M） 摩尔分数和摩尔百分数 溶液中某一组分的摩尔数与溶液中各组分的摩尔数之和的比值 就叫摩尔分数；基于摩尔为单位，溶液中某一组分（mol）在溶液中(mol)所占百分比——摩 尔百分数。 (mol) ... 1 i i j k x x x x 某一组分物质的量 摩尔分数( ) 溶液中各组分物质的量的和（mol） ppm，ppb，ppt 浓度 当溶液浓度非常稀的时候，其它表示方法就不太方便，分析化学 中常用 ppm，即百万分之一来表示稀溶液的浓度。ppm 来源于 Parts per million，即一百万 份中的一份；相应的还有：ppb 和 ppt，分别表示：十亿分之一（Parts per billion）和万亿分 之一(Parts per trillion)。这几种浓度的表示方法现在已不太常用了