【正文】 2．理解溶液的蒸氣壓降低、凝固點(diǎn)下降、沸點(diǎn)上升和產(chǎn)生滲透壓的原因，了解稀溶液依數(shù)性定量計(jì)算公式的適用條件和應(yīng)用實(shí)例。 3．了解液體燃料的來源、開發(fā)、規(guī)格和應(yīng)用。 4．能聯(lián)系實(shí)例指出表面活性物質(zhì)的類型及親水基團(tuán)、憎水基團(tuán)的組成，掌握十二烷基苯磺酸鈉、硬脂酸鈉、平平加型和OP 型等表面活性物質(zhì)的化學(xué)式，理解潤濕、滲透、增溶、膠束、發(fā)泡、消泡等概念，了解 W／ O， O／ W 表示的意義，了解 HLB 值的概念及應(yīng)用。 5．理解液晶的分子排列特征及其性質(zhì)。了解液晶材料的應(yīng)用。 學(xué) 習(xí) 要 求 106 液體 中的原子及其結(jié)合態(tài)微粒不像晶體中那樣有序排列，而只在局部范圍內(nèi)保持一定程度的有序排列，即遠(yuǎn)程無序，近程有序。液體沒有固定的形狀，具有流動(dòng)性。介于晶體與液體之間的一種介晶狀態(tài)，稱為液晶 態(tài)，液晶不同于一般的固體和液體。 107 一、 水的性質(zhì)和應(yīng)用 水分子中，氫、氧原子以共價(jià)鍵相結(jié)合， O–H 鍵長為 0. 09572 nm， ∠ HOH 為 104. 52176。 。 氣相水的結(jié)構(gòu) 四面體形 電荷分布體系 OHδ δ δ + δ + 2 9 6 p m5 5o水的氣態(tài)二聚體 108 水分子的結(jié)構(gòu)和水分子間的氫鍵作用決定了水具有許多特殊性質(zhì)。 雪花 據(jù)有關(guān)研究，每 1 億片雪花中，很難找到兩片外形相同的雪花 109 圖 215 水團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 水分子間存在氫鍵而發(fā)生締合，形成水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)(H2O)n，如 圖 215所示。 水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu) O H氫鍵 110 水在 4℃ 時(shí)密度最大。晶體水–冰具有如 圖 216的穩(wěn)定六方晶型結(jié)構(gòu)，氧原子相距 0. 276 nm，中心的水分子以氫鍵和其 4個(gè)相鄰水分子相聯(lián)構(gòu)成四面體，三維伸展形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著溫度升高，冰熔化，這種“冰山”結(jié)構(gòu)塌陷，水分子排列變得更緊密，在 4℃時(shí)達(dá)到極值，此時(shí)密度最大，出現(xiàn)所謂的“冷脹熱縮”現(xiàn)象。 圖 216 冰的結(jié)構(gòu) 水的密度 111 水締合程度大，活性喪失嚴(yán)重，因而變成了“死水”。但水分子間的氫鍵在加熱、磁場(chǎng)等條件下將被破壞，從而降低了締合度。 水是最常見的液體和工程上應(yīng)用最多的溶劑。物質(zhì)一般在熱水中的溶解度大，熱水洗滌效果好；熱茶較冷水解渴等都與水的締合度降低或被解除有關(guān)。用磁化水做溶劑，可增大礦物質(zhì)的溶解度，因此常飲磁化水能降低人體“結(jié)石病”。 112 表 2. 7 不同水樣的電導(dǎo)率 水樣 電導(dǎo)率／ Sm–1 自來水 5. 0 10–1 ~ 5. 3 10–2 一般實(shí)驗(yàn)室用水 5. 0 10–3 ~ 1. 0 10–4 去離子水 4. 0 10–4 ~ 8. 0 10–5 蒸餾水 2. 8 10–4 ~ 6. 0 10–6 超純水 ~ 5. 5 10–6 純水幾乎是不導(dǎo)電的。實(shí)際應(yīng)用的水中常含有可溶性電解質(zhì)使其導(dǎo)電能力增大?？