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大气水和生物体内的水仅为1.4x1013m3,只占0.001%。
在陆地水储量中,有73%,即3.503x1016m3,为含盐量小于1g/L的淡水,占全球水储量的2.53%。
在陆地淡水中,只有30.4%,即1.065x1016m3,分布在湖泊、沼泽、河流、土壤和地下600m以内含水层中,其余69.6%,分布在两极冰川与雪盖、高山冰川和永久冻土层中,难以利用(见表3-3)。
普通水的趣闻
自然界中的水是以气体、液体和固体三种形态存在的。
如果在0.01℃时,这三种形态可以共同存在,这时的压力为4.58mmHg
有趣的是在374℃以上,压力为217大气压时,气体形态的水可以压缩成任何密度的气体,而不液化成液体水。
当气体水密度高达0.4g/cm3时,它能溶解相当数量的盐。
当加压力到2000个大气压以上时,固体冰可以变成五种晶形不同的冰,其晶形随最终压力和温度的变化而变化,这些冰都比液体水重。
压力降低后,它们全部恢复为通常的冰。
液体水是不易导电的。
但在室温时,水的电导率要比大多数非金属液体至少大100万倍,所以正如人们都知道的,带水的手不应接触电器。
二聚水和聚合水
20世纪60年代后期,气象学家们发现,赤道附近的太平洋圣诞岛上,气温随着太阳升高而变低。
后来英国科学家们发现,随着空气水分的增加或温度的升高,在阳光的连续光谱中,红外光线好像被“偷”走了。
70年代末人们才弄清,这是“二聚水”干的好事。
二聚水是一种特殊结构的水,它是由两个水分子(一个水分子内的氢原子和另外一个水分子的氧原子)聚合而成的大的水分子。
二聚水可以旋转。
二聚水可以吸收阳光中的红外光,使低层大气得不到应有的太阳红外辐射,从而使气温明显下降。
这种效应,人们称为“气窗效应”。
据研究,在30℃和70℃条件下,这种效应可使地面降温4℃。
地球整个大气中都有二聚水。
而随着水气的增加和气温的升高,二聚水的浓度也会增加。
热带海洋地区二聚水的含量要比其他地区多,因而“气窗效应”也特别明显。
有人估计,二聚水浓度的增大,赤道地区的气温变动,将会对全球气候产生很大的影响。
还有一种叫聚合水,这是把洁净的水蒸气注人毛细管,放人密封箱里,抽去空气加热到300℃,保持数小时,然后通人普通的水蒸气,使其冷却后就可得到这种水。
这种水很黏稠,状如凡士林,密度为1.4g/cm3,在-40℃时密度最大。
在-40℃以下凝结成玻璃体,在-100℃时就像树脂那样稠厚。
它很稳定,到500℃左右时,还可保持这种怪性质,加热到700℃时才能复原成普通水。
关于这种水的结构,有人认为是在特定条件下,水分子有序地排列,三个或四个分子一组,很牢固地聚合在一起。
这些聚合团很难移动,结果密度大、豁度大,即使温度很低,这些分子团停止了热运动,它也不会冷冻成冰。
排气水
利用液体水煮沸以后,继续煮一会儿,然后密封冷却,能得到排气水。
冰雪融化后,注意抽去空气也能得到这种水。
用排气水浸种可提高收成,如棉花可增产一成到二成,饮用排气水有益于人的健康,增强抵抗能力。
给鸡饮用可增加产蛋率。
据研究,因为排气水排除了气体分子,水分子排列得很整齐(普通水的水分于排列混乱),可以使生物催化剂—酶更好地发挥作用。
原子、分子概念的发展简史
关于物质结构的朴素的原子概念可以追溯到古代。
早在公元前500年,印度哲学家赛拿陀认为物质是由最小的质点所构成的,这种质点又由比它本身还小的和不能再分割的某些质点所组成。
他的说法接近于现代原子、分子的观点。
公元前5世纪,我国当时的著名哲学家墨翟(公元前479-381)说,“非半不则不动,说在端。
……必半,毋与非半,不可也。
……端,是无间也。
”(见《墨经》)意思是说,物质到了没有一半的时候,就不能祈开它了。
