當前位置: 華文問答 > 科學

鹽水與水的比熱容哪個更高?

2018-12-31科學

我嘗試用高中生能聽懂的話回答這個問題。結論是,水的比熱容比鹽水高。

不止氯化鈉溶液的熱容比水低。我做過一組對比試驗,用同樣摩爾數的氟化鈉,氯化鈉,溴化鈉,碘化鈉溶於水中然後以固定時長加熱,結果是上述全部溶液比熱容全部低於水,且依列舉順序呈現遞減關系。

你得先明白水的比熱容為什麽是常見物質中最大的。不考慮水分子間氫鍵的影響,這裏提到一個概念,運動自由度(Freedom of motion),其包含了平動自由度、轉動自由度(這裏就不提到振動自由度了)。運動自由度和比熱容的關系是,自由度越高,能量吸收後轉化成溫度的比例就越大,比熱容越低。單個水分子的運動自由度是6,由3個平動自由度(向xyz三個方向運動)和3個轉動自由度(水分子由3個原子組成且不對稱,沿xyz三個軸轉動)組成,同時也是單個分子自由度(平動+轉動)的上限。這裏不需要討論到多個水分子間氫鍵對自由度的影響。你只需要明白, 運動越自由,比熱容越高。

然後我們可以探討一下,如果一群水分子裏出現了一個離子,會發生什麽?

首先,水分子裏O和H的負電性不同,帶有極性(polarity)。當在水裏加入正負離子的時候, 水分子電荷偏負的O端會被正離子吸引,電荷偏正的H端會被負離子吸引 。當多個水分子被一個帶電離子吸引的時候,水分子會圍繞在帶電離子周圍,形成一個rigid cage(直譯為剛性籠,那在這裏就叫它剛性籠吧)。如圖,圖片來自google:

這個時候,用於形成這個剛性籠水分子, 其運動自由度被完全凍結 。也就是說,當宏觀上的氯化鈉溶液被輸入能量的時候,分子增加的動能 不能傳遞到在這個剛性籠上的水分子,能量守恒,原本應該傳遞到這部份水分子的能量就只能傳遞到別的水分子上,從而溫度上升就更顯著。所以加入了鹽之後,溶液的比熱容就比原本沒有正負離子的水低了。

順便解釋一下為什麽同樣摩爾數的氟化鈉,氯化鈉,溴化鈉,碘化鈉溶液的比熱容存在遞減關系。首先氟,氯,溴和碘的分子量是遞增的,根據 c=Q/(m△T) ,分子量的遞增對 比熱容的遞減一定是有貢獻的。其次,氟,氯,溴和碘的離子半徑也是遞增的,離子半徑越大,一圈剛性籠裏的運動被限制的水分子就會更多,從而比熱容降低更顯著。

重復一下結論,水的比熱容比鹽水高,是因為鹽水裏含有正負離子,水分子被其限制了運動。

來自國際學校12年級學生的回答,歡迎糾錯~

參考網址:

How does salt change the specific heat capacity of water? | Socratic