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 = 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
4.3.5沸点 沸点：当液体的蒸气压等于外界的压力时，液体 就会产生泳腾现象，这时的温度称为沸点。 t 特点：液面下生成许多水蒸汽的小泡泡，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 沸晴。 ·蒸发与汽化的区别，表面与整体内部； Boiling is 液体汽化时的特，点：过程中温度不变，整个过程 evaporation 均为T beneath a liquid surface 物质的三相及其变化 Liquid Critical point. Water bos 85'C 量4400m 2 Condensation Vapor-pressure curve Gas Pike's Peak Cclcrado Mount Everast.Tbet Temperature (C) 4.3.7水的相图 蒸馏 2.18 临界点 态 .1.00 熔点 沸点 0.00603 三相点 0.000.01 100.0 374 温度/℃ 6
6 4.3.5沸点 沸点：当液体的蒸气压等于外界的压力时，液体 就会产生沸腾现象，这时的温度称为沸点。 特点：液面下生成许多水蒸汽的小泡泡，小气泡的 第 尺寸逐渐长大直至上升到液面，继而冲出液面爆 4章奇妙的水分子和水资源 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。 • 蒸发与汽化的区别，表面与整体内部； • 液体汽化时的特点：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 Boiling is evaporation beneath a liquid surface 物质的三相及其变化 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 4.3.7水的相图 第 4章奇妙的水分子和水资源 蒸馏 第 4章奇妙的水分子和水资源
超临界现象 分散体系及溶液 超临界流体的特点： ·不具备可压缩性（液体） 1。分散体系：分散介质+分散相 ·分散介质，连续、均匀： ·会充满整个容器（气体） 分散相，孤立的，分散在分散介质之中。 分散介质 分散相 体 系 g 烟 g 溶液、胶体、悬浊液 乳浊液 固溶体、合金 溶液 4.4水溶液 4.4.1溶液 ·真溶液一10m,多相，重力下沉。 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%) 溶液的浓度 4.4.2溶剂化作用和溶解度 ·重量百分比浓度： 溶质的质量 ”%·溶质的质量+溶剂的质量 -×100% 1.溶剂化作用 ·体积摩尔浓度： 溶液中的离子就会 g 与极性溶剂分子（例如 @ 。 C= 溶质的摩尔数 -mol dm' 溶液的体积 水)间产生离子一偶 ② 极之间的作用力，这一 ·质量摩尔浓度： 溶质的摩尔数 过程就叫做溶剂化。 m= mol /kg) 每kg溶剂 7
7 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 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； • 分散相，孤立的，分散在分散介质之中。 分散介质 分散相 体 系 第 4章奇妙的水分子和水资源 g s 烟 g l 雾 l s 溶液、胶体、悬浊液 l l 乳浊液 s s 固溶体、合金 溶液 • 真溶液——10-7m，多相，重力下沉。 4.4水溶液 • 溶剂(Solvent)——溶液的物理状态一致的在 溶液中含量较多的那个组分 • 溶质(Solute)——在溶液中含量较少的那个 4.4.1溶液 第 4章奇妙的水分子和水资源 溶质( ) 在溶液中含量较少的那个 组分。 • 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 %） 溶液的浓度 • 重量百分比浓度： • 体积摩尔浓度； % × 100 % + = 溶质的质量 溶剂的质量 溶质的质量 w 第 4章奇妙的水分子和水资源 • 质量摩尔浓度： （ ） 溶液的体积 溶质的摩尔数 3 C = mol / dm m mol kg / kg = 溶质的摩尔数（ ） 每 溶剂 4.4.2 溶剂化作用和溶解度 1．溶剂化作用 第 溶液中的离子就会 4章奇妙的水分子和水资源 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
2.溶解度 3.溶解热 ·溶解度一一定量的给定溶剂中可溶解 溶质的量。 ·单位：gL,mol/L △H 50 溶解度曲线图 Cex(SO-3 功方方 △Ho=△H+△H,+△H 分子间作用力与溶解过程 理想溶液 ·△H,△H,△H.的大小取决 于分子间作用力 。理想溶液 一各组分间的作用力相似 -A为溶剂：B为溶质 △Hon=0 (a) (b) 非理想溶液(1) 非理想溶液(2) ·异种分子之间的作用 ·异种分子之间的作用力 力大于同种分子内的 小于于同种分子内的作 作用力 用力 ·内聚力附着力 △H+H0 CH (CH)CO CS2 8
8 2．溶解度 • 溶解度——一定量的给定溶剂中可溶解 溶质的量。 • 单位：g/L, mol/L 第 4章奇妙的水分子和水资源 3.溶解热 ΔHb ΔHc 第 4章奇妙的水分子和水资源 ΔHa ΔHsoln=ΔHa+ ΔHb+ ΔHc 分子间作用力与溶解过程 • ΔHa, ΔHb, ΔHc 的大小取决 于分子间作用力 第 4章奇妙的水分子和水资源 • 理想溶液 – 各组分间的作用力相似 – A为溶剂；B为溶质 ΔHsoln = 0 理想溶液 第 4章奇妙的水分子和水资源 非理想溶液(1) • 异种分子之间的作用 力大于同种分子内的 作用力 第 4章奇妙的水分子和水资源 • 内聚力附着力 ΔHsoln > 0 (CH3)2CO CS2