物质如果没有可分的条件,那就不能分了。
墨子的“端”即物质的最小单位,有现代“原
子”的意义,意味着他对物质的非连续性的认识。
与此同时,希腊哲学家德漠克利特认为宇宙万物皆由大量的极微小的、硬的、不可穿透的、不可分割的粒子所组成,他称这些粒子为原子(希腊文即“不可分割”的意思)。
按照这种学说:
各种原子没有质的区别,只有大小、形状和位置的差异;
原子遵循必然的规律在“虚空”里不断运动;
它们集合时形成物体,分离时物体就消灭;
物体“投射”出来的形象(影像)跟感官接触就引起色、声等感觉,感觉是认识的基础。
到古希腊后期的伊壁鸿鲁和古罗马的卢克莱修继承和发展了前人的学说,认为各种原子在质上也有差异。
当时正处于实用及自然哲学时期,化学发展的特点是,进行实践的人不讲求理论探索(以罗马人为代表),而讲理论的人又不做实验,和实践完全脱节(以希腊人为代表)。
经过了漫长的中世纪之后,原子概念受到了不少科学家的重视。
随着生产和自然科学的发展,原子学说也得到了发展。
英国化学家道尔顿于1803年提出了原子学说,包括以下几个要点:
(1)元素的最终组成称为简单原子,它们是不可见的,是既不能创造,也不能毁灭和不可再分割的。
它们在一切化学变化中保持其本性不变。
(2)同一元素的原子,其形状、质量及各种性质都是相同的,不同种元素的原子在形状、质量及各种性质上则各不相同。
每一种元素以其原子的质量为其最基本的特征(这一点是道尔顿原子学说的核心)。
(3)不同元素原子以简单数目的比例相结合,就形成化学中的化合现象。
化合物的原子称为复杂原子。
复杂原子的质量为所含各种元素原子质量之总和。
同一化合物的复杂原子,其形状、质量和性质也必然相同。
道尔顿的原子论使当时的一些化学基本定律得到了统一的解释,因此很快地为当时化学界所接受和重视。
只是他忽视了原子和分子的区别。
后来法国化学家盖·
吕萨克通过气体反应体积定律提出了分子假说作为对原子学说的补充。
之后意大利的阿伏加德罗于1811年发表了一篇论文,引人了分子概念,并指出分子跟原子的区别和联系。
原子分子学说虽然逐渐被人们接受了,但原子和分子当时还没有得到科学上的证实。
直到1827年英国植物学家布朗用显微镜观察水中悬浮的藤黄粒子所作的永不停止的无规则运动——布朗运动,它间接地显示了物质分子的存在,并且表明了聚集成液体或气体的分子是处于永恒的热运动中。
以后又得到了理论上的解释,并为实验所证实。
英国化学家卢瑟福于1911年根据实验事实提出了原子的核型学说。
1913年丹麦原子物理学家玻尔应用量子概念发表了他的原子结构理论。
后来,又发展到以量子力学来研究原子和分子的结构。
与此同时,实验技术手段也有很大的改进,如用X射线衍射和电子衍射等方法来研究分子中原子的空间结构分子的构型等等。
现代人们已经能够用电子显微镜等拍摄分子或原子的照片。
这些发展和成就充分反映了人们对物质结构认识不断深化的过程。
根据现代物质结构理论,特别是根据化学键的观点来分析物质的构成,就出现了较为复杂的情况,不能简单地以原子、分子概念来说明了。
例如,数量十分庞大的有机化合物大多是由分子构成的;
CO2、O2、N2、HCl等也都属于分子构成,而活泼的金属跟活泼非金属所生成的盐类却是离子型晶体,像氯化钠在固体状态只有钠离子和氯离子相间的排列却无所谓分子可言,即使是气态也仅仅是氯离子和钠离子结合成的离子对(离子分子)。
金刚石、锗、灰锡等单质的晶体是由其相同的原子以共价键相联系而形成的共价晶体。
至于金属晶体则是由金属原子以金属键相联系。
大多数金属在高温呈气态时,也仅仅是以单原子存在着,唯碱金属有少量以共价键结合的双原子分子。
原子的绝对质量和相对质量
自1803年道尔顿发表原子论以来,人们自然要考虑:
一个原子究竟有多重?
