重要化合物：水自然科学基础

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：水是维持生物正常生理活动的营养物质之一。对于许多离子化合物，水能破坏离子键，将离子拉下来溶于水中。对于极性共价键的化合物，水也有类似的作用。在相反的条件下，不饱和溶液也可以转化为饱和溶液。可见，饱和溶液与不饱和溶液是相对的，有条件的。①电解质根据化合物在水溶液里或熔融状态下能否导电，可以把化合物分为电解质和非电解质。

地球表面积的70.8%被水覆盖着，总量大约有1.4×109km3，其中97.5%是海水。原始生命现象起源于原始海洋，水是维持生命存在的要素，生命离不开水。

1.水的性质

纯水在常温下为液体，熔点为0℃，沸点为100℃，无色透明，在温度为4℃时，水的密度最大，为1g/cm3；水可以和活泼金属直接反应，可以和较活泼金属在一定条件下反应，是很好的溶剂。

水具有良好的溶解性，它能溶解几乎所有的固态、液态和气态的物质。自然界里完全不溶于水的物质几乎是没有的，只不过其溶解的数量不同。

天然水在不断循环过程中，通过水的蒸发、运送、降水和径流永无止境地冲洗着地球的表层。在这个过程中地球表层的许多物质根据其含量的多寡及其各自在水里的溶解度的大小溶解到水里来，形成了今天的海洋、湖泊、河流的水。水的溶解性对于维持生物的生命活动尤为重要。水是维持生物正常生理活动的营养物质之一。它既是营养素的溶剂，又是代谢物的溶剂。在生物体内水循环的过程中，开始营养物质（碳水化合物、蛋白质、脂肪、无机盐、维生素等）被水溶解或经水解后被人体器官吸收，然后代谢物和废物又溶解到水里被排出体外。

对于许多离子化合物，水能破坏离子键，将离子拉下来溶于水中。水分子具有很强的极性，当水分子与离子化合物（如NaCl）的晶体靠近时，一些水分子带正电荷的一端朝着氯离子，而另一些水分子带负电的一端朝向钠离子，结果钠离子与氯离子之间的化学键断裂，形成被水分子包围的钠离子和氯离子，这种离子称为水合离子。对于极性共价键的化合物（如HCl），水也有类似的作用。

由此可见，物质在水中的溶解包括两个过程：一个是溶质微粒（分子或离子等）受到水分子作用向水中扩散的过程；另一个是溶质微粒（分子或离子等）和水分子结合成水合离子（或分子）的过程。

2.溶液

日常生活中，人们经常接触到无色透明的自来水、食盐水、蔗糖水，棕黑色的酱油，乳白色的牛奶，饮料和酒类。这些液体物质是不是都可以叫溶液呢？各种物质在水中以怎样的形式分散呢？究竟什么是溶液呢？把一种物质分散到另一种物质中，会发生什么不同的情况呢？

（1）分散系

将一种或几种物质以较小的颗粒分散在另一种物质中所形成的体系，称为分散系。在分散系中被分散的物质，称为分散质或分散相，通常分散质在分散系中含量较少，是不连续的；另一种在分散质周围的物质，称为分散剂或分散介质，通常分散剂在分散系中含量较多，是连续的。

熟石灰跟水混合后，得到的是浑浊的液体。静置片刻后，悬浮在水里的固体小颗粒逐渐下沉。像这种固体小颗粒悬浮在液体里的混合物，叫作悬浊液。

植物油跟水混合后，得到的是乳状浑浊的液体。静置片刻后，分散在水里的小液滴逐渐浮起来，分成两层。像这种小液滴分散到液体里的混合物，叫作乳浊液。

在悬浊液和乳浊液里，不溶解的固体小颗粒和小液滴都是许许多多分子或离子的集合体。由于固体小颗粒一般比水重，小液滴一般比水轻，静置片刻后，在地心引力的作用下，固体小颗粒逐渐下沉，小液滴则逐渐上浮，所以在这两种液体中的物质分散得都不均匀，而且不稳定。

食盐和蔗糖等放进水里，振荡后，得到无色透明的液体。这两种液体不仅是透明的，而且是均一的、稳定的。一种或一种以上的物质分散到另一种物质里，形成的均一、稳定的混合物，叫作溶液。

（2）溶质和溶剂

溶液是由溶质和溶剂组成的。在溶液里被溶解的物质叫作溶质；用于溶解其他物质的物质叫作溶剂。例如，食盐水中，食盐是溶质，水是溶剂。用水做溶剂的溶液，叫作水溶液。通常不指明溶剂的溶液，一般指的是水溶液。除了水做溶剂外，其他物质也能做溶剂。

