<h3></h3><h3 style="text-align: center;">水是自然界中最豐富</h3><h3 style="text-align: center;">人們最為熟悉但也最不了解的物質(zhì)之一</h3><h3 style="text-align: center;">在《科學(xué)》雜志創(chuàng)刊</h3><h3 style="text-align: center;">125周年之際</h3><h3 style="text-align: center;">水的結(jié)構(gòu)成為</h3><h3 style="text-align: center;">本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一</h3><h3 style="text-align: center;">其中</h3><h3 style="text-align: center;">離子水合物的</h3><h3 style="text-align: center;">微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)</h3><h3 style="text-align: center;">一直是學(xué)術(shù)界爭論的焦點(diǎn)</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">由于水是強(qiáng)極性分子</h3><h3 style="text-align: center;">它作為溶劑（Solvent）能使很多鹽發(fā)生溶解</h3><h3 style="text-align: center;">并且能與溶解的離子結(jié)合在一起形成團(tuán)簇</h3><h3 style="text-align: center;">此過程稱為離子水合（ion hydration）</h3><h3 style="text-align: center;">形成的離子水合團(tuán)簇稱為離子水合物（ion hydrate）</h3><h3 style="text-align: center;">水在溶液中往往被溶質(zhì)這一主角欺負(fù)</h3><p style="text-align: center; ">所以我們來談?wù)勊肿釉谌芤褐械男袨?lt;/p><p style="text-align: center; ">這一話題很大也很難</p><p style="text-align: center; ">我對(duì)化學(xué)的理解實(shí)在很少</p><h3 style="text-align: center;">但許多<font color="#ed2308">宏觀</font>我們還是可以<font color="#ed2308">辨識(shí)</font>的</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">如</font></h3><h3 style="text-align: center;">一定溫度下</h3><h3 style="text-align: center;">氫氧化鈉溶于水是有限度的</h3><h3 style="text-align: center;">硫酸鉀也一樣</h3><h3 style="text-align: center;">我們是可以辨識(shí)的</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">又如</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#333333">在100ml水中</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#333333">加入“一定量”的氫氧化鈉固體后</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#333333">溶液的體積是小于100ml</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#333333">再加入“一定量”的氫氧化鈉固體后</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#333333">溶液的體積又會(huì)大于100ml</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">這就是宏觀</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">我們可以辨識(shí)</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#167efb">但這是為什么呢</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">這就需要我們</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">進(jìn)行</font><font color="#ed2308">微觀</font><font color="#010101">層面上進(jìn)行</font><font color="#ed2308">探析</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">比較時(shí)髦了吧</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">與核心素養(yǎng)聯(lián)系起來了</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">實(shí)際上</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">并不是什么高大上的東西</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">它就是化學(xué)學(xué)科本質(zhì)屬性</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">談化學(xué)不談微觀</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">那就不是化學(xué)</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">對(duì)嗎</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">水</h3><h3 style="text-align: center;">本身就很復(fù)雜</h3><h3 style="text-align: center;">可能我們來談?wù)撍芤悍炊鴷?huì)簡單一些</h3><h3 style="text-align: center;">譬如</h3><h3 style="text-align: center;">我們先來看看水合氫離子</h3><h3 style="text-align: center;">下圖就是最簡單的</h3><h3 style="text-align: center;">水合氫離子的結(jié)構(gòu)模型</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">還是回到剛才的問題上來</h3><h3 style="text-align: center;">為什么氫氧化鈉不可以無限滴溶解在水中</h3><h3 style="text-align: center;">為什么水中加氫氧化鈉固體后</h3><h3 style="text-align: center;">所得溶液的體積反而可能會(huì)減少</h3><h3 style="text-align: center;">帶著任務(wù)來闡述問題</h3><h3 style="text-align: center;">可能會(huì)簡單一些</h3><h3 