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為什么水與油互不相溶?

來源:老粥科普 瀏覽 1110 次 發(fā)布時(shí)間:2022-06-21

許多人都有這樣的經(jīng)驗(yàn),在常溫狀態(tài)下,無論是你將油倒入水里,還是把水倒進(jìn)油中,它們并不會互相融合成為某種稀釋的溶液,而是很快地分開,形成一個(gè)明顯的界面。這究竟是為什么呢?


有人說,這是因?yàn)橛捅人p呀!所以油就浮在水的上面。這顯然站不住腳,因?yàn)榫凭脖人p,但它能與水完全溶合;同時(shí)盡管絕大多數(shù)的油密度低于水,但這卻不是二者互不相溶的真正原因。從科學(xué)的角度來看,兩種液體是否相溶與它們的比重?zé)o關(guān),而與它們的分子極性密切相關(guān)。




利用水油分層制成的液體“沙漏”,有顏色的是水


分子之間的力


液體分子之間通常存在兩種相互作用力:范德華力和氫鍵,這兩種力使分子之間相互吸引又保持一定的距離,它們是由分子的化學(xué)電性質(zhì)決定的。


我們知道分子內(nèi)部各原子之間通常以共價(jià)鍵或離子鍵相結(jié)合,這是由原子之間電子的共享與交換引起的力,這種電磁力通常比較強(qiáng)、作用距離也很短,你要是想把一個(gè)分子拆開來需要消耗比較大的能量。


分子與分子之間的范德華力是弱化學(xué)力中最弱的一種,其強(qiáng)度在0.4~4kJ/mol之間。當(dāng)兩個(gè)原子間距離大于0.6nm時(shí),我們不足以觀察到范德華力;同樣,當(dāng)原子間距離小于0.4nm時(shí),力就會排斥。



壁虎是依靠范德華力在墻壁上爬行的


水由氫和氧原子組成。當(dāng)氫(H)原子與氧(O)、氮(N)或氟(F)結(jié)合時(shí),氫唯一的一個(gè)電子會與它們形成共價(jià)鍵,這時(shí)候氫原子的電子由于被O、N或F吸引而稍稍“跑偏”,導(dǎo)致氫原子這一端呈現(xiàn)更多的正電性(氫原子核帶正電);與之相對應(yīng)地,分子的另一端會因?yàn)槲娮拥哪芰Ω鼜?qiáng)而顯示出負(fù)電。分子對外顯示出比較強(qiáng)的電極性,分子與分子之間會因?yàn)殡姌O性的不同而相互吸引。




水分子間通過強(qiáng)大的氫鍵連接


氫鍵的極性很強(qiáng),當(dāng)分子之間通過氫鍵相互吸引時(shí),它的能量通常比范德華力要大許多倍。這正是水相比于其它液體擁有多種獨(dú)特性質(zhì)的原因。



氫鍵是水表面張力的重要原因


分子的極性


每一種原子的原子核吸引電子的能力都不相同,當(dāng)這些原子通過共價(jià)鍵相互結(jié)合成分子時(shí),電子的運(yùn)動軌跡會更偏向于那些吸引力更強(qiáng)的原子,這就造成了分子擁有一定的極性。分子的極性是分子間相互作用力的重要因素之一。



元素的電負(fù)性用來確定共價(jià)鍵的極性


上圖是元素周期表中部分元素電負(fù)性的標(biāo)量,電負(fù)性是一個(gè)無單位數(shù),數(shù)字越高,原子吸引電子的能力越強(qiáng)。我們可以通過確定參與共價(jià)鍵的兩個(gè)原子的電負(fù)性的差異來判斷共價(jià)鍵的極性:


當(dāng)分子中兩個(gè)原子電負(fù)性的差異為0時(shí),原子之間為非極性共價(jià);



氯分子的非極性共價(jià)


當(dāng)電負(fù)性差異的值為0~0.4之間,共價(jià)是弱極性的,分子對外依然顯示非極性的特征;


當(dāng)電負(fù)性差異的值為0.5~2.0之間,原子間為絕對極性共價(jià);