所以从那时起,直到今天,仍有人致力于相对原子质量的研究工作。
各种元素的原子都很小,质量又极轻,不必说早年的天平,无法直接称量一个原子的实际质量,就是近代最精密天平也无法办到。
但原子质量虽轻,如果一定数目(如6.0228x1023个)原子集合体的质量,就不一定很小,这时用天平就可能直接称量,进而可求得一个原子的质量。
采用这种方法所算得的原子质量,叫做原子的绝对质量。
现今已有几种不同方法用来测定所有稳定元素原子的绝对质量,如下列数值所示:
可见,用克为单位所表示的原子的绝对质量是太小了,这对于记忆和计算都不方便。
因此,为了方便起见,就不得不选取某种元素的原子质量为标准,今其他元素的原子质量与之相比较。
这样求得的原子质量叫做原子的相对质量或相对原子质量。
用符号ArE。
来表示。
这里,A代表原子,r代表相对,E代表元素。
从上述可见,原子的绝对质量,其值虽小,却是它的真实质量,而相对量则不是原子的真实质量。
分子
分子是物质中能够独立存在的相对稳定并保持该物质物理化学特性的最小单元。
分子由原子组成,原子通过一定的作用力,以一定的次序和排列方式结合成分子。
以水分子为例,将水不断分割下去,直至不破坏水的特性,这时出现的最小单元是由两个氢原子和一个氧原子组成的水分子。
它的化学式写做H2O。
水分子可用电解法或其他方法再分为两个氢原子和一个氧原子,但这时它们的特性已和水完全不同了。
有的分子只由一个原子组成,称单原子分子,如氦和氢等分子属此类,这种单原子分子既是原子又是分子。
由两个原子组成的分子称双原子分子。
例如氧分子(O2),由两个氧原子组成,为同核双原子分子;
一氧化碳分子(CO),由一个氧原子和一个碳原子组成,为异核双原子分子。
由两个以上的原
子组成的分子统称多原子分子。
分子中的原子数可为几个、十几个、几十个乃至成千上万个。
例如二氧化碳分子(CO2)由一个碳原子和两个氧原子组成。
一个苯分子包含六个碳原子和六个氢原子(C6H6),一个猪胰岛素分子包含几百个原子,其分子式为:
C255H380O78N65S6
电子
电子是带有单位负电荷的一种基本粒子。
属于轻子,参与弱相互作用和电磁相互作用,是人们最早发现的基本粒子。
所有原子都是由一个带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子组成的。
“原子王国”的探索历史
原子内部是怎样的结构?
许多科学家在揭开原子内部奥秘的崎岖小路上探索前进。
卢瑟福的核式结构
英国科学家卢瑟福用比电子重7000倍的带正电荷的粒子作炮弹打击很薄的金箔,他发现绝大部分“炮弹”都能顺利地穿过金箔,只有大约1/8000的“炮弹”从金箔上反弹回来(见下图)。
显然,原子内部有很大的空隙,折回的带正电的粒子不可能是撞上了带负电的电子,而是撞击到质量比电子大得多的带正电的粒子。
1/8000的反弹几率说明这种粒子的体积很小。
卢瑟福把原子中这种带正电荷、体积很小而质量比电子大得多的粒子叫原子核,从而提出原子的核式结构模型。
玻尔的原子模型
电子带负电,原子核带正电,异性电荷相吸,为什么运转中的电子不会掉到原子核上去呢?