捎秒妼?dǎo)率儀測(cè)定水樣的電導(dǎo)率，可從電導(dǎo)率數(shù)值確定水的純度。 表 2. 7列出了常見水樣的電導(dǎo)率，其單位為西門子 米 –1（ Sm–1） 水的導(dǎo)電性 113 升華熱 51 kJmol–1 mp， 0℃ bp， 100℃ 熔化熱小 6 kJmol–1 比熱大 76 J mol–1 K–1 蒸發(fā)熱大 kJmol–1 熱學(xué)性質(zhì) 冰 水 汽 114 插短片： 2， 03結(jié)冰 115 地表水汽化，帶去大量汽化熱 水（ M=18）比空氣（ M=28）輕，上升高空 在高空，水汽－－云、霧、雨、雪 放出 凝結(jié)熱 冰比水輕，浮在表面：易熔、參加循環(huán)；保護(hù)物種 水的生態(tài)價(jià)值 116 純水中的 H＋ 濃度很小，在 10–7 moldm–3 左右。當(dāng)水溶液中 c(H+) 1. 0moldm–3 時(shí)， 水會(huì)發(fā)生解離： 其 標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù) （俗稱 離子積 ，）用 Kθw表示 () 式中 cθ 為標(biāo)準(zhǔn)濃度 cθ = 1. 00 moldm–3。 ]/)OH([]/)H([ θθθw ccccK ?? ??25℃ 時(shí)水的 Kwθ = 1. 00 10–14 Kwθ 值隨溫度的升高而增大，在 0℃ ， 35℃ ， 50℃ 時(shí)，分別為 1. 14 10–15， 2. 06 10–14 和 5. 35 10–14。 ]/)H(l g [pH θcc ???通常用 H+ 濃度的負(fù)對(duì)數(shù)來表示，稱為 pH 水的解離 H 2 O H + O H +117 例 2. 1 求純水在 50℃ 時(shí)的 pH 值。 50℃ 時(shí)，水的 Kwθ=5. 35 10–14，由于 c(H+) = c (OH–) 所以 c(H+) = (5. 35 10–14)1/2 cθ moldm–3 = 2. 31 10–7 moldm–3 = –1g[2. 31 10–7 moldm–3／ 1. 00 moldm–3] = 6. 64 解： ]/)H(l g [pH θcc ???118 二、溶液的蒸氣壓、凝固點(diǎn)、沸點(diǎn)和滲透壓 一定溫度下，液相（固相）與其氣相達(dá)到平衡時(shí)的壓力稱為液體（固體）在該溫度的 飽和蒸氣壓 ，簡(jiǎn)稱蒸氣壓 。飽和蒸氣壓 溫度關(guān)系線稱作飽和蒸氣壓曲線，也叫氣液（固）平衡線，它表達(dá)了飽和蒸氣壓與溫度之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。不同溫度時(shí)水和冰的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)列于 表 2. 8中。 119 表 2. 8 不同溫度時(shí)水和冰的飽和蒸氣壓 水 冰 溫度 ／ ℃ 飽和蒸氣壓 ／ kPa 溫度 ／ ℃ 飽和蒸氣壓 ／ kPa 溫度 ／ ℃ 飽和蒸氣壓 ／ kPa –15 0. 191 20 2. 339 – 30 0. 038 – 10 0. 286 25 3. 167 – 25 0. 064 – 5 0. 421 30 4. 242 – 20 0. 104 0. 01 0. 611 35 5. 624 – 15 0. 166 5 0. 872 100 101. 325 – 10 0. 260 10 1. 228 374 22 040 – 5 0. 402 15 1. 705 0. 01 0. 611 120 當(dāng)一種難揮發(fā)的溶質(zhì)溶解于溶劑后，溶液表面的溶劑分子數(shù)目由于溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的存在而減少，使相同溫度下溶液蒸發(fā)出的溶劑分子數(shù)目比純?nèi)軇┮伲慈芤旱恼魵鈮?