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水化作用(hydration)是物質與水發生化合的反應,又稱水合作用,一般指分子或離子的水合作用。其中當鹽類溶於水中生成電解質溶液時,離子的靜電力破壞了原來的水結構,在其周圍形成一定的水分子層,稱為水化。

1存在形式

水溶液中離子一般均以水化離子的形式存在。根據X射線衍射分析,液態水是微觀晶體,在短程和短時間內具有與冰相似的結構,即1個中心水分子周圍有4個水分子佔在四面體的頂角包圍著它,四面體結構是通過氫鍵形成的。5個水分子沒有佔滿四面體的全部體積,是一個敞開式的鬆弛結構。離子溶入水中后,離子周圍存在著一個對水分子有明顯作用的空間,當水分子與離子間相互作用能大於水分子與水分子間的氫鍵能時,水的結構就遭到破壞,在離子周圍形成水化膜。緊靠離子的第一層水分子定向地與離子牢固結合,與離子一起移動,不受溫度變化的影響,這樣的水化作用稱原水化或化學水化,它所包含的水分子數稱為原水化數。第一層以外的水分子也受到離子的吸引作用,使水的原有結構遭到敗壞,但由於距離稍遠,吸引較弱,與離子聯繫較松,這部分水化作用稱二級水化或物理水化。它所包含的水分子數隨溫度的變化而改變,不是固定值。用不同方法測定原水化數,所得結果相差很大,這是因為不同方法測出的數值,都是原水化數加上部分二級水化數。用不同方法測出的常見離子的水化數見表。由表中數據可以看出離子半徑小,電荷數大的離子水化數大,在它周圍的水分子多,這些水分子都定向地牢固地與離子結合,失去了獨立運動的能力。離子周圍的第一層水分子數雖然不變,但並不是同一個水分子永久地無限期地留在離子周圍,而是與外界的水分子不斷地相互交換,只是保持水化數不變。離子水化作用產生兩種影響,一是離子水化作用減少溶液「自由」水分子的數量,增加離子體積,因而改變電解質溶液中電解質的活度係數(使Y±增大)和電導性質。這是溶劑對溶質的影響;二是離子水化往往破壞附近水層中的正四面體結構。降低離子鄰近水分子層的相對介電常數,這是溶質對溶劑的影響。

2水化  Hydration

水分子的正、負電荷中心並不重合,是偶極子。它又有很強的氫鍵作用,故水有特殊的結構。當鹽類溶於水中生成電解質溶液時,離子的靜電力破壞了原來的水結構,在其周圍形成一定的水分子層,稱為水化。
這層水分子的數目稱為水化數(hydration number)。這是一種「溶劑化」過程,任何物質的溶解必定伴隨有溶劑化(solvation),即溶質分子或離子通過靜電作用、氫鍵、范氏引力、甚至配鍵與溶劑分子作用產生溶劑化粒子,促進了溶解過程。許多物質能溶於水,是與水有很強的水化能力分不開的。水化的概念對於電解質溶液結構的探討及其性質的理論計算很重要,但它是靜電作用的結果,與化學結合不同。有些離子能通過配鍵與水分子結合,形成固定的配位水,如Cu(H2O)42+,可存在於水溶液以至氣態和離子晶體中,稱為水合離子,其過程為「水合作用」,但英語仍作hydration。

3水合

分子或離子與水結合而形成水合物或水合離子的過程。物質在水中的溶解或離解,主要是通過水化而引起的。在有機化學中也指分子中不飽和鍵在催化劑作用下與水分子化合的反應。如乙烯與水化合成乙醇。又稱水合。
水與另一物質分子化合成為一個分子的反應過程。水分子以其氫和羥基與物質分子的不飽和鍵加成生成新的化合物,此種合成方法在有機化工生產中得到應用。水以水分子的形式與物質的分子結合形成複合物(如鹽類的含水晶體,烴類的水合物等)的過程,也可廣義地稱為水合。水合屬於化學變化
水合過程在有機化工中的最早應用是1913年在德國用乙炔水合制乙醛。當前在工業中的主要應用有以下四方面:
①烯烴水合 製備醇類的重要方法,在工業上得到廣泛應用的是乙烯水合制乙醇以及丙烯水合制異丙醇:
根據馬爾科夫尼科夫規則,只有乙烯水合可生成伯醇,其他烯烴水合均只能生成仲醇或叔醇。烯烴水合有直接水合和間接水合兩種方法。間接水合法是先用硫酸吸收烯烴成為硫酸酯,後者再進行水解。這是較老的生產方法,現已為直接水合法所取代。直接水合法採用酸性催化劑(見酸鹼催化劑),如用載於硅藻土上的磷酸催化劑、氧化鎢、磷鎢酸以及強酸性離子交換樹脂等。烯烴水合是放熱反應,溫度低對平衡有利,但溫度的選定主要決定於催化劑的活性(見催化活性)。升高壓力能提高平衡轉化率,但以不致使氣相中的水蒸氣在催化劑表面凝結為限。
②環氧化合物水合 這是製取二元醇的重要方法,主要是環氧乙烷水合制乙二醇,以及環氧丙烷水合制丙二醇:
用硫酸為催化劑時反應可在常壓下進行,在加壓下可以不用催化劑。
③腈的水合 這是工業上製取醯胺的重要方法,如丙烯腈水合制丙烯醯胺:
   水合
最好的催化劑是骨架銅催化劑(見金屬催化劑),現在又開發了生物催化劑。
④炔烴水合 主要是乙炔水合制乙醛:
CH呏CH+H2O─→CH3CHO
工業上用硫酸汞為催化劑,反應在硫酸溶液中進行。這一方法在工業上應用歷史較久,但由於汞的污染等問題,現已改用其他方法。
水合過程是有機合成方法之一,但作為重要的生產方法,還只限於少數類型產品,如乙醇及二元醇
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