,涉及水的组成、性质、溶液的形成、特征及相关计算等多个方面,以下从核心概念、性质对比、实验应用及计算方法等维度展开详细说明,并通过表格形式梳理关键知识点,最后以常见问题解答巩固理解。
水的组成与结构
水是由氢、氧两种元素组成的化合物,化学式为H₂O,每个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成,分子结构呈V形,键角约为104.5°,氧原子带部分负电荷,氢原子带部分正电荷,使水分子具有极性,这种极性导致水分子间存在较强的氢键,影响水的物理性质,如沸点、熔点较高(常压下沸点100℃,熔点0℃),比热容大等,水在自然界中以固、液、气三态存在,是生命活动不可或缺的物质,也是良好的溶剂。
水的性质
物理性质
- 颜色与气味:纯水无色、无味、透明,常温下为液态。
- 密度:4℃时密度最大(1g/cm³),结冰后体积膨胀,密度减小(冰的密度约0.9g/cm³)。
- 溶解性:能溶解多种物质(如盐、糖、酒精),是“万能溶剂”,但难溶于有机溶剂(如汽油、四氯化碳)。
- 导电性:纯水几乎不导电,因水中自由移动的离子极少;含电解质的水溶液(如NaCl溶液)能导电。
化学性质
- 稳定性:常温下稳定,高温下分解(2H₂O$\xlongequal{通电}$2H₂↑+O₂↑)。
- 酸性:水是极弱电解质,部分电离:H₂O⇌H⁺+OH⁻,25℃时c(H⁺)=c(OH⁻)=10⁻⁷mol/L,pH=7。
- 与氧化物反应:与碱性氧化物(如CaO)反应生成碱(CaO+H₂O=Ca(OH)₂);与酸性氧化物(如CO₂)反应生成酸(CO₂+H₂O=H₂CO₃)。
水的溶液
溶液的定义与特征
溶液是由一种或多种物质分散到另一种物质中形成的均一、稳定的混合物,被分散的物质称为溶质,能分散其他物质的物质称为溶剂,水是最常见的溶剂,水溶液具有均一性(各部分性质相同)、稳定性(外界条件不变时溶质不会分离)和混合物(由至少两种物质组成)的特征。
溶质与溶剂的判断
- 若气体或固体溶于液体,液体为溶剂(如NaCl溶于水,水是溶剂)。
- 若两种液体互溶,量多者为溶剂(如酒精与水混合,水多时水为溶剂)。
- 若有水存在,水通常为溶剂(如蔗糖溶液中水是溶剂)。
饱和溶液与不饱和溶液
- 饱和溶液:在一定温度下,一定量溶剂中不能再继续溶解某种溶质的溶液。
- 不饱和溶液:还能继续溶解溶质的溶液。 两者可通过改变温度、溶剂量或加入溶质相互转化,如饱和溶液升温(若溶质溶解度随温度升高而增大)或增加溶剂可转化为不饱和溶液。
溶解度
溶解度是衡量溶质溶解能力的重要指标,定义为:在一定温度下,某固态物质在100g溶剂中达到饱和状态时所溶解的质量(单位:g),影响溶解度的因素包括:
- 温度:大多数固体物质溶解度随温度升高而增大(如KNO₃),少数减小(如Ca(OH)₂)。
- 压强:气体溶解度随压强增大而增大,随温度升高而减小。
- 溶质与溶剂性质:“相似相溶”原理(如非极性溶质易溶于非极性溶剂)。
溶质质量分数
溶质质量分数是表示溶液组成的方法,计算公式为:
溶质质量分数=(溶质质量/溶液质量)×100%。
将10g NaCl溶解于90g水中,所得溶液溶质质量分数为(10g/100g)×100%=10%。
水的净化与溶液配制
水的净化方法
净化方法 | 原理 | 应用场景 |
---|---|---|
静置沉淀 | 利用重力使不溶性杂质沉降 | 除去水中较大颗粒杂质 |
吸附沉淀 | 加入明矾等絮凝剂,吸附小颗粒形成沉淀 | 水厂常规处理 |
过滤 | 利用滤网分离不溶性固体与液体 | 实验室初步净化 |
活性炭吸附 | 活性炭多孔结构吸附色素、异味 | 净水器、饮用水处理 |
蒸馏 | 利用沸点不同分离液态混合物 | 制取蒸馏水(纯度高) |
消毒(加氯气) | Cl₂与水反应生成HClO,杀菌消毒 | 自来水厂杀菌 |
一定溶质质量分数溶液的配制
以配制50g 10%NaCl溶液为例,步骤如下:
- 计算:需NaCl质量=50g×10%=5g,需水质量=50g-5g=45g。
- 称量:用托盘天平称量5g NaCl,用量筒量取45mL水(ρ水≈1g/mL)。
- 溶解:将NaCl放入烧杯中,倒入水,用玻璃棒搅拌至完全溶解。
- 装瓶:将溶液转移到试剂瓶中,贴标签(“10%NaCl溶液”)。
溶液的浓度计算与稀释
溶液稀释原理
稀释过程中溶质质量不变,公式为:m(浓溶液)×w(浓溶液)=m(稀溶液)×w(稀溶液)。
将50g 20%NaCl溶液稀释至10%,需加水质量=(50g×20%/10%)-50g=50g。
溶液混合计算
两种不同质量分数的同种溶质溶液混合,混合后溶质质量分数为:
w混合=(m₁w₁+m₂w₂)/(m₁+m₂)。
将30g 15%NaCl溶液与20g 25%NaCl溶液混合,w混合=(30g×15%+20g×25%)/(30g+20g)=19%。
水的溶液在生活中的应用
- 生理盐水:0.9%的NaCl溶液,与人体血浆渗透压相等,用于医疗输液。
- 农业施肥:将化肥(如NH₄NO₃)配制成溶液,便于植物吸收。
- 工业生产:电镀液、冷却水等均涉及水溶液的应用。
- 实验室:酸、碱、盐溶液是化学反应的重要介质。
相关问答FAQs
问题1:为什么水的沸点比同主族其他氢化物(如H₂S)高?
解答:水分子间存在氢键,而H₂S分子间仅存在范德华力,氢键的作用力远大于范德华力,破坏水分子间作用力需要更多能量,因此水的沸点(100℃)显著高于H₂S(-60.4℃)。
问题2:如何判断某溶液是否达到饱和状态?
解答:判断方法有两种:① 在一定温度下,向溶液中加入少量溶质,若溶质不再溶解,则溶液已饱和;② 测定该温度下溶质的溶解度,若溶液中溶质质量与溶剂质量的比值等于溶解度(即100g溶剂中溶质质量为溶解度数值),则溶液饱和。