玻尔根据科学实验和物理学的理论指出,原子核外有固定的轨道,电子只能在这些固定的分层的轨道上运动,原子核外有多个电子时,这些电子的排布遵循一定的规律。
下图表现的就是玻尔的原子模型。
探索在继续
几代科学家都投身于原子结构的研究,经过近百年的努力,人们认识到,原子中的电子以极高的速度在极小的原子核外空间运动,它们的运动状况只能用电子在核外某空间单位体积中出现机会的多少来描述,电子只是在某些区域出现的机会较多。
后来,人们又发现构成原子的微粒不只是质子、中子、电子、还有正电子、介子、超子等基本粒子。
20世纪70年代以美籍华人丁肇中教授为首的实验小组又发现新的基本粒子——J粒子和胶子。
人类对原子结构的认识还在不断深化,科学的新发现一个个涌现,原子王国
的秘密一个个被揭开。
为了彻底揭开原子的秘密,科学家仍在不断努力。
道尔顿的科学原子论
一、科学原子论诞生的时代背景
化学是以物质为研究对象,以阐明物质的结构及其变化规律为己任,所以,“物质是什么构成的”是化学的基本问题,也是核心问题。
然而,从上古时代的德漠克里特(公元前460一前370年)到17世纪的波义耳(1627-1691年),上下2000多年,尚未做出完全正确的回答。
虽然德漠克里特早就提出,物质是由看不见的微粒构成。
并把这种微粒称做“原子”(希腊文意思是不可分割的),但只是一种猜想,一种推理,没有实验根据,因而对物质结构的认识是朦胧的、幼稚的,处于萌芽时期。
到了17世纪的1661年,波义耳才第一次明确了化学的研究对象、方法以及他的物质观,把化学确定为科学。
他以化学实验为基础建立了科学的元素论,他认为只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。
这种物质观已接近原子论,但还不是科学的原子论。
因为,他当时称之为元素的物质,今天看来只是单质,而不是原子。
其中还有不少错误:
受实验条件的限制和思想上的局限性,曾错误地把火、气、水都视为元素;
把物理性质“火”和化合物“水”都当成了元素,造成了元素概念的混乱。
在波义耳之后的100年里,人们在科学实验和化学分析中不断发现新的元素,把化合物从元素表中逐渐拉了下来,1789年,拉瓦锡对元素概念又进行了总结和思考,提出元素是“化学分析所能达到的终点”。
丰富了波义耳的元素观,发表了包含33种元素的元素表,但对元素的质量未能进行测定和确认。
因而,波义耳的“元素论”尚未成为准确、清晰、科学的概念,有待于进一步发展。
二、科学原子论的提出过程与内容
随着科学实验的深人、技术的进步、一代又一代科学家的努力,人们对物质的认识渐渐地明确起来,并发生了认识上的飞跃,产生了科学的原子论,完成这一“飞跃”的代表人物就是英国科学家道尔顿,那已经是19世纪初的事情了。
道尔顿的科研题目是从气象学开始,很有成就,并出版了专著。
进而研究大气物理学,从混合气体的扩散和分压的测定,发现了气体分压定律,引发了对物质结构本质的思考,题目自然地转人化学领域,经逻辑推导,提出原子新概念,进一步又测定了原子的相对原子量,终于建立起了科学原子论。
在道尔顿之前,人们就已经认识到空气是由氮气和氧气以及少量二氧化碳组成的,而且还知道它们的密度:
氮气轻、氧气重、二氧化碳更重。
道尔顿在做混合气体实验时发现,最轻的氮气并不是浮在最上面,最重的二氧化碳也不是沉在最下面,而是混合得很均匀,并不分层,这是为什么?
这个问题只能说明气体具有扩散性。
为什么气体会有扩散性?