氟化氫分子有很強(qiáng)的極性


而當(dāng)這個(gè)值>2.0時(shí),原子之間就是離子鍵合而非共價(jià)鍵了。食鹽(NaCl)就是離子鍵,因?yàn)镹a的電負(fù)性為0.9,而Cl的電負(fù)性是3.0,二者的差值3.0-0.9=2.1>2.0,因此食鹽很容易溶于水。


當(dāng)兩個(gè)原子間由極性共價(jià)關(guān)系相結(jié)合時(shí),分子的一端會稍稍顯示出正電荷,而另一端相應(yīng)帶負(fù)電荷,這種分子有兩個(gè)相反的電“極”,因此我們稱之為偶極子。



液體偶極子之間力的平衡關(guān)系


如果分子是由兩個(gè)以上原子組成,在確定分子是極性還是非極性時(shí),還必須考慮分子的幾何形狀。下圖顯示了二氧化碳分子與水分子之間的比較,二氧化碳是線性分子,偶極子因強(qiáng)度相同方向相反而互相抵消,對外顯示整體分子的極性為零;水分子的兩個(gè)極性鍵有夾角,因此整體對外顯示出極性。




二氧化碳與水分子的極性


非極性分子間的力


非極性分子之間沒有強(qiáng)大的氫鍵結(jié)合,那么它們是如何相互影響的呢?


前節(jié)介紹了氯氣分子和二氧化碳分子,它們都是非極性的。對于由更多原子組成的一些分子,由于組合幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系,它們也往往對外顯示出極性或非極性。比如三角形平面排列的三氟化硼和四面體排列的甲烷,它們都是非極性分子,因此不會產(chǎn)生整體偶極子。



對稱排列不會產(chǎn)生整體偶極子


非極性分子是通過倫敦分散力進(jìn)行結(jié)合的。倫敦分散力簡稱“倫敦力”,它是指非極性分子內(nèi)部由于電子移動產(chǎn)生的瞬時(shí)偶極誘導(dǎo)的偶極力。倫敦力是范德華力的一部分,因此它并不與范德華力相矛盾。


非極性分子盡管整體上對外不顯示極性,但它內(nèi)部電子在運(yùn)動的過程中會因?yàn)橐苿游恢玫脑虍a(chǎn)生某些瞬間的不平衡,這種內(nèi)部電荷的不平衡狀態(tài)反應(yīng)到整個(gè)分子上,就使得分子在某些瞬間產(chǎn)生整體的偶極性。當(dāng)一個(gè)分子出現(xiàn)瞬間極性時(shí),它會感應(yīng)附近的分子,使之電荷相反,從而實(shí)現(xiàn)互相吸引。由于倫敦力的相互吸引作用很弱,導(dǎo)致非極性分子的間距較大,油大多由非極性分子組成,因此油的密度普遍比水低,它會浮在水的上方。



非極性分子感應(yīng)偶極子產(chǎn)生倫敦力


水油不混溶的原因


通過前面的介紹,我們了解了:


水分子由于氫氧共價(jià)鍵是偶極子,同時(shí)兩個(gè)氫氧鍵之間存在夾角,所以水分子是偶極子。



乙醇含有一個(gè)羥基(OH)因此它溶于水


水分子通過氫鍵互相連接形成大的水分子團(tuán),氫鍵比范德華力更強(qiáng)大,所以水分子會首先與相鄰的極性分子相互吸引并結(jié)合,從而形成表面張力。水可以接納其它同樣極性分子基團(tuán)(例如OH、NH基團(tuán)),但對非極性基團(tuán)具有排斥性,它會拒絕其它分子特別是非極性分子加入,因此水顯示出對非極性物質(zhì)(例如油)的排斥力。


將染色的油倒入水中,它們會很快分離


油大多含有CH鍵,CH鍵極性很弱(<0.4),因此它是疏水性的。水分子會首先與附近其它親水基團(tuán)相結(jié)合形成氫鍵或離子鍵,而在水分子與油的分子之間僅存在微弱的感應(yīng)電荷和范德華力,加之二者的密度不同,水與油不僅不會相互溶合,還會出現(xiàn)分層現(xiàn)象,我們可以很容易將其分離開來。


分液漏斗是實(shí)驗(yàn)室中常見的油水分離裝置