(如圖 217中的 bb’線所示 )比純?nèi)軇┑恼魵鈮?(如圖 217中的 aa’線所示 )低。 溶液的蒸氣壓降低 121 圖 218 水、冰和水溶液的蒸氣壓隨溫度的變化 液 固 氣 溶液 Δ T fp Δ T bp 101. 325 t / ℃ t沸 100 0. 611 0. 01 a b’ a’ c b t凝 122 某些固體物質(zhì)，如氯化鈣 (CaCl2)、五氧化二磷 (P2O5)等，常用作干燥劑。這是由于它們的強(qiáng)吸水性使其在空氣中易潮解成飽和水溶液，因蒸氣壓比空氣中水蒸氣的壓力小，從而使空氣中的水蒸氣不斷凝結(jié)進(jìn)人“溶液”。 P2O5 KOH 濃 H2SO4 NaOH CaCl2 常見干燥劑的干燥能力 123 上式也稱 拉烏爾定律 (法國物理學(xué)家 ) *AB*AB pxpnnp ???? () 實(shí)驗(yàn)證明，在一定溫度下，稀溶液的蒸氣壓降低值等于該稀溶液中難揮發(fā)溶質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù) (摩爾分?jǐn)?shù) )與純?nèi)軇┱魵鈮旱某朔e，而與溶質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)： 蒸氣壓下降 的定量關(guān)系 124 圖 217中 aa’， ac， bb’ 線分別表示水、冰和溶液的蒸氣壓與溫度的關(guān)系?？梢姡?a 點(diǎn) (0. 01℃ ， 0. 611 kPa)純水和冰的蒸氣壓相等，此時(shí)達(dá)到冰、水和水蒸氣三相平衡， 0. 01℃ 即為水的凝固點(diǎn)；水溶液中由于加入了溶質(zhì)而蒸氣壓降低，溶液蒸氣壓曲線與冰的蒸氣壓曲線相交于 b 點(diǎn)，這是溶液的凝固點(diǎn)。顯然，溶液的凝固點(diǎn)比純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)下降了。難揮發(fā)物質(zhì)溶液的凝固點(diǎn)總是低于純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)。 溶液的凝固點(diǎn)下降 125 實(shí)驗(yàn)證明：在稀溶液中， 凝固點(diǎn)下降 (ΔTf )為 Bff*ff bKTTT ????式中 ΔTf 表示溶液的凝固點(diǎn)下降， Tf*、 Tf 分別表示純?nèi)軇┖腿芤旱哪厅c(diǎn)， bB 是質(zhì)量摩爾濃度，單位為 molkg–1， 例如 l kg水中溶解了 62 g 乙二醇 [C2H4(OH)2]，其質(zhì)量摩爾濃度是 1 molkg–1； Kf 為凝固點(diǎn)下降常數(shù)，它取決于純?nèi)軇┑奶匦远c溶質(zhì) 特性無關(guān)。 凝固點(diǎn)下降的定量關(guān)系 126 表 2. 9 一些溶劑的凝固點(diǎn)下降常數(shù)和沸點(diǎn)升高常數(shù) 溶劑 凝固點(diǎn) ／ ℃ Kf / Kkg mol–1 沸點(diǎn) ／ ℃ Kb / Kkg mol–1 醋酸 17 3. 9 118. 1 2. 93 苯 5. 4 5. 12 80. 2 2. 53 氯仿 – 63. 5 4. 68 61. 2 3. 63 萘 80. 0 6. 8 / / 水 0. 01 1. 86 100. 0 0. 51 127 3．溶液的沸點(diǎn)升高 當(dāng)液體的蒸氣壓等于外界壓力時(shí)，液體就沸騰，這時(shí)的溫度稱為該壓力下的 沸點(diǎn) 。純水在 100℃ 時(shí)的蒸氣壓等于 101. 325 kPa (常壓 )，故水的常壓沸點(diǎn)是100℃ 。水中加入難揮發(fā)性溶質(zhì)后，由于溶液的蒸氣壓降低，只有在更高的溫度下才能使它的蒸氣壓達(dá)到101. 