<h3></h3><h3 style="text-align: center;">水是自然界中最丰富</h3><h3 style="text-align: center;">人们最为熟悉但也最不了解的物质之一</h3><h3 style="text-align: center;">在《科学》杂志创刊</h3><h3 style="text-align: center;">125周年之际</h3><h3 style="text-align: center;">水的结构成为</h3><h3 style="text-align: center;">本世纪125个最具挑战性的科学问题之一</h3><h3 style="text-align: center;">其中</h3><h3 style="text-align: center;">离子水合物的</h3><h3 style="text-align: center;">微观结构和动力学</h3><h3 style="text-align: center;">一直是学术界争论的焦点</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">由于水是强极性分子</h3><h3 style="text-align: center;">它作为溶剂（Solvent）能使很多盐发生溶解</h3><h3 style="text-align: center;">并且能与溶解的离子结合在一起形成团簇</h3><h3 style="text-align: center;">此过程称为离子水合（ion hydration）</h3><h3 style="text-align: center;">形成的离子水合团簇称为离子水合物（ion hydrate）</h3><h3 style="text-align: center;">水在溶液中往往被溶质这一主角欺负</h3><p style="text-align: center; ">所以我们来谈谈水分子在溶液中的行为</p><p style="text-align: center; ">这一话题很大也很难</p><p style="text-align: center; ">我对化学的理解实在很少</p><h3 style="text-align: center;">但许多<font color="#ed2308">宏观</font>我们还是可以<font color="#ed2308">辨识</font>的</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">如</font></h3><h3 style="text-align: center;">一定温度下</h3><h3 style="text-align: center;">氢氧化钠溶于水是有限度的</h3><h3 style="text-align: center;">硫酸钾也一样</h3><h3 style="text-align: center;">我们是可以辨识的</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”的氢氧化钠固体后</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#333333">溶液的体积是小于100ml</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#333333">再加入“一定量”的氢氧化钠固体后</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#333333">溶液的体积又会大于100ml</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">这就是宏观</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">我们可以辨识</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#167efb">但这是为什么呢</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">这就需要我们</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">进行</font><font color="#ed2308">微观</font><font color="#010101">层面上进行</font><font color="#ed2308">探析</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">比较时髦了吧</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">与核心素养联系起来了</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">实际上</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">化学学科核心素养</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">并不是什么高大上的东西</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">它就是化学学科本质属性</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">谈化学不谈微观</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">那就不是化学</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">对吗</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">水</h3><h3 style="text-align: center;">本身就很复杂</h3><h3 style="text-align: center;">可能我们来谈论水溶液反而会简单一些</h3><h3 style="text-align: center;">譬如</h3><h3 style="text-align: center;">我们先来看看水合氢离子</h3><h3 style="text-align: center;">下图就是最简单的</h3><h3 style="text-align: center;">水合氢离子的结构模型</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">还是回到刚才的问题上来</h3><h3 style="text-align: center;">为什么氢氧化钠不可以无限滴溶解在水中</h3><h3 style="text-align: center;">为什么水中加氢氧化钠固体后</h3><h3 style="text-align: center;">所得溶液的体积反而可能会减少</h3><h3 style="text-align: center;">带着任务来阐述问题</h3><h3 style="text-align: center;">可能会简单一些</h3><h3 style="text-align: center;">任务推动下的问题解决</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">氢氧化钠不可以无限滴溶解在水中</h3><h3 style="text-align: center;">这是天经地义的</h3><h3 style="text-align: center;">水中加氢氧化钠固体体积减少</h3><h3 style="text-align: center;">好像是第一次听说</h3><h3 style="text-align: center;">是吗</h3><h3 style="text-align: center;">观察下图就会明白</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">任务来了</h3><h3 style="text-align: center;">为什么</h3><h3 style="text-align: center;">宏观上就是这样</h3><h3 