只能设想气体是由微小的微粒组成的,只有这样当它们混合时才能不分层,相互掺合,才能形成均匀的整体。
为了证实他的推测,他又做了混合气体压强测定。
他把两个容积相等的容器分别充满氮气和氧气,并使它们的压强相等。
当设法把氮气全部压人氧气容器后,结果,混合气体的总压等于氮气和氧气压强之和,氮气、氧气的分压与混合前的压强相等。
这就是道尔顿于1801年提出的混合气体分压定律,分压定律说明了气体具有扩散性。
扩散是一个纯物理过程,一种气体可以均匀地分布在另一种气体之间,扩散性说明了物质的微粒性。
所以,他推论:
物质的微粒性是存在的。
他说道,这些微粒也许太小,即使用显微镜也未必能看见(指光学镜),所以他选择了“原子”一词来称呼这种微粒。
他认为同类原子相斥,异类原子相吸,因而气体才有了扩散性。
分压定律支持了他的原子论观点。
既然原子是微粒,是质点,是物质的基本构成,它就应该有质量,不同的原子应有不同的质量,这是原子最基本特性之一。
为此,他决心测出原子的质量—原子量。
开始他采用物理的方法:
他假定在同温同压下,相同体积的气体含有相同数目的原子,这样他就可以测定气体的相对密度来算出原子的相对质量。
但是他在氢、氧燃烧合成水的实验中测得的水蒸气密度反而小于氧气密度,这就说明他的假定是错误的,用气体密度法来测原子量是行不通的。
今天看来,他只要把假定中的原子改为分子就正确了,用气体密度法来测气体分子量还是可以的。
道尔顿在物理方法测定失败后转向用化学法测原子量。
早在18世纪拉瓦锡就已测得水是由85份氧和15份氢组成。
道尔顿假定水是由一个氧原子和一个氢原子组成,因此,氧原子重量约为氢原子重量的5.66倍。
他还假定氨也是氮和氢组成的二元化合物,他由分析结果得出氮原子量约为氢原子的4倍,道尔顿还把氢原子量定为基准值1,根据其他化学家的分析结果,他在1803年9月6日工作日记上记载了最早的一张原子相对重量表,其数值和今天所知道的相距甚远,误差主要出在未把物质原子组成比例搞准,但已使人们树立了原子量是原子的基本属性的观念,从而为他的原子论奠定了基石。
1803年,他在分析一氧化碳和二氧化碳时还发现,两种气体的碳、氧比分别为5.4:
7和5.4:
14。
而两气体的氧重量比为1:
2等等,于是提出了倍比定律。
这是他原子论的又一重要实验依据。
1803年10月,在曼彻斯特的文学和哲学学会的一次集会上,道尔顿讲述了他的原子论,主要论点如下:
1.一切元素都由不可再分的微粒构成,这种微粒叫做原子。
原子在一切化
学变化中都保持它的不可再分性。
2.同一元素的原子,各方面的性质,特别是重量,都完全相同;
不同元素
的原子重量不同。
原子的相对重量(原子量)是每一种元素的特征性质。
3.不同元素的原子是以简单的整数比相化合。
由于原子的概念是化学的基石,是化学的灵魂,这个问题一旦解决,必然促进化学学科极大的发展。
事实正是如此:
从科学原子论提出,到19世纪中期,已发现的化学元素就有60多种,证明了原子论的指导作用。
从此,化学进人蓬勃发展的新阶段,同时也揭开了物质结构理论的序幕,已能从微观物质结构的角度去揭示宏观化学现象的本质。
使化学发展到由材料的堆积至材料的整理,并使其条理化的新时期。
科学原子论把原子量视为元素基本特性的思想,使化学研究由定性走向定量,并把二者有机地结合起来。
它引导着新元素的发现,并使元素周期表的产生和周期律的发现成为必然。
恩格斯在评论原子论时说道:
“道尔顿的原子论使得到的结果都有了秩序和相对可靠性,已经能够有系统的,差不多是有计划地向未被征服的领域进攻。
”
科学原子论提出后,为化学家解决实际问题提供了重要的理论基础,化学上已经发现的化学计量学方面的经验定律,如当量定律、定比定律、倍比定律都与原子论有着内在的密切联系,使这些定律都能得到原子论的科学解释。
