<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之一</h3><h3 style="text-align: center;">在《科學》雜志創刊</h3><h3 style="text-align: center;">125周年之際</h3><h3 style="text-align: center;">水的結構成為</h3><h3 style="text-align: center;">本世紀125個最具挑戰性的科學問題之一</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;">微觀結構和動力學</h3><h3 style="text-align: center;">一直是學術界爭論的焦點</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">由于水是強極性分子</h3><h3 style="text-align: center;">它作為溶劑（Solvent）能使很多鹽發生溶解</h3><h3 style="text-align: center;">并且能與溶解的離子結合在一起形成團簇</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這一主角欺負</h3><p style="text-align: center; ">所以我們來談談水分子在溶液中的行為</p><p style="text-align: center; ">這一話題很大也很難</p><p style="text-align: center; ">我對化學的理解實在很少</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</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</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">進行</font><font color="#ed2308">微觀</font><font color="#010101">層面上進行</font><font color="#ed2308">探析</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">比較時髦了吧</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">與核心素養聯系起來了</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">實際上</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">化學學科核心素養</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">它就是化學學科本質屬性</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">談化學不談微觀</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">那就不是化學</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">對嗎</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">水</h3><h3 style="text-align: center;">本身就很復雜</h3><h3 style="text-align: center;">可能我們來談論水溶液反而會簡單一些</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;">水合氫離子的結構模型</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減少</h3><h3 style="text-align: center;">帶著任務來闡述問題</h3><h3 style="text-align: center;">可能會簡單一些</h3><h3 style="text-align: center;">任務推動下的問題解決</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;">觀察下圖就會明白</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">任務來了</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;">但這只是一個認知模型</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;">因為會達到平衡嘛</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;">因為</h3><h3 style="text-align: center;">我們還得進行</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">因為人類觀察微觀世界的工具有限</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">正因為這樣</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;">還是得建立認識這一現象的模型</h3><h3 style="text-align: center;">對嗎</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;">現在</h3><h3 style="text-align: center;">提出觀點</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</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</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;">想象那個畫面</h3><h3 style="text-align: center;">金魚一般能均勻滴分散在水池每一個角落<br></h3><h3 style="text-align: center;">這時</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;">這一瞬間會發生什么</h3><h3 style="text-align: center;">那一粒米的周圍</h3><h3 style="text-align: center;">會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;">當然</h3><h3 style="text-align: center;">圍著這一粒米的金魚可能會因為吃不到米而離開</h3><h3 style="text-align: center;">另外不知情的金魚又會過來圍著這一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">從統計學上講</h3><h3 style="text-align: center;">這一粒米周圍的金魚數目是基本確定的</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問題</h3><h3 style="text-align: center;"><br></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">假如繼續以這一生活現象為模型</h3><h3 style="text-align: center;">我們再投入一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">就會有相同數目的自由魚就會變成水合魚</h3><h3 style="text-align: center;">當我們投入足夠多的米以后</h3><h3 style="text-align: center;">一定就出現這樣的情景</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;">這個時候</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;">因為</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飯團</h3><h3 style="text-align: center;">金魚會因為飯團的氣味不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">有些金魚就會去搶飯團</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">言歸正傳</h3><h3 style="text-align: center;">來一些化學用語吧</h3><h3 style="text-align: center;">在水中</h3><h3 style="text-align: center;">假如我們投入一個質子</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;">這個氫離子就會變成水合氫離子</h3><h3 style="text-align: center;">這個水合氫離子最簡單的形式就是H3O+</h3><h3 style="text-align: center;">事實上</h3><h3 style="text-align: center;">質子投入到水中以后</h3><h3 style="text-align: center;">還會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;">學好英語還是蠻重要的</h3><h3 style="text-align: center;">當然</h3><h3 style="text-align: center;">不需要所有人都需要學</h3><h3 style="text-align: center;">浪費時間</h3><h3 style="text-align: center;">浪費財力和物力</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</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的溶解性了</h3><h3 style="text-align: center;">不同的物質</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;">不同粒子的個頭不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">占據的空間不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">個頭不一樣</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</h3><h3 style="text-align: center;">與投入變味的飯團</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;">不要期望我能計算出不同物質的溶解度</h3><h3 style="text-align: center;">據說</h3><h3 style="text-align: center;">不同物質的溶解度</h3><h3 style="text-align: center;">還是通過實驗獲取</h3><h3 style="text-align: center;">計算無法精確得到物質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;">對了</h3><h3 style="text-align: center;">我忘記說了</h3><h3 style="text-align: center;">實際上</h3><h3 style="text-align: center;">在水中投入一個質子后</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;">一個是增函數</h3><h3 style="text-align: center;">一個是減函數</h3><h3 style="text-align: center;">于是就出現了上述這種情況</h3><p style="text-align: center; ">實際上</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</h3><h3 style="text-align: center;">這種物質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;">就不會出現上述這種情況</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目不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">本身離子或粒子個頭大小不一樣</h3><h3 style="text-align: center;">造成物質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;">有點復雜</h3><h3 style="text-align: center;">真的有點復雜</h3><h3 style="text-align: center;">目前我對這個問題所掌握的理論</h3><h3 style="text-align: center;">遠遠不能很好地解釋</h3><h3 style="text-align: center;">剛才提出的兩個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</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;">這是一個體會</h3><h3 style="text-align: center;">核心素養之—“宏觀辨識與微觀探析”的</h3><h3 style="text-align: center;">一個很好的案例</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</h3><h3 style="text-align: center;">其他幾個維度的核心素養內容</h3><h3 style="text-align: center;">談談我自己的理解</h3><h3 style="text-align: center;">解讀和體驗</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>
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