style="text-align: center;">假如氢氧化钠可以溶解</h3><h3 style="text-align: center;">那你氢氧化钠就不断溶解就是</h3><h3 style="text-align: center;">溶解—结晶平衡</h3><h3 style="text-align: center;">不是可以很好解释这一问题吗</h3><h3 style="text-align: center;">但这只是一个认知模型</h3><h3 style="text-align: center;">在这一理论模型下</h3><h3 style="text-align: center;">的确能说明为什么氢氧化钠溶于水是有限度这一问题的</h3><h3 style="text-align: center;">因为会达到平衡嘛</h3><h3 style="text-align: center;">但是</h3><h3 style="text-align: center;">为什么氢氧化钾在水中溶解度不一样呢</h3><h3 style="text-align: center;">有人说</h3><h3 style="text-align: center;">氢氧化钾的性质不一样嘛</h3><h3 style="text-align: center;">钾离子与钠离子不一样嘛</h3><h3 style="text-align: center;">这解释应该说很有道理</h3><h3 style="text-align: center;">但是为什么？</h3><h3 style="text-align: center;">钾离子与钠离子有什么不同？</h3><h3 style="text-align: center;">离子半径不同</h3><h3 style="text-align: center;">离子半径不同又会怎样</h3><h3 style="text-align: center;">这样思考下去</h3><h3 style="text-align: center;">是不是总是无法很好回答？</h3><h3 style="text-align: center;">因为</h3><h3 style="text-align: center;">我们还得进行</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">微观探析</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">探析微观世界</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">但微观世界很难被人类真正了解</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">因为人类观察微观世界的工具有限</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">正因为这样</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">我们才称之为“探析”</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">那怎样探析呢</h3><h3 style="text-align: center;">还是得建立认识这一现象的模型</h3><h3 style="text-align: center;">对吗</h3><h3 style="text-align: center;">想象一下</h3><h3 style="text-align: center;">在水中加入氢氧化钠后</h3><h3 style="text-align: center;">水还是原来的水吗</h3><h3 style="text-align: center;">现在</h3><h3 style="text-align: center;">提出观点</h3><h3 style="text-align: center;">在氢氧化钠溶液中</h3><h3 style="text-align: center;">把水分成两种水</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">一种称之为</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">“自由水”</font></h3><h3 style="text-align: center;">另一种称之为</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">“水合水”</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">没有加入氢氧化钠之前水</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">加入氢氧化钠之后</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">水就分为“自由水”和“水合水”</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#010101">这样的说法合理吗</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">对</h3><h3 style="text-align: center;">我们正在微观探析</h3><h3 style="text-align: center;">目的是为了宏观辨识</h3><h3 style="text-align: center;">自由水和水合水有什么不一样？</h3><h3 style="text-align: center;">为了搞清楚这一问题</h3><h3 style="text-align: center;">我们想象一下</h3><h3 style="text-align: center;">在一清澈见底且很大的水池里</h3><h3 style="text-align: center;">有许许多多的金鱼</h3><h3 style="text-align: center;">想象那个画面</h3><h3 style="text-align: center;">金鱼一般能均匀滴分散在水池每一个角落<br></h3><h3 style="text-align: center;">这时</h3><h3 style="text-align: center;">突然</h3><h3 style="text-align: center;">有人往水池中丢了一粒米</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;">这一瞬间会发生什么</h3><h3 style="text-align: center;">那一粒米的周围</h3><h3 style="text-align: center;">会立即聚集着尽可能多的金鱼</h3><h3 style="text-align: center;">假如这一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">又不能被某一条金鱼吃了</h3><h3 style="text-align: center;">那就出现总有那么几条金鱼围着这一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">围着这一粒米的金鱼</h3><h3 style="text-align: center;">就是水合水</h3><h3 style="text-align: center;">没有围着的这一粒米的金鱼</h3><h3 style="text-align: center;">就是自由水</h3><h3 style="text-align: center;">当然</h3><h3 style="text-align: center;">围着这一粒米的金鱼可能会因为吃不到米而离开</h3><h3 style="text-align: center;">另外不知情的金鱼又会过来围着这一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">从统计学上讲</h3><h3 style="text-align: