• /  7
  • 下載費用: 9.90積分  

水的結晶(通用).doc

'水的結晶(通用).doc'
? 水的結晶水是地球上的重要物質,對于生命來說尤其重要。水有很多特殊的性質,例如水結成冰后體積不但不減小反而增大,水在4°C時密度最大,水的比熱和汽化熱等都比一般物質大,等等。這些現象都與水分子間的相互作用,即成鍵情況有密切的關系,下面就此問題作些淺顯的討論。圖4-庫-8 冰—Ih的結構示意水分子是極性分子,兩個H—O鍵成104.5°角。水分子間的相互作用力是范德瓦耳斯力,但相互作用方式有其特殊性。當它結成晶體(即冰)時,一個水分子的氫原子與另一個水分子的氧原子相互吸引,組成一種特殊的晶體結構,如圖4-庫-8所示。圖中大圓圈表示氧原子,小圓圈表示氫原子,在這里,每一個氫原子一端與氧原子組成共價鍵(用短實線表示),而另一端則與另一個水分子中的氧原子靠范德瓦耳斯力連接,它們之間的鍵合方式稱為“氫鍵”,在圖中用虛線表示。由于氫鍵本質上仍是范德瓦耳斯力,它的強度遠比另一端的共價鍵要弱得多,因此氫原子并不處于兩個氧原子的正中,而是靠氫鍵連接的兩個原子距離較遠,在圖中虛線畫得都比實線長,就是表示這個信息。冰的晶體屬六角晶系,它是一種比較特殊的晶體結構,每一個水分子都與另外三個水分子相連接(每一個水分子的兩個氫原子分別與另兩個水分子的氧原子連接,而它的氧原子則與第三個水分子的某一個氫原子連接),由于氫鍵的特殊方向性,使得冰的晶體結構內部很“空曠”,遠不如金屬晶體那樣密集,因此在水結成冰的過程中,體積不是像大多數物質那樣縮小,反而要脹大,即冰的密度比液態水的密度要小。當冰在0°C時吸熱熔化成水后,水中的氫鍵結構只有約15%斷裂,其余85%仍然保留。但這15%的氫鍵解體,就使得體積明顯縮?。s縮小1/10)。當水的溫度逐漸升高時,水中的氫鍵結構逐漸解體,到20°C時水中的氫鍵約還有一半,到了100°C沸點時,水中仍有約20%的氫鍵結構存在。隨著溫度的逐漸升高,一方面是氫鍵結構的解體,它造成水的體積縮小,而另一方面熱膨脹現象又造成水的體積脹大,這兩種因素都在起作用。從0°C開始升溫的初始階段,氫鍵的解體起主要作用,因此水的體積隨溫度的升高而減小,在4°C時體積變得最小而密度最大,4°C以后,溫度再升高,起主要作用的就是熱膨脹了,因此從4°C以后,水也像大多數物質一樣熱脹冷縮。氫鍵雖然本質上是范德瓦耳斯力,但比一般的范德瓦耳斯鍵要強一些。冰在升華直接變成水蒸氣的過程中,要吸收熱量,稱為升華熱,吸收的熱量中的大部分是使氫鍵解體,小部分則是克服一般范德瓦耳斯鍵的作用,前者約占3/4,后者只占1/4。具體地說,在0°C時冰的升華熱約是51.0 kJ/mol,其中瓦解氫鍵需要37.6 kJ/mol,其余13.4 kJ/mol則是克服一般范德瓦耳斯鍵所需的能量。正因為水在溫度升高的過程中,氫鍵要逐漸解體,而瓦解氫鍵需要較大的能量,因此水的比熱比一般物質都大。水的汽化熱和升華熱也比一般物質要大,其原因也是因為需要克服氫鍵的作用。氫鍵在生命過程中起著重要作用,具體地體現在液態水身上。水是生命的重要源泉,前面說到的水的幾個特性,對于生命都極為重要。水有較大的比熱和汽化熱,使得水成為地球上的熱量調節庫。我們地球的日夜溫度變化和季節溫度變化都是較小的,這對于生命的生長發育極為有利;水在4°C時密度最大,在4°C以下繼續冷卻以至結冰的過程中,體積要膨脹,對流現象停止,這使得江河湖海在冬天結冰時,從上表面開始結冰,而底層的水則仍然保持4°C的溫度不變,這樣水中的動、植物都不會被凍死。水的這一切特性,都與氫鍵有關,這正是我們說氫鍵在生命過程中起著重要作用的原因。一般說來,任何一種物質,在溫度、壓強等發生變化時,都會呈現不同的物態,研究物態變化對于深入了解物質的結構及性質,對于研制新材料及新物質,都具有很大的現實意義。熔化和凝固物質由固相轉變為液相,叫做熔化;由液相轉變為固相,叫做凝固。在一定的壓強下,晶體要升高到一定溫度才發生熔化,這個溫度叫做熔點,其相反過程即由液相轉變為固相的溫度叫做凝固點。在熔化或凝固過程中,雖然溫度保持不變,但要吸收或放出相變潛熱。單位質量某種物質熔化成同溫度液體時吸收的熱量,叫做熔化熱;相反過程放出的熱量,叫做凝固熱;熔化熱等于凝固熱。