离子化合物溶液 水合能 NaCl(s)一Na(g)+Crg) △ic>0 Na(g)+xsH,O0一Naaq)△0 AGsdlution 4.5稀溶液的依数性 4.5.1稀溶液的蒸气压下降 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：溶液比纯溶剂蒸气压下降 难挥发非电解质稀溶液的依数性： ·蒸气压下降 ·沸点升高 ·凝固点（冰点）下降 ·渗透压 4.5稀溶液的依数性 4.5稀溶液的依数性 拉乌尔定律（像aoult'sLa刚） 举例 一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气 例5-1已知100℃时水的蒸气压为101.3kPa, 压下降与溶质的摩尔分数成正比，而和溶质 溶解3.00g尿素[C0(0N旭，)2】于100g水中，计算该 的本性无关。 溶液的蒸气压。 △p= mA-p° 解：nurea=3.00/60.0=0.05mol na+nB nwater=100.0/18.0=5.55mol △P:溶液的蒸气压下降 P:纯溶剂的蒸气压 △p=- nurea 0.05 n:溶质的物质的量 nurea +n water 0.05+55×1013=0.904kPa 雪：溶剂的物质的量 p=p°-△p=101.3-0.904=100.4kPa 9
9 离子化合物溶液 第 4章奇妙的水分子和水资源 水合能 NaCl(s) → Na+(g) + Cl- (g) ΔHlattice > 0 Na+(g) + xs H2O(l) → Na+(aq) ΔHhydration 0 ? ΔGsolution < 0 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 难挥发非电解质稀溶液的依数性： 4.5稀溶液的依数性 第 4章奇妙的水分子和水资源 • 蒸气压下降 • 沸点升高 • 凝固点（冰点）下降 • 渗透压 蒸气压下降：溶液比纯溶剂蒸气压下降 4.5.1稀溶液的蒸气压下降 第 4章奇妙的水分子和水资源 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，而和溶质 的本性无关。 拉乌尔定律(Raoult’s Law) 0 p n p A Δ = 第 4章奇妙的水分子和水资源 p n n p A + B 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 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： nurea＝3.00/60.0＝0.05 mol 举例 第 4章奇妙的水分子和水资源 nwater＝100.0/18.0＝5.55 mol 0 p n n n p urea water urea + Δ = p = p − Δp 0 101.3 0.904kPa 0.05 5.55 0.05 × = + = = 101.3− 0.904 = 100.4kPa
蒸气压随温度的变化 ·水的蒸气压 冰的蒸气压 At a later time 属气 信市面中h ·密闭容器中会发生什么？ 稀溶液时 4.5稀溶液的依数性 4.52稀溶液的沸点升高和凝固点下降 1000g游剂中所含 沸点：当液体的蒸气压等于外界的压力时，液体就会 △T沸=K湍m 喜质的物质的量 产生沸鹰现象，这时的温度称为沸，点。 凝围点：当围体的蒸气压等于外界的压力时，这时的 △T凝=K凝m 溶液的质量摩尔浓度 温度称为凝国点， *:沸点上升常教 薰：凝固点下降常数 一些溶剂的凝固点下降常数和沸点上升常数 溶剂凝固点（℃）Ka(K-kg-mol沸点()Ka(K-kg-mol 乙酸 17 3.9 118.1 2.93 苯 5.48 5.12 80.2 2.53 氯仿 -635 4.68 62.3 363 茶 80 6.8 1.86 100.0 051 例 4.5稀溶液的依数性 纯苯的凝国点为5.40℃，0.322g蒸溶于80g苯， 4.5.4稀溶液的渗透压 配制成的溶液的凝国，点为5.24℃.已知苯的K囊 值为5.12，求蒸的摩尔质量。 半透膜：只允许 水分子自由通过 解： 而不允许溶质分 △T凝 5.40-5.24 =0.0313mol-kg 子或离子通过的 m= K凝 5.12 膜状物质 如：细胞膜、肠 0.322/M 衣、牛皮纸 1m= =0.0313 80/1000 Nachthalene 渗透压：因溶液中的溶剂分子可以通过半透膜，而 M=128.6g.mol- MoL.WL:12817 溶质分于不能透过半透膜而产生的压力，以符号卫 故慕的摩尔质量为128.6 表示。 10
10 第 4章奇妙的水分子和水资源 • 密闭容器中会发生什么？ 蒸气压随温度的变化 • 水的蒸气压 冰的蒸气压 第 4章奇妙的水分子和水资源 沸点：当液体的蒸气压等于外界的压力时，液体就会 产生沸腾现象，这时的温度称为沸点。 凝固点：当固体的蒸气压等于外界的压力时，这时的 温度称为凝固点。 4.5.2稀溶液的沸点升高和凝固点下降 第 4章奇妙的水分子和水资源 稀溶液时： T K m T K m 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 4.5 稀溶液的依数性 第 4章奇妙的水分子和水资源 一些溶剂的凝固点下降常数和沸点上升常数 溶剂 凝固点(℃) K凝(K·kg·mol-1) 沸点(℃) K沸(K·kg·mol-1) 乙酸 17 3.9 118.1 2.93 苯 5.48 5.12 80.2 2.53 氯仿 -63.5 4.68 62.3 3.63 萘 80 6.8 - - 水 0 1.86 100.0 0.51 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。 解： = Δ = T凝 m 4.5 稀溶液的依数性 1 0 0313 5.40 5.24 − = ⋅ − mol kg 例 第 4章奇妙的水分子和水资源 Naphthalene Mol. Wt.: 128.17 = = K 凝 m 1 128.6 0.0313 80 /1000 0.322 / − = ⋅ = = M g mol M m 故萘的摩尔质量为128.6 0.0313 5.12 = mol kg 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 4.5.4稀溶液的渗透压 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。 膜状物质 如：细胞膜、肠 衣、牛皮纸