center;">这一粒米周围的金鱼数目是基本确定的</h3><h3 style="text-align: center;">哈哈哈</h3><h3 style="text-align: center;">微观探析也是用宏观现象来类比的</h3><h3 style="text-align: center;">是吗</h3><h3 style="text-align: center;">下图可以帮助我们理解这个问题</h3><h3 style="text-align: center;"><br></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">假如继续以这一生活现象为模型</h3><h3 style="text-align: center;">我们再投入一粒米</h3><h3 style="text-align: center;">就会有相同数目的自由鱼就会变成水合鱼</h3><h3 style="text-align: center;">当我们投入足够多的米以后</h3><h3 style="text-align: center;">一定就出现这样的情景</h3><h3 style="text-align: center;">投入的米</h3><h3 style="text-align: center;">没有金鱼理睬了</h3><h3 style="text-align: center;">这个时候</h3><h3 style="text-align: center;">我们就说氢氧化钠不能再溶解了</h3><h3 style="text-align: center;">按照这个说法</h3><h3 style="text-align: center;">是不是在饱和的氢氧化钠溶液中加氢氧化钾就不能溶解了</h3><h3 style="text-align: center;">不是的</h3><h3 style="text-align: center;">再加氢氧化钾以后</h3><h3 style="text-align: center;">氢氧化钾还是能溶解的</h3><h3 style="text-align: center;">因为</h3><h3 style="text-align: center;">水合水一看到钾离子来了</h3><h3 style="text-align: center;">以为钾离子更好吃</h3><h3 style="text-align: center;">于是水合水就离开了钠离子</h3><h3 style="text-align: center;">投奔到钾离子周围了</h3><h3 style="text-align: center;">就好像在水池里又投入了一个饭团</h3><h3 style="text-align: center;">金鱼会因为饭团的气味不一样</h3><h3 style="text-align: center;">有些金鱼就会去抢饭团</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">言归正传</h3><h3 style="text-align: center;">来一些化学用语吧</h3><h3 style="text-align: center;">在水中</h3><h3 style="text-align: center;">假如我们投入一个质子</h3><h3 style="text-align: center;">也就是简单氢离子</h3><h3 style="text-align: center;">那么</h3><h3 style="text-align: center;">这个氢离子就会变成水合氢离子</h3><h3 style="text-align: center;">这个水合氢离子最简单的形式就是H3O+</h3><h3 style="text-align: center;">事实上</h3><h3 style="text-align: center;">质子投入到水中以后</h3><h3 style="text-align: center;">还会形成很多种水合氢离子</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">这可不是我造谣的</h3><h3 style="text-align: center;">这段文献可以证明</h3><h3 style="text-align: center;">但我翻译不了</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">下图为某一元强酸在水溶液中的情景</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">看来</h3><h3 style="text-align: center;">学好英语还是蛮重要的</h3><h3 style="text-align: center;">当然</h3><h3 style="text-align: center;">不需要所有人都需要学</h3><h3 style="text-align: center;">浪费时间</h3><h3 style="text-align: center;">浪费财力和物力</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">归纳一下</h3><h3 style="text-align: center;">离子在水中的行为</h3><h3 style="text-align: center;">会形成</h3><h3 style="text-align: center;">离子—偶极作用力</h3><h3 style="text-align: center;">使得水分子与阴阳离子</h3><h3 style="text-align: center;">“紧紧”滴抱在一团</h3><h3 style="text-align: center;">这样</h3><h3 style="text-align: center;">我们就可以从微观角度定性分析物质的溶解性了</h3><h3 style="text-align: center;">不同的物质</h3><h3 style="text-align: center;">溶于水后</h3><h3 style="text-align: center;">有些变成了离子</h3><h3 style="text-align: center;">（为什么能变成离子就不是本文要说明的）</h3><h3 style="text-align: center;">有些变成了分子</h3><h3 style="text-align: center;">不同的离子或分子</h3><h3 style="text-align: center;">在水中形成的水合物不尽相同</h3><h3 style="text-align: center;">因此</h3><h3 style="text-align: center;">不同物质的溶解度不同</h3><h3 style="text-align: center;">并且</h3><h3 style="text-align: center;">不同粒子的个头不一样</h3><h3 style="text-align: center;">占据的空间不一样</h3><h3 style="text-align: center;">个头不一样</h3><h3 style="text-align: center;">所带电荷即便一样</h3><h3 style="text-align: center;">产生的电场也不一样</h3><p style="text-align: center; ">水合离子之间的相互作用也不一样</p><h3 style="text-align: center;">与水形成的作用力也就不一样</h3><h3 style="text-align: center;">投入香香的饭团</h3><h3 style="text-align: center;">与投入变味的饭团</h3><h3 style="text-align: center;">金鱼的喜好程度是不一样的</h3><h3 style="text-align: center;">因此</h3><h3 style="text-align: center;">溶解度不一样</h3><h3 style="text-align: center;">不要期望我能计算出不同物质的溶解度</h3><h3 