因此,原子论是近代化学的基础,恩格斯赞誉道尔顿为近代化学之父。
三、道尔顿生平
1766年9月6日,道尔顿出生于英格兰北部一个穷乡村中。
父亲是个贫苦农民和织毛衣的手工业者。
母亲是个家庭妇女,生了6个孩子,有3个都夭折了。
道尔顿6岁起在村里小学读书,由于父亲收人微薄,家境贫困,小学毕业后未能继续求学。
道尔顿上小学时学习刻苦努力,一丝不苟,每当遇到数学难题,他总是坚持自己独立解出来,常常是同学都放学回家了,他还独坐教室,埋头解题。
他的勤奋好学的态度,深得既是他的老师又是亲戚的鲁滨逊的欣赏,鲁滨逊看出小道尔顿将来是会有出息的,于是,就主动晚上来教他数学和物理,使道尔顿的学识大有长进。
为了维持家庭生活,他12岁就开始办私塾,以教书谋生。
有时还得给别人当雇工以增加收人。
在生活担子很重的情况下,他仍坚持抓紧一切可利用的时间努力自学、博览群书,文化水平有了长足的提高。
1781年,当他15岁时就离开家来到肯代尔镇,在一所寄宿学校(相当于初中)担任助理教员,他表兄是这个学校的校长。
此时,道尔顿工作之余更是争分夺秒地读书,兴趣十分广泛,无论数学、物理、化学、文学、外语或哲学,样样都认真地学。
在中学工作12年,他读的书比以后的50年都多。
在肯代尔有个盲人学者叫约翰·
高夫,他意志坚强、才华出众、学识渊博、是远近闻名的学者。
道尔顿对他充满敬佩之情,于是慕名而来,主动登门拜师学艺,他跟高夫学习了数学、哲学、拉丁文和希腊语,从高夫身上,他找到了学习的榜样,奠定了为科学事业献身的精神,高夫成了他的良师益友。
高夫不仅指导他读书,还教他如何进行气象观察,如何记录气象日记。
道尔顿在青年时代就是个科学迷,从1787年起(21岁)就坚持做气象记录,直到他逝世的前一天,他还用颤抖的手记下了最后一次气象记录。
记录时间长达57年,从未间断,记录条目超过20万条。
道尔顿这种坚韧不拔的精神是多么令人敬佩啊!
自从结识了高夫之后,道尔顿开始了他的科研生涯。
从1787-1793年,他在6年内研究了云的形成,蒸发过程和大气降雨量的分布等,总结了他对大气的观测结果,促进了气象学的发展,并于1795年出版了他的第一部专著《气象的观测资料和论文集》。
从此,这位27岁的青年教师引起了科学界的注意。
就在1793年,道尔顿经高夫推荐,离开了肯代尔镇寄宿学校,来到了英国纺织大城、产业革命的中心—曼彻斯特,受聘于曼彻斯特文学与哲学学会创办的新学院,担任数学和物理讲师。
后来他还开设了化学课,开始了他对化学知识的系统学习。
在新学院一干就是6年。
1793年由于教学任务的繁重,使他抽不出更多的时间搞科研,于是毅然辞去待遇较好的讲师职务,过起以科研为主,以为私人授课为辅的清贫生活。
他从学会借来一间工作室,又在附近租了一间民房作为住处,夜以继日地干了起来。
他的房东说:
道尔顿每天一早起来就去实验室生火(实验用),早饭后就开始工作,到12点才回来吃午饭,饭后又去实验室,一直干到晚上9点才回来吃晚饭,饭后稍一休息就在住房读起书来,至到半夜才睡觉。
“黎明即起,午夜方眠”是道尔顿科研生活的真实写照。
曼彻斯特文学与哲学学会是民间科研团体,会员主要是科学家、工程师、企业家、文学家、哲学家、医生等,他们的思想很活跃,学会成了产业革命的参谋部。
道尔顿到曼彻斯特不久就参加了学会。
他的成果大部分在学会上宣读,学会刊发表他的论文多达百余篇。
他得到了大家的尊敬,于1808年被选为副会长,1817年任会长,直到1844年他去逝。
道尔顿的《化学哲学新体系》两卷集分别于1808和1810年出版。
道尔顿的原子论受到世界各国科学家的重视和推崇。
1816年他被选为法国科学院国外通讯院士,1822年被增选为英国皇家学会会员,还被柏林科学院授予名
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