325 kPa 而沸騰。于是出現(xiàn)了 沸點(diǎn)升高 的現(xiàn)象。難揮發(fā)物質(zhì)溶液的沸點(diǎn)總是高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。 128 實(shí)驗(yàn)證明：在稀溶液中， 沸點(diǎn)升高 (ΔTb )為 Bbb*bb bKTTT ????式中 ΔTb 表示溶液的沸點(diǎn)升高， Tb*、 Tb 分別表示純?nèi)軇┖腿芤旱姆悬c(diǎn)， bB 是質(zhì)量摩爾濃度，單位為 molkg–1， Kb 為沸點(diǎn)升高常數(shù)，它取決于純?nèi)軇┑奶匦远c 溶質(zhì) 特性無關(guān)。 沸點(diǎn)升高的定量關(guān)系 129 4．溶液的滲透壓 圖 2. 顯示滲透壓現(xiàn)象的簡(jiǎn)單裝臵 滲透壓 是為維持被半透膜所隔開的溶液與純?nèi)軇┲g的滲透平衡而需要的額外壓力。 純水 半透膜 П= cB R T 溶液 130 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的滲透壓與溶液的 體積摩爾濃度 及熱力學(xué)溫度成正比。 RTVncRTΠ ??n R TΠV ?或 (2. 6) 滲透壓的 定量關(guān)系 1887年，荷蘭物理學(xué)化學(xué)家 范特霍夫 (J. H. van39。 t Hoff)，提出了稀溶液的滲透壓與溫度和溶質(zhì)濃度的關(guān)系式： 131 滲透壓具有重要的生物學(xué)意義，它是引起水在生物體中運(yùn)動(dòng)的重要推動(dòng)力。按 式（ ） 計(jì)算， 298. 15 K時(shí) 0. 1 moldm–3溶液的滲透壓為 248 kPa，數(shù)值相當(dāng)可觀。一般植物細(xì)胞汁的滲透壓可達(dá) 2 000 kPa（相當(dāng)于 200 m水柱），所以水分可以籍滲透作用從植物的跟部運(yùn)送到數(shù)十米高的頂端，以供植物白天進(jìn)行光合作用的需要。人體血液平均的滲透壓約為 760 kPa，臨床上使用 0. 90% 的生理鹽水和 5% 葡萄糖溶液等等滲溶液，就是為了保持人體處于正常的滲透壓范圍，否則會(huì)導(dǎo)致溶血等嚴(yán)重后果。 滲透壓的生物學(xué)意義 132 等滲液 高滲液 低滲液 133 如果在溶液的一側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的外壓力，則溶劑由溶液一側(cè)通過半透膜向純?nèi)軇┗虻蜐舛确较驖B透，這種現(xiàn)象稱為 反滲透 。它為海水淡化和環(huán)境保護(hù)中的廢水處理提供了一個(gè)重要方法。 反滲透 海水淡化示意圖 純水 溶液 134 凡能用來燃燒而取得能量，具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的物質(zhì)都稱 燃料 。除核燃料外，一般燃料分為固體燃料、液體燃料和氣體燃料三大類。固體燃料包括煤、木材、木炭和焦炭等；液體燃料主要包括石油和頁巖油產(chǎn)品，如汽油、煤油、柴油和燃料油等；氣體燃料包括天然氣、煤氣、沼氣等。燃料是當(dāng)今世界的主要能源。預(yù)計(jì) 2020 年，全世界能源結(jié)構(gòu)中，石油將占 27%，天然氣、石油氣占 29 ~ 30%，煤占 24%，核電占 8%，水力發(fā)電占 8%，其它 4% 左右。 三、液體燃料 135 液體燃料 一般由石油經(jīng)過蒸餾分離并精制得到（汽油沸點(diǎn)范圍約為 30～ 200℃ 、煤油 140～ 280℃ 和柴油200～ 330℃ ）。它們主要由鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等烴類組成，一般不含不飽