在熔化和凝固的過程中既有固相,也有液相,加熱則向液相轉變,放熱則向固相轉變。因此,熔點(凝固點)就是在一定壓強下固液兩相平衡共存的溫度。晶體具有一定熔點,決定于晶體具有遠程有序的點陣結構,破壞這種結構所需的能量是一定的。當溫度升到一定數值,平均熱運動能達到晶體的結合能時,一處的結構能夠被解離(熔化),另一處在同一溫度下同樣能夠被解離,這個溫度就是熔點。非晶體不具有遠程有序的特點,只具有近程有序的微觀結構,破壞不同的微觀結構需要不同的能量,因而表現為隨溫度升高而逐漸軟化和熔化。熔化時所需的熔化熱主要用于破壞晶體的點陣結構,因此熔化熱可以用來衡量晶體結合能的大小。.晶體的凝固與熔化構成晶體的物質微粒是按一定的規則排列的,這些物質微粒在一定的位置附近做無規則振動,一般不能改變其平衡位置,因此它們都具有一定的體積和一定的形狀。晶體物質吸熱溫度升高,物質微粒的無規則振動加劇。到一定程度(溫度達到熔點),再繼續吸收熱量,物質微粒的能量能夠克服相互間的作用力而離開各自的平衡位置,空間點陣開始解體,這就是熔化。反過來,液體向外放熱而溫度降低,物質微粒的無規則振動減弱,到一定程度,相互間的作用力將把它們束縛在一定的平衡位置上,使得它們不再能隨意移動,這些物質微粒將重新按一定的規則排列起來,這就是凝固,更準確地說這就是晶體的結晶過程。熔化需要吸收能量(吸熱),而凝固需要放出能量(放熱),從這點來說,熔化與凝固確是相反的過程,但是晶體的熔化與凝固是不是完全可逆的過程呢?再說具體點:熔點是晶體熔化時的溫度,晶體溫度升高到熔點,只要再繼續從外界吸收熱量,晶體就開始熔化,熔化過程中溫度保持不變,直到全部熔化完以后溫度才會繼續升高,反過來,液體的溫度降低到達熔點時的溫度,再繼續放熱,是否就一定開始結晶呢?答案是否定的。在實際實驗中常??梢杂^察到純凈的液體溫度已經降低到熔點溫度以下而液體仍未結晶的現象,這種液體稱為“過冷液體”,過冷液體是一種亞穩態。最早發現這種現象的是溫度計的發明者,德國人華倫海特。一次他為了觀察水的結晶現象,特意把一個玻璃瓶洗得非常干凈,裝滿水并塞緊瓶塞,放到冬天的室外凍一夜,當次日清晨室外已是冰垂屋檐時,發現瓶中的水沒有一點結晶。當時他非常驚奇,拿起瓶子并拔起瓶塞,想仔細觀察一下,卻突然像變魔術一樣,整瓶水在剎那間就全部變成了冰針。經過認真研究,得知只要純凈的水“安靜”地放置在清潔的容器里,溫度慢慢降低到熔點溫度以下,仍不會結冰,而這些處于過冷狀態的液體,只要受到擾動,就會很快結晶。據說有一位英國的物理學家把一瓶水楊酸苯脂液體在過冷的環境下安靜地放置了很久而未結晶,他非常得意,想把這一珍品展示給前來聽課的學生,學生們正期盼著觀賞這一奇跡時,卻由于他在移動瓶子的過程中的一點輕微振動,瞬間就全部變成了晶體。學生們雖然十分遺憾,卻也真正明白了過冷液體只是一種亞穩態的道理。結晶過程是比較復雜的,除了要降到熔點溫度以下,繼續向外放熱以外,還有一個必要條件,就是液體中存在晶核。晶核就是結晶中心,晶體就以晶核為中心逐漸“生長”。如果液體中只有一個晶核,結晶完成以后就形成單晶體;如果有多個晶核,液體分子分別以這些晶核為中心“生長”出多個晶體,每個晶體內分子的排列都規則有序,而這多個晶體之間卻是無序的,這就是多晶體。能作為晶核的可以是殘存在液體中的細小晶粒,也可以是塵埃一類的微小異物。純凈的液體常處于過冷狀態而不結晶,就是因為缺少晶核。當然,過冷的液體并不是絕對不能結晶,只是不容易結晶。由于分子運動的不均勻性(稱為漲落現象),某些分子可能會互相靠近而自發形成小的晶粒,從而成為結晶的中心。如果過冷液體受到小的擾動,就大大增加了自發形成晶核的可能性,從而很快完成結晶過程。如果往過冷液體中撒一些細小灰塵,過冷液體也會在極短時間內完成結晶過程。圖4-庫-11 晶體凝固圖象對于化學純的能夠結晶的液體,讓它慢慢散熱,其溫度隨時間變化規律可用圖4-庫-11所示的圖象表示。圖中B點對應著熔點的溫度值,如果液體內存在充足的晶核,它會沿圖中虛線BEC變化,即在結晶過程中保持溫度不變,直到全部結晶完成,溫度才繼續下降。但對缺少晶核的純凈液體,它將沿著實線BDE變化,即溫度先下降到熔點溫度以下,成為過冷液體,待自發形成晶核并大量結晶以后,溫度回到熔點溫度,只有很小一段(圖中EC段)保持這個溫度不變,到達C點即完成了結晶過程,CF段已經是晶體向外放熱而溫度下降的過程了。