style="text-align: center;">任務(wù)推動(dòng)下的問題解決</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">氫氧化鈉不可以無限滴溶解在水中</h3><h3 style="text-align: center;">這是天經(jīng)地義的</h3><h3 style="text-align: center;">水中加氫氧化鈉固體體積減少</h3><h3 style="text-align: center;">好像是第一次聽說</h3><h3 style="text-align: center;">是嗎</h3><h3 style="text-align: center;">觀察下圖就會(huì)明白</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">任務(wù)來了</h3><h3 style="text-align: center;">為什么</h3><h3 style="text-align: center;">宏觀上就是這樣</h3><h3 style="text-align: center;">假如氫氧化鈉可以溶解</h3><h3 style="text-align: center;">那你氫氧化鈉就不斷溶解就是</h3><h3 style="text-align: center;">溶解—結(jié)晶平衡</h3><h3 style="text-align: center;">不是可以很好解釋這一問題嗎</h3><h3 style="text-align: center;">但這只是一個(gè)認(rèn)知模型</h3><h3 style="text-align: center;">在這一理論模型下</h3><h3 style="text-align: center;">的確能說明為什么氫氧化鈉溶于水是有限度這一問題的</h3><h3 style="text-align: center;">因?yàn)闀?huì)達(dá)到平衡嘛</h3><h3 style="text-align: center;">但是</h3><h3 style="text-align: center;">為什么氫氧化鉀在水中溶解度不一樣呢</h3><h3 style="text-align: center;">有人說</h3><h3 style="text-align: center;">氫氧化鉀的性質(zhì)不一樣嘛</h3><h3 style="text-align: center;">鉀離子與鈉離子不一樣嘛</h3><h3 style="text-align: center;">這解釋應(yīng)該說很有道理</h3><h3 style="text-align: center;">但是為什么？</h3><h3 style="text-align: center;">鉀離子與鈉離子有什么不同？</h3><h3 style="text-align: center;">離子半徑不同</h3><h3 style="text-align: center;">離子半徑不同又會(huì)怎樣</h3><h3 style="text-align: center;">這樣思考下去</h3><h3 style="text-align: center;">是不是總是無法很好回答？</h3><h3 style="text-align: center;">因?yàn)?lt;/h3><h3 style="text-align: center;">我們還得進(jìn)行</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">微觀探析</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">探析微觀世界</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">但微觀世界很難被人類真正了解</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">因?yàn)槿祟愑^察微觀世界的工具有限</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">正因?yàn)檫@樣</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">我們才稱之為“探析”</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">那怎樣探析呢</h3><h3 style="text-align: center;">還是得建立認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)象的模型</h3><h3 style="text-align: center;">對(duì)嗎</h3><h3 style="text-align: center;">想象一下</h3><h3 style="text-align: center;">在水中加入氫氧化鈉后</h3><h3 style="text-align: center;">水還是原來的水嗎</h3><h3 style="text-align: center;">現(xiàn)在</h3><h3 style="text-align: center;">提出觀點(diǎn)</h3><h3 style="text-align: center;">在氫氧化鈉溶液中</h3><h3 style="text-align: center;">把水分成兩種水</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">一種稱之為</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">“自由水”</font></h3><h3 style="text-align: center;">另一種稱之為</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">“水合水”</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">沒有加入氫氧化鈉之前水</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">都是“自由水”</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">加入氫氧化鈉之后</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">水就分為“自由水”和“水合水”</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">這樣的說法合理嗎</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">對(duì)</h3><h3 style="text-align: center;">我們正在微觀探析</h3><h3 style="text-align: center;">目的是為了宏觀辨識(shí)</h3><h3 style="text-align: center;">自由水和水合水有什么不一樣？