大学化学小论文0℃时,压缩低压水蒸气的相变过程.docx

0℃时, 压缩低压水蒸气的相变过程摘要：水是生活中非常常见的物质。首先，水在生命演化中起到了重要作用，可以说，水是孕育生命的摇篮，液态水的存在是生命存在的前提。其次，水有许多特殊的性质，比如，水的比热容是常温下常见物质中最大的。另外，水还与我们的生活息息相关。因此，研究水的性质就显得十分有意义。本文将研究0℃时, 压缩低压水蒸气的相变过程。同时，本文也将讨论水分子间氢键对水的性质的影响。关键字：水；0℃；压缩；相变；三相点；氢键；分子间距1．引言由于我们生活的环境中，温度与压强在科学研究尺度上看来都较为稳定，也就是说，波动范围比较小。因此，许多在超出这个范围条件下的现象会出现与我们常识不符的情况，同时，也有许多常识，我们并不是很了解其具体原因，这个时候，用科学去解释现象就很有意义。例如，在0℃的时候压缩低压水蒸气时，水蒸气状态的变化是怎么样的？首先，0℃的水蒸气就已经很难在日常生活中见到了，状态的变化就更难通过常识得知了。那么就让我们从科学的角度研究一下这个变化的过程。2．相在研究0℃时压缩低压水蒸气的相变过程之前，我们先明确一下相的概念。“系统中物理性质和化学性质完全相同而与其他部分有明确界面分隔开来的任何均匀部分叫做相。”3．水的三相图“对于纯物质，温度和压力对物质状态的影响，用图形表示出它们之间的关系，叫单一组分相图。”三相图是研究相变以及物质性质的一个十分直观实用的工具。为了研究在0℃时压缩低压水蒸气的相变过程，我们可以参考水的三相图。首先给出水的三相图。图1 水的三相图值得一提的是，从图中可以看出，水的三相点对应的温度约等于0.01℃。“这个数据，正是由我校的知名校友黄子卿教授于1934年精确测得（0.00981±0.00005℃）。这是热力学上的重要数据，也是温度计量学方面的基础工作。”观察水的三相图，oa、ob、oc三条曲线将其分为3个部分，分别为s、l、g，即固态、液态、气态。继续观察，还可以得出，曲线oa为气液分界线，曲线ob为气固分界线，曲线oc为固液分界线。4．根据水的三相图研究0℃时压缩低压水蒸气的相变过程鉴于我们研究的是在0℃时压缩低压水蒸气的相变过程，可以在水的三相图中作一条垂直于横轴的直线，其上所有点对应的横坐标均为0℃。如图所示，直线m即为所作的直线，它与气固分界线ob、固液分界线oc分别交于Q、P两点，从而直线m被这两条分界线分为RQ、QP、PT三段。这三段分别表示H2O的状态为气态、固态、液态。图2 水的三相图+竖直线由于是压缩低压水蒸气，为了让研究更有意义一些，我们可以认为H2O的状态点是从R点开始移动。因为压缩过程中，压强是在不断增大的，所以相应的，H2O的状态点是向上移动的。于是，它将依次经过RQ、QP、PT这三段直线，再由这三段直线分别代表的状态可判断出，0℃时压缩低压水蒸气的相变过程是：气态→固态→液态。也就是说，0℃时压缩低压水蒸气，它会先变成固态的冰，随着压强继续增大，它会进一步变为液态的水。5．从微观角度解释0℃时压缩低压水蒸气的相变过程我们已经由水的三相图推出了0℃时压缩低压水蒸气的相变过程。为了使结论更加严密可信，接下来，我们将从微观的角度研究该变化过程的原因。首先，众所周知，宏观的水在微观上是由一个个水分子组成的。另外，决定物质体积的因素有下列几条：一是微粒的个数；二是微粒的大小；三是微粒之间的平均距离；四是微粒之间形成的各种结构。针对我们的研究对象——0℃时压缩低压水蒸气的相变过程，我们可以认为，水中水分子的个数、大小是不变的。还有，物质的所处状态决定于物质的分子结构。研究0℃时压缩低压水蒸气的相变过程也就是研究H2O的状态变化过程。固体的分子结构紧密，表现为有一定的形状和体积，液体的分子结构决定了其有一定的体积，但没有一定的形状，气体的分子结构松散，决定了其没有一定的体积和形状。6．氢键研究到这就不得不提一下氢键。氢键是一种特殊的分子间作用力。“在H2O分子中，因O原子的电负性大，电子云强烈偏向O原子一方，使H原子一端显正电性。由于H原子半径很小，当电子强烈地偏向O原子后，H原子几乎成为一个“裸露”的质子，因此正电荷密度很高，可以和相邻的H2O分子中的O原子产生静电吸引作用，形成氢键。在冰分子中每个H原子都参与形成氢键，冰中每个水分子都可以形成4个氢键形成空旷结构，如图3所示。空间空隙大，所以冰的密度比水小。”图3 冰的结构示意图7．（5续）于是，在压缩0℃低压水蒸气时，起初压强小，H2O分子之间的间距大，而气体的分子结构最为松散，因此水是以水蒸气的形态存在的。继而，压强增大，H2O分子之间的间距减小，而由于冰中H2O分子之间的间距大于水，所以水会先转变为固态。然而这并不绝对，还需要考虑温度因素。形成固态的冰需要冰中的每个H2O分子中的每个H原子都参与形成氢键，可是