如果液體散熱過快,液體來不及結晶其溫度已經降到很低而成為固體,則這時的固體是非晶體,或說是玻璃態固體。以前很長時間里人們總以為只有少數物質才能凝固成為玻璃態固體,而像金屬這類物質則只能以晶體的形式存在,這是不對的。大量的實驗證明,在材料的熔點以下還有一個“玻璃化點”,如果液體冷卻到熔點以下、玻璃化點以上的溫度區間,液體就會凝固成為晶體,而如果液體的冷卻速度很快,溫度能夠很快越過熔點之下、玻璃化點之上這一“危險區域”,降低到玻璃化點以下,則過冷液體將凝固成為玻璃態固體?,F在已經能夠制成玻璃態金屬,而工藝的關鍵是“快速冷卻”。圖4-庫-12所示是一種制造玻璃態金屬薄帶的裝置示意圖。熔化的金屬從石英管的細孔中噴到正在快速旋轉著的冷銅輥表面,銅輥是熱的良導體,并且與巨大的散熱裝置緊密相連,噴出的液體接觸銅輥后降溫的速度很快,可以達到1 000 K/ms,因此溫度很快就降低到玻璃化點以下,從而凝固為玻璃態的金屬薄帶。玻璃態金屬具有一般金屬的高強度,但彈性比一般金屬更好,電阻率也更大,特別是具有良好的防輻射性能,因此在宇航、核工業、可控熱核反應等領域中有著特殊的應用前景。圖4-庫-12 制造玻璃態金屬的裝置由此說來,晶體的凝固過程比熔化過程要復雜得多,二者并不是真正互逆的。下面簡單談談關于溶液的結晶問題,請注意這里的結晶與上面所說的晶體的凝固是不同的概念。我們以水的食鹽溶液為例,海水就是常見的水的食鹽溶液(海水中的其他成分數量都很少,可以忽略)。這里有兩個方面的問題,一方面是溶質(海水中的鹽)的結晶,另一方面是溶劑(水)的結晶。①溶質的結晶。水中溶有食鹽時,如果鹽的數量很少,再加些鹽仍會繼續溶解,這叫做未飽和溶液;如果水中食鹽數量很多,再加入鹽也不會溶解,則稱為飽和溶液。海水是鹽的未飽和溶液。使未飽和溶液變為飽和溶液的辦法一個是增加溶質,一個是降低溫度,再一個則是蒸發溶劑。當溶液已經成為飽和溶液以后,如果再繼續降低溫度,或者蒸發溶劑,如果內部沒有晶核存在,溶液就成為過飽和溶液,如果有晶核存在,溶質就會析出而結晶。由海水曬制食鹽就是用蒸發水分的辦法使鹽結晶析出的。②溶劑的結晶。以海水為例,冬天當溫度已經降到結冰溫度以下時,水中的食鹽仍未達到飽和,這時再放出熱量,海水就要結冰,結成的冰塊(大的成為冰山)漂浮在海面上。把海水中的冰塊融化,發現是淡水,不含食鹽。這說明這個過程結成的是單純溶劑的晶體,而把溶質完全排除。淡水是人類生存的重要資源,尤其對一些嚴重缺水的國家和地區,淡水缺乏是制約經濟發展和生存環境惡化的重要原因,淡化海水可能是解決這一問題的有效辦法,但海水的淡化非常困難,經濟上很不合算,于是有人提出把南極的冰山拖到缺水的中東地區,再把冰山融化而取得淡水。當然這在技術上也有一些困難,經濟上是否合算也還需進一步論證,對環境的影響更應該深入研究,但總體來講仍有誘人的前景。目前已進行過實驗,還沒有進入大規模實施階段。
關 鍵 詞:
結晶 通用
 天天文庫所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:水的結晶(通用).doc
鏈接地址: http://www.094347.live/p-55546042.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服點擊這里,給天天文庫發消息,QQ:1290478887 - 聯系我們

本站為“文檔C2C交易模式”,即用戶上傳的文檔直接賣給(下載)用戶,本站只是中間服務平臺,本站所有文檔下載所得的收益歸上傳人(含作者)所有【成交的100%(原創)】。本站是網絡服務平臺方,若您的權利被侵害,侵權客服QQ:1290478887 歡迎舉報。

[email protected] 2017-2027 http://www.094347.live 網站版權所有

粵ICP備19057495號 

收起
展開
有没有苹果软件赚钱的 上海11选5专家预测 481走势图泳坛夺金开奖结果 广东11选五5开奖走势图 安徽快三形态走势图一定 新能源龙头股票 日化投资理财平台 彩视播陕西快乐10分下载 期货交易配资 广东十一选五停售 七星彩专家精准杀号