</h3><h3 style="text-align: center;">為了搞清楚這一問題</h3><h3 style="text-align: center;">我們想象一下</h3><h3 style="text-align: center;">在一清澈見底且很大的水池里</h3><h3 style="text-align: center;">有許許多多的金魚</h3><h3 style="text-align: center;">想象那個(gè)畫面</h3><h3 style="text-align: center;">金魚一般能均勻滴分散在水池每一個(gè)角落<br></h3><h3 style="text-align: center;">這時(shí)</h3><h3 style="text-align: center;">突然</h3><h3 style="text-align: center;">有人往水池中丟了一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">注意</h3><h3 style="text-align: center;">只有一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">這一瞬間會(huì)發(fā)生什么</h3><h3 style="text-align: center;">那一粒米的周圍</h3><h3 style="text-align: center;">會(huì)立即聚集著盡可能多的金魚</h3><h3 style="text-align: center;">假如這一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">又不能被某一條金魚吃了</h3><h3 style="text-align: center;">那就出現(xiàn)總有那么幾條金魚圍著這一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">圍著這一粒米的金魚</h3><h3 style="text-align: center;">就是水合水</h3><h3 style="text-align: center;">沒有圍著的這一粒米的金魚</h3><h3 style="text-align: center;">就是自由水</h3><h3 style="text-align: center;">當(dāng)然</h3><h3 style="text-align: center;">圍著這一粒米的金魚可能會(huì)因?yàn)槌圆坏矫锥x開</h3><h3 style="text-align: center;">另外不知情的金魚又會(huì)過來圍著這一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講</h3><h3 style="text-align: center;">這一粒米周圍的金魚數(shù)目是基本確定的</h3><h3 style="text-align: center;">哈哈哈</h3><h3 style="text-align: center;">微觀探析也是用宏觀現(xiàn)象來類比的</h3><h3 style="text-align: center;">是嗎</h3><h3 style="text-align: center;">下圖可以幫助我們理解這個(gè)問題</h3><h3 style="text-align: center;"><br></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">假如繼續(xù)以這一生活現(xiàn)象為模型</h3><h3 style="text-align: center;">我們再投入一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">就會(huì)有相同數(shù)目的自由魚就會(huì)變成水合魚</h3><h3 style="text-align: center;">當(dāng)我們投入足夠多的米以后</h3><h3 style="text-align: center;">一定就出現(xiàn)這樣的情景</h3><h3 style="text-align: center;">投入的米</h3><h3 style="text-align: center;">沒有金魚理睬了</h3><h3 style="text-align: center;">這個(gè)時(shí)候</h3><h3 style="text-align: center;">我們就說氫氧化鈉不能再溶解了</h3><h3 style="text-align: center;">按照這個(gè)說法</h3><h3 style="text-align: center;">是不是在飽和的氫氧化鈉溶液中加氫氧化鉀就不能溶解了</h3><h3 style="text-align: center;">不是的</h3><h3 style="text-align: center;">再加氫氧化鉀以后</h3><h3 style="text-align: center;">氫氧化鉀還是能溶解的</h3><h3 style="text-align: center;">因?yàn)?lt;/h3><h3 style="text-align: center;">水合水一看到鉀離子來了</h3><h3 style="text-align: center;">以為鉀離子更好吃</h3><h3 style="text-align: center;">于是水合水就離開了鈉離子</h3><h3 style="text-align: center;">投奔到鉀離子周圍了</h3><h3 style="text-align: center;">就好像在水池里又投入了一個(gè)飯團(tuán)</h3><h3 style="text-align: center;">金魚會(huì)因?yàn)轱垐F(tuán)的氣味不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">有些金魚就會(huì)去搶飯團(tuán)</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">言歸正傳</h3><h3 style="text-align: center;">來一些化學(xué)用語吧</h3><h3 style="text-align: center;">在水中</h3><h3 style="text-align: center;">假如我們投入一個(gè)質(zhì)子</h3><h3 style="text-align: center;">也就是簡單氫離子</h3><h3 style="text-align: center;">那么</h3><h3 style="text-align: center;">這個(gè)氫離子就會(huì)變成水合氫離子</h3><h3 style="text-align: center;">這個(gè)水合氫離子最簡單的形式就是H3O+</h3><h3 style="text-align: center;">事實(shí)上</h3><h3 style="text-align: center;">質(zhì)子投入到水中以后</h3><h3 style="text-align: center;">還會(huì)形成很多種水合氫離子</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">這可不是我造謠的</h3><h3 style="text-align: center;">這段文獻(xiàn)可以證明</h3><h3 style="text-align: center;">但我翻譯不了</h3><h3 style="text-align: center;">Researchers have yet to fully characterize the solvation of hydronium ion in water, in part because many different meanings of solvation exist. A freezing-point depression study determined that the mean hydration ion in cold water is approximately H3O+(H2O)6:[5] on average, each hydronium ion is solvated by 6 water molecules which are unable to solvate other solute molecules.