style="text-align: center;">据说</h3><h3 style="text-align: center;">不同物质的溶解度</h3><h3 style="text-align: center;">还是通过实验获取</h3><h3 style="text-align: center;">计算无法精确得到物质在一定温度下的溶解度</h3><h3 style="text-align: center;">看来</h3><h3 style="text-align: center;">化学之路</h3><h3 style="text-align: center;">还很长</h3><h3 style="text-align: center;">很长</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">应该说</h3><h3 style="text-align: center;">基本上</h3><h3 style="text-align: center;">解决了氢氧化钠为什么在水中的溶解是有限度</h3><h3 style="text-align: center;">但为什么氢氧化钠溶于水后</h3><h3 style="text-align: center;">溶液的体积反而可能减小呢</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">对了</h3><h3 style="text-align: center;">我忘记说了</h3><h3 style="text-align: center;">实际上</h3><h3 style="text-align: center;">在水中投入一个质子后</h3><h3 style="text-align: center;">由于自由水变成了水合水</h3><h3 style="text-align: center;">水分子之间的“空间骨架”变得紧密了</h3><h3 style="text-align: center;">因此</h3><h3 style="text-align: center;">溶液的体积可能变小</h3><h3 style="text-align: center;">但为什么更多的氢氧化钠加入后</h3><h3 style="text-align: center;">溶液的体积又可以变大呢</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">通过分析</h3><h3 style="text-align: center;">我们可以认为</h3><h3 style="text-align: center;">溶液体积的变化</h3><h3 style="text-align: center;">取决于两个方面</h3><h3 style="text-align: center;">第一</h3><h3 style="text-align: center;">形成水合水后体积减小</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体积</h3><h3 style="text-align: center;">一个是增函数</h3><h3 style="text-align: center;">一个是减函数</h3><h3 style="text-align: center;">于是就出现了上述这种情况</h3><p style="text-align: center; ">实际上</p><p style="text-align: center; ">可能还有水合离子之间的相互作用也会影响溶液体积的大小</p><h3 style="text-align: center;">我想</h3><h3 style="text-align: center;">可能还存在一些物质</h3><h3 style="text-align: center;">这种物质由于粒子与水分子之间</h3><h3 style="text-align: center;">不但没有象离子一样</h3><h3 style="text-align: center;">很难与水分子形成“离子—偶极作用力”</h3><h3 style="text-align: center;">而且可能与水分子之间排斥力更大</h3><h3 style="text-align: center;">就不会出现上述这种情况</h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">总而言之</h3><h3 style="text-align: center;">溶于水的离子或粒子</h3><h3 style="text-align: center;">基于</h3><h3 style="text-align: center;">与自由水形成的水合水的数目不一样</h3><h3 style="text-align: center;">本身离子或粒子个头大小不一样</h3><h3 style="text-align: center;">造成物质溶于水后的溶解性不一样</h3><h3 style="text-align: center;">引起的溶液的体积变化也不一样</h3><h3 style="text-align: center;">有点复杂</h3><h3 style="text-align: center;">真的有点复杂</h3><h3 style="text-align: center;">目前我对这个问题所掌握的理论</h3><h3 style="text-align: center;">远远不能很好地解释</h3><h3 style="text-align: center;">刚才提出的两个宏观上的简单的问题</h3><h3 style="text-align: center;">但我想</h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">这就是微观探析</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">探究分析也许不确切</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">但化学上就需要这样的探究分析过程</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">是吗</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">让我们一起努力吧</font></h3><h3 style="text-align: center;"><font color="#ed2308">为了我们喜欢的化学</font></h3> <h3></h3><h3 style="text-align: center;">为什么要谈这些几乎不可能高考的问题</h3><h3 style="text-align: center;">一来</h3><h3 style="text-align: center;">我曾经思考过这些问题</h3><h3 style="text-align: center;">二来</h3><h3 style="text-align: center;">这是一个体会</h3><h3 style="text-align: center;">核心素养之—“宏观辨识与微观探析”的</h3><h3 style="text-align: center;">一个很好的案例</h3><h3 style="text-align: center;">于是</h3><h3 style="text-align: center;">在喝酒后</h3><h3 style="text-align: center;">就随便记录下来</h3><h3 style="text-align: center;">以后我还想对</h3><h3 style="text-align: center;">其他几个维度的核心素养内容</h3><h3 style="text-align: center;">谈谈我自己的理解</h3><h3 style="text-align: center;">解读和体验</h3><h3 style="text-align: center;">一定有偏差</h3><h3 style="text-align: center;">但总归是自己的一种看法</h3>