（3）饱和溶液与不饱和溶液

蔗糖虽然易溶于水，但是溶解的量不是无限的。如在一杯水里放进蔗糖，不是放多少都能溶解的，当蔗糖水中溶解的蔗糖达到一定量时，再放进蔗糖就不能再溶解了。有什么办法可以使蔗糖继续溶解呢？一般有两种方法：一是增加水量。水越多，溶解的蔗糖越多。二是升高温度。通过加热使溶液温度升高，蔗糖溶解的量便会增加。

因此，我们在讨论某种溶质在某种溶剂里溶解的量时，必须限定“温度”和“溶剂量”这两个条件。化学上，在一定温度下和一定量的溶剂中，若所溶解的溶质不能再溶解了，这时的溶液就叫作这种溶质的饱和溶液，如果这种溶质还能继续溶解，就是不饱和溶液。通过上面讨论，很容易理解：升高温度，饱和溶液可以转化为不饱和溶液；增加溶剂量，饱和溶液也可以转化为不饱和溶液。在相反的条件下，不饱和溶液也可以转化为饱和溶液。

可见，饱和溶液与不饱和溶液是相对的，有条件的。当温度或溶剂量改变时，可以相互转化。

（4）溶液的浓度和配制

溶液的浓度是指一定量溶液中含有溶质的量的多少，它可以有多种表示方法。如果用一定质量的溶液中溶质的百分含量来表示，称为质量浓度（质量分数）。在学习物质的量以后，还可以用物质的量浓度来表示。

在1L溶液里含有1mol的溶质，这种溶液的物质的量浓度表示为c=1mol/L。如果溶质的物质的量为n（mol），溶液的体积为V（L），则：

配制物质的量浓度的溶液时，首先称取（或量取）所需物质的质量（或体积），经溶解（稀释）后再用容量瓶定容。

例如：配置100mL 1mol/L NaCl溶液，步骤如下：

①根据计算，先在天平上称取5.85g氯化钠；

②用适量蒸馏水在烧杯中溶解，冷却至室温（20℃）；

③将溶液小心地转入100mL容量瓶中，用少量蒸馏水洗涤烧杯两次，洗涤液倒入容量瓶中，使溶液混合均匀；

④再加蒸馏水至离刻度大约2cm处，改用胶头滴管滴加蒸馏水，使溶液凹面最低点与刻度线相切（平视）；

⑤塞好瓶塞，反复摇匀。

（5）溶液中的化学平衡

生活中，很多反应都是在溶液中进行的，溶液中常发生一种特殊的化学平衡，这就是电离平衡。

①电解质

根据化合物在水溶液里或熔融状态下能否导电，可以把化合物分为电解质和非电解质。

电解质的水溶液能够导电，靠的是在水溶液里电离出的能自由移动的带电粒子。以氯化钠为例，溶解在水中的氯化钠能产生可自由移动的钠离子和氯离子，这个过程就叫电离，可以用电离方程式表示：

NaCl======Na++Cl-

当在氯化钠溶液中插入电极并连接直流电源时，带正电的钠离子向阴极移动，带负电的氯离子向阳极移动，因而，氯化钠的水溶液能够导电。酸、碱和大部分的盐都是电解质。

②弱电解质的电离平衡

根据电解质在水溶液里的电离能力的大小，又可以把电解质分为强电解质和弱电解质。强电解质是指在水溶液里能完全电离的电解质。通常，强酸（盐酸、硫酸、硝酸等）、强碱（氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡等）、盐（氯化钠、硝酸银、高锰酸钾等）是强电解质。弱电解质在水中只能部分电离成离子。

弱电解质溶于水时，在水分子的作用下，弱电解质分子电离出离子，而离子又可以重新结合成分子，因此，弱电解质的电离过程是可逆的。这个可逆的电离过程也与可逆的化学反应是一样的，它有相反的两种反应趋向，最终将达到平衡。在一定的条件下，当弱电解质分子电离的速率和离子重新结合生成分子的速率相等时，电离过程就达到了平衡状态，这就是电离平衡。它与其他的化学平衡一样，也是动态平衡。平衡时，单位时间里电离的分子数和离子重新结合成的分子数相等，在溶液里离子的浓度和分子的浓度都保持不变。