</h3><h3 style="text-align: center;">Some hydration structures are quite large: the H3O+(H2O)20 magic ion number structure (called magic because of its increased stability with respect to hydration structures involving a comparable number of water molecules – this is a similar usage of the word magic as in nuclear physics) might place the hydronium inside a dodecahedral cage.[6] However, more recent ab initio method molecular dynamics simulations have shown that, on average, the hydrated proton resides on the surface of the H3O+(H2O)20 cluster.[7] Further, several disparate features of these simulations agree with their experimental counterparts suggesting an alternative interpretation of the experimental results.</h3><h3 style="text-align: center;">Zundel cationTwo other well-known structures are the Zundel cation and the Eigen cation. The Eigen solvation structure has the hydronium ion at the center of an H9O+4 complex in which the hydronium is strongly hydrogen-bonded to three neighbouring water molecules.[8] In the Zundel H5O+2 complex the proton is shared equally by two water molecules in a symmetric hydrogen bond.[9] Recent work indicates that both of these complexes represent ideal structures in a more general hydrogen bond network defect.[10]</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">下圖為某一元強(qiáng)酸在水溶液中的情景</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">看來</h3><h3 style="text-align: center;">學(xué)好英語還是蠻重要的</h3><h3 style="text-align: center;">當(dāng)然</h3><h3 style="text-align: center;">不需要所有人都需要學(xué)</h3><h3 style="text-align: center;">浪費(fèi)時(shí)間</h3><h3 style="text-align: center;">浪費(fèi)財(cái)力和物力</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">歸納一下</h3><h3 style="text-align: center;">離子在水中的行為</h3><h3 style="text-align: center;">會(huì)形成</h3><h3 style="text-align: center;">離子—偶極作用力</h3><h3 style="text-align: center;">使得水分子與陰陽離子</h3><h3 style="text-align: center;">“緊緊”滴抱在一團(tuán)</h3><h3 style="text-align: center;">這樣</h3><h3 style="text-align: center;">我們就可以從微觀角度定性分析物質(zhì)的溶解性了</h3><h3 style="text-align: center;">不同的物質(zhì)</h3><h3 style="text-align: center;">溶于水后</h3><h3 style="text-align: center;">有些變成了離子</h3><h3 style="text-align: center;">（為什么能變成離子就不是本文要說明的）</h3><h3 style="text-align: center;">有些變成了分子</h3><h3 style="text-align: center;">不同的離子或分子</h3><h3 style="text-align: center;">在水中形成的水合物不盡相同</h3><h3 style="text-align: center;">因此</h3><h3 style="text-align: center;">不同物質(zhì)的溶解度不同</h3><h3 style="text-align: center;">并且</h3><h3 style="text-align: center;">不同粒子的個(gè)頭不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">占據(jù)的空間不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">個(gè)頭不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">所帶電荷即便一樣</h3><h3 style="text-align: center;">產(chǎn)生的電場也不一樣</h3><p style="text-align: center; ">水合離子之間的相互作用也不一樣</p><h3 style="text-align: center;">與水形成的作用力也就不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">投入香香的飯團(tuán)</h3><h3 style="text-align: center;">與投入變味的飯團(tuán)</h3><h3 style="text-align: center;">金魚的喜好程度是不一樣的</h3><h3 style="text-align: center;">因此</h3><h3 style="text-align: center;">溶解度不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">不要期望我能計(jì)算出不同物質(zhì)的溶解度</h3><h3 style="text-align: center;">據(jù)說</h3><h3 style="text-align: center;">不同物質(zhì)的溶解度</h3><h3 style="text-align: center;">還是通過實(shí)驗(yàn)獲取</h3><h3 style="text-align: center;">計(jì)算無法精確得到物質(zhì)在一定溫度下的溶解度</h3><h3 style="text-align: center;">看來</h3><h3 style="text-align: center;">化學(xué)之路</h3><h3 style="text-align: center;">還很長</h3><h3 style="text-align: center;">很長</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">應(yīng)該說</h3><h3 style="text-align: center;">基本上</h3><h3 style="text-align: