技術(shù)文章
Technical articles*節(jié) 水的物理特性
一、比熱
在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變的情況下,一定質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高一度所吸收的熱量稱為該物質(zhì)的熱容量或熱容。單位物質(zhì)的熱容稱為比熱。
因此,不同的物質(zhì)增加相同的溫度,比熱越大的物質(zhì)吸收的熱量越多。
水的比熱在所有液體和固體物質(zhì)中是大的,同時(shí)具有很大的蒸發(fā)熱和溶解熱,所以使得天然水體可以調(diào)節(jié)氣候溫度,冷卻、儲(chǔ)存及傳熱的優(yōu)良載體介質(zhì)。被大量地用作工業(yè)冷卻介質(zhì)或加熱介質(zhì)。
水的高比熱是由于水能形成分子間氫鍵所引起的。因?yàn)闇囟鹊纳呤怯捎诜肿舆\(yùn)動(dòng)加劇的結(jié)果,而若要使水分子運(yùn)動(dòng)加劇,不但要提供能量去克服分子間范德華力的束縛,還要提供額外的能力去克服分子間氫鍵的束縛。
二、水是一種強(qiáng)極性分子
分子中氧的電負(fù)性比氫大得多,分子中共用電子對強(qiáng)烈地偏向氧原子一邊,使氫原子變?yōu)閹缀?ldquo;裸露”的氫核,而氧原子不但強(qiáng)烈地吸引成鍵電子對,而且還有孤電子對,負(fù)電荷很集中。因此水的極性很大。
對于極性分子,其本身具有的偶極稱為固有偶極,在沒有外電場作用時(shí),極性分子的固有偶極由于分子運(yùn)動(dòng)而雜亂無章地排列。但在外電場作用下雜亂無章的極性分子可按電場方向定向排列起來,同時(shí)由于電場的作用而使偶極加大(固有偶極加誘導(dǎo)偶極)。在水處理中磁處理就是按這一原理而設(shè)計(jì)的。
三、水與它的同族氫化物比較,熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熔化焓、蒸發(fā)焓都異常高。
四、水密度反常
在接近水的沸點(diǎn)時(shí),水主要以簡單分子存在。
冷卻時(shí),分子的熱運(yùn)動(dòng)減緩,分子間距離減小。因而水的締合度增大,分子間排列緊密,這個(gè)因素使水的密度增大。當(dāng)溫度降到277.13k(3.98℃)時(shí),水的密度達(dá)到大,定為1.000g/cm3。
當(dāng)溫度繼續(xù)降低,出現(xiàn)較多的(H2O),以及具有類似冰結(jié)構(gòu)的大締合分子。由于氫鍵的方向性,使水分子不能緊密堆積,出現(xiàn)類似冰的松弛的結(jié)構(gòu),水的密度反而下降。到273.16K(0℃)時(shí),全部水分子締合成一個(gè)大的締合分子,結(jié)構(gòu)十分疏松,而密度突然大幅度下降,從而使等量的水體積增大。因此水在結(jié)冰時(shí)體積膨脹。
第二節(jié) 水的化學(xué)性質(zhì)
一、水的熱穩(wěn)定性
水的離解度(即對反應(yīng)2H2O→2H2↑+O2↑而言)可以作為水的熱穩(wěn)定性的反應(yīng)。
隨著溫度的升高,水的離解度增大,1000K時(shí),水的離解度僅有3×10-5%,即使達(dá)到2400K,離解度也僅有2.94%,只占水的很小一部分。所以說水具有很高的熱穩(wěn)定性。
二、水合作用
水分子是個(gè)極性分子,介電常數(shù)很大,當(dāng)水分子遇到極性化合物或離子化合物的正負(fù)離子時(shí),水的偶極子將和這些化合物的正負(fù)端或離子間產(chǎn)生相互吸引,于是發(fā)生水合作用,增強(qiáng)溶質(zhì)的離解能力,形成具有一定數(shù)目的配位水分子的水合離子,如H3O+、[Fe(H2O)6]+、[Zn(H2O)4]+、[Cu(H2O)4]+。
因此,水作為一種溶劑,是任何其它物質(zhì)都不能與之相比的。
三、水解作用
從廣義上說水解是指水被分解的反應(yīng)及氧化物與水的反應(yīng),這些反應(yīng)有的為氧化還原反應(yīng),有的為非氧化還原反應(yīng),例如下列反應(yīng):
CaO + H2O = Ca(OH)2
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
Cl2 + H2O = HCl + HClO
狹義水解反應(yīng)指的是一些鹽類或二元化合物的非氧化-還原的分解水的反應(yīng),如:
PCl5 + H2O ===H3PO4
Na2CO3 + H2O === NaHCO3+ NaOH
PBCl3 H2O === PbOCl↓ + 2HCl
水在很多方面還是一種催化劑。極微量的水有時(shí)會(huì)對反應(yīng)的進(jìn)行起重大作用。
四、水分子間的質(zhì)子傳遞反應(yīng)
水是一個(gè)弱電解質(zhì),它可以產(chǎn)生微弱的電離,電離反應(yīng)式可表示為:
H2O + H2O === H3O+ +OH-
295K時(shí)水解離的氫離子濃度與氫氧離子濃度的乘積為1×10-14,此值稱為水在295K時(shí)的離子積,離子積隨溫度的變化明顯。
第三節(jié) 水的異常特性與結(jié)構(gòu)
分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有很大極性和生成氫鍵的很強(qiáng)能力。
水分子之間很強(qiáng)的相互作用,內(nèi)聚力很大,在提高溫度、增強(qiáng)水分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)需要更多的熱量和更高的溫度。
在常溫下所有的液體中,除汞以外,水具有大的表面張力(72.75達(dá)因/厘米,20℃),而其他液體大多只在20-50范圍。
---溶點(diǎn)和沸點(diǎn)相對較高,比熱很大,溶解熱和蒸發(fā)熱都有較高數(shù)值,水的表面張力很強(qiáng)。
----水的各種界面特性,如毛細(xì)、潤濕、吸附等均很突出,在各種物理化學(xué)變化中以及自然界機(jī)體生命活動(dòng)中起著顯著作用。
水的溫度-體積效應(yīng):冰溶解為水后,溫度升高時(shí)有兩種過程影響其體積和密度。一是正常的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),使體積膨脹密度減??;二是氫鍵解體,一部分水分子填充到晶格結(jié)構(gòu)空隙中,使體積縮小密度增大。4℃以前,后一過程占優(yōu)。
介電常數(shù)大,溶解和離解能力強(qiáng),化學(xué)反應(yīng)活潑,是由于水分子的極性和氫鍵生成能力,能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈水合作用。
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