③水的电离和溶液的pH值

水是一种极弱的电解质，它能微弱地电离，生成H+和OH-：

25℃时，1L纯水中只有1×10-7mol水电离，因此，纯水中[H+]和[OH-]均等于1×10-7mol/L。在一定温度时，水跟其他弱电解质一样，也会达到电离平衡状态。

常温下，由于水的电离平衡的存在，不仅是纯水，就是在酸性或碱性溶液里，[H+]与[OH-]的乘积总是一个常数——1×10－14（mol/L）2。在中性溶液里，[H+]=[OH-]=1×10－7mol/L；在酸性溶液中不是没有OH-，而是其中的[H+]＞[OH-]，即[H+]＞1×10－7mol/L；在碱性溶液中也不是没有H+，而是其中的[OH-]＞[H+]，即[H+]＜1×10－7mol/L。

[H+]越大，溶液的酸性越强；[H+]越小，溶液的酸性越弱，碱性越强。如果溶液中[H+]值很小，例如：[H+]=1×10－7mol/L的溶液、[H+]=2.1×10－11mol/L的溶液等等，这样的表示方式来表示溶液的酸碱性的强弱很不方便。为此，化学上常用pH来表示溶液酸碱性的强弱：

pH=-lg[H+]

例如：纯水的[H+]=1×10－7mol/L，其pH=-lg1×10-7=7。由此可知：中性溶液的pH=7，酸性溶液的pH＜7，碱性溶液的pH＞7。溶液的酸性越强，pH越小；溶液的碱性越强，pH越大。但是当溶液的[H+]或[OH-]大于1mol/L时，一般不用pH来表示溶液的酸碱性，而是直接用[H+]浓度来表示。

同样，若已知pH=4，就可知道[H+]=1×10-4mol/L，而[OH-]=1×10-10mol/L。

我们可以用pH试纸和酸度计来测定溶液的pH。pH试纸是利用有些物质在一定pH范围内结构发生变化而显示出不同颜色的性质，来指示溶液的pH，这种物质称为酸碱指示剂（简称指示剂）。指示剂发生颜色变化的pH范围，称为指示剂的变色范围。不同指示剂有不同的变色范围。例如，石蕊是一种指示剂，它的变色范围是pH=5～8，当pH＜5时显红色，pH＞8时显蓝色，pH介于5～8时显紫色。用混合指示剂做成的pH试纸，可以在不同pH时显示不同的颜色。把溶液滴到pH试纸上，将试纸的颜色与标准色对照，就可以知道待测溶液的pH。酸度计是利用玻璃电极做指示电极，可以把电势与pH的关系反映出来，从酸度计上直接精确地读出溶液的pH。

④盐的水解

强碱弱酸所生成的盐（乙酸钠、碳酸钾等）的水溶液呈碱性，强酸弱碱所生成的盐（氯化铵、硫酸铁等）的水溶液呈酸性，强酸强碱所生成的盐（氯化钠、硝酸钾、硫酸钠）的水溶液呈中性。这是为什么呢？

我们知道水是很弱的电解质，能微弱地电离出H+和OH-，二者浓度基本相等，并处于动态平衡状态。而乙酸钠是由强碱氢氧化钠与弱酸乙酸中和所生成的盐，它是强电解质。

由于乙酸根与水电离的氢离子结合而生成弱电解质乙酸，消耗了溶液中的氢离子，从而破坏了水的电离平衡，随着溶液里氢离子浓度的减小，水的电离平衡向右移动，于是氢氧根离子的浓度增大，直到建立新的平衡，电离平衡移动的结果是溶液里[H+]＜[OH-]，从而使溶液呈现碱性。

这种溶液中，盐电离出来的离子跟水电离出来的离子结合生成弱电解质的反应，叫作盐类的水解。盐类的水解反应可以看成是中和反应的逆反应，我们知道酸碱中和反应是放热反应，所以盐类的水解反应是吸热反应，因此升高温度可以促进盐类的水解反应。

在化工生产和科学实验中，有时要利用盐类的水解反应，有时又要防止盐类水解反应的发生。

例如：泡沫灭火器中盛装的两种溶液分别是硫酸铝和碳酸氢钠溶液，使用时倒置泡沫灭火器，可使两种溶液混合，发生强烈水解反应，产生大量的二氧化碳气体，用于灭火。利用盐的水解反应还可以净化水，用三氯化铁或明矾做净水剂，就是因为铁离子或铝离子与水电离出来的氢氧根离子会结合生成氢氧化铁或氢氧化铝胶体，这些胶体能吸附水中悬浮的微粒而沉积水底，使水变澄清。

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