center;">解決了氫氧化鈉為什么在水中的溶解是有限度</h3><h3 style="text-align: center;">但為什么氫氧化鈉溶于水后</h3><h3 style="text-align: center;">溶液的體積反而可能減小呢</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">對(duì)了</h3><h3 style="text-align: center;">我忘記說了</h3><h3 style="text-align: center;">實(shí)際上</h3><h3 style="text-align: center;">在水中投入一個(gè)質(zhì)子后</h3><h3 style="text-align: center;">由于自由水變成了水合水</h3><h3 style="text-align: center;">水分子之間的“空間骨架”變得緊密了</h3><h3 style="text-align: center;">因此</h3><h3 style="text-align: center;">溶液的體積可能變小</h3><h3 style="text-align: center;">但為什么更多的氫氧化鈉加入后</h3><h3 style="text-align: center;">溶液的體積又可以變大呢</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">通過分析</h3><h3 style="text-align: center;">我們可以認(rèn)為</h3><h3 style="text-align: center;">溶液體積的變化</h3><h3 style="text-align: center;">取決于兩個(gè)方面</h3><h3 style="text-align: center;">第一</h3><h3 style="text-align: center;">形成水合水后體積減小</h3><h3 style="text-align: center;">第二</h3><h3 style="text-align: center;">溶于水的其他粒子本身占有一定的體積</h3><h3 style="text-align: center;">一個(gè)是增函數(shù)</h3><h3 style="text-align: center;">一個(gè)是減函數(shù)</h3><h3 style="text-align: center;">于是就出現(xiàn)了上述這種情況</h3><p style="text-align: center; ">實(shí)際上</p><p style="text-align: center; ">可能還有水合離子之間的相互作用也會(huì)影響溶液體積的大小</p><h3 style="text-align: center;">我想</h3><h3 style="text-align: center;">可能還存在一些物質(zhì)</h3><h3 style="text-align: center;">這種物質(zhì)由于粒子與水分子之間</h3><h3 style="text-align: center;">不但沒有象離子一樣</h3><h3 style="text-align: center;">很難與水分子形成“離子—偶極作用力”</h3><h3 style="text-align: center;">而且可能與水分子之間排斥力更大</h3><h3 style="text-align: center;">就不會(huì)出現(xiàn)上述這種情況</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">總而言之</h3><h3 style="text-align: center;">溶于水的離子或粒子</h3><h3 style="text-align: center;">基于</h3><h3 style="text-align: center;">與自由水形成的水合水的數(shù)目不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">本身離子或粒子個(gè)頭大小不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">造成物質(zhì)溶于水后的溶解性不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">引起的溶液的體積變化也不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">有點(diǎn)復(fù)雜</h3><h3 style="text-align: center;">真的有點(diǎn)復(fù)雜</h3><h3 style="text-align: center;">目前我對(duì)這個(gè)問題所掌握的理論</h3><h3 style="text-align: center;">遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能很好地解釋</h3><h3 style="text-align: center;">剛才提出的兩個(gè)宏觀上的簡單的問題</h3><h3 style="text-align: center;">但我想</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">這就是微觀探析</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">探究分析也許不確切</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">但化學(xué)上就需要這樣的探究分析過程</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">是嗎</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">讓我們一起努力吧</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">為了我們喜歡的化學(xué)</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">為什么要談這些幾乎不可能高考的問題</h3><h3 style="text-align: center;">一來</h3><h3 style="text-align: center;">我曾經(jīng)思考過這些問題</h3><h3 style="text-align: center;">二來</h3><h3 style="text-align: center;">這是一個(gè)體會(huì)</h3><h3 style="text-align: center;">核心素養(yǎng)之—“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的</h3><h3 style="text-align: center;">一個(gè)很好的案例</h3><h3 style="text-align: center;">于是</h3><h3 style="text-align: center;">在喝酒后</h3><h3 style="text-align: center;">就隨便記錄下來</h3><h3 style="text-align: center;">以后我還想對(duì)</h3><h3 style="text-align: center;">其他幾個(gè)維度的核心素養(yǎng)內(nèi)容</h3><h3 style="text-align: center;">談?wù)勎易约旱睦斫?lt;/h3><h3 style="text-align: center;">解讀和體驗(yàn)</h3><h3 style="text-align: center;">一定有偏差</h3><h3 style="text-align: center;">但總歸是自己的一種看法</h3>