Ненормални свойства на водата: причини, значение
Хората са свикнали с водата и я смятат за обикновена субстанция. Те често го приемат за даденост, докато сушата заплашва културите и питейната вода, или тежките наводнения представляват заплаха за живота и имуществото. Мнозина не осъзнават, че структурата на водата и нейните аномални свойства осигуряват съществуването на живот на Земята.
Един от ранните гръцки философи, Фалес от Милет (640-546 г. пр. Хр.), Изследва универсалната природа на водата. Той го счита за основния елемент, от който се ражда всичко. Изобилието на вода е очевидно, но Фалес отбелязва, че това е единственото вещество, което естествено присъства на Земята едновременно в три различни състояния: твърдо, течно и газообразно. В един студен зимен ден, снегът и ледът покриват полетата, наблизо тече река и облаците плуват над тях.
Форми на материята
Всички вещества съществуват в три различни състояния, които зависят от температурата и налягането. Твърдите вещества имат определена форма и имат кристална вътрешна структура. С тази дефиниция, вещество като стъклото ще се счита за силно вискозна течност, тъй като няма кристална структура. Твърдите вещества се противопоставят на външните влияния. Те могат да бъдат превърнати в течност чрез загряване. Точката на замръзване на вода при налягане от 1 атмосфера е 0 ° C, под която съществува като лед.
Течност, за разлика от твърдо тяло, няма твърдост и няма определена форма. Тя има обем и е под формата на съд, в който се съхранява. Външното влияние го принуждава да тече. Водата е течност между температурата на замръзване и температурата на кипене (100 ° C). Течностите могат да преминат към газообразната фаза при нагряване над точката на кипене.
Газът няма форма или обем. Тя се оформя и заема обема на съда, в който се намира. Газът се разширява и свива с промени в температурата и налягането и може лесно да се разпространява в други газове.
Точки на кипене и замръзване
Ненормалните свойства на водата са нейните необичайно високи температури на кипене и замръзване в сравнение с други съединения с подобна молекулна структура. Други подобни вещества при нормални условия са газовете. Очаква се, че водата с по-ниско молекулно тегло от подобни съединения има по-ниски температури на кипене и замръзване. Въпреки това, поради полярната природа на неговите молекули и водородни връзки, неговата точка на кипене е 100 ° С, а замразяването е 0 ° С. За сравнение, съответните стойности за сероводород H 2 S са -60 ° C и -84 ° C, за водороден сулфид H 2 Se, този показател е -42 ° C и -64 ° C и телурид за -2 ° C и -49 ° C ,
Твърда фаза
Като правило, при понижаване на температурата веществата стават по-плътни, а водата не е изключение. Нейната плътност при 25 ° С е 0,997 g / ml и се увеличава с максимум (1 g / ml) при Т = 4 ° С. В метричната система за измерване един килограм се определя като маса от 1 литър вода с максимална плътност. Удивително нещо се случва между 4 ° C и точката на замръзване 0 ° C, която се наблюдава при много малък брой вещества. Водата постепенно се разширява и става по-малко гъста. Плътността на лед при 0 ° С е около 0.917 g / ml. Водните молекули образуват кристали под формата на тетраедър (четириъгълна фигура, всяка от които е равностранен триъгълник). Тъй като плътността на твърдата фаза е по-малка от течността, ледът плува. При замразяване обемът на водата се увеличава с 1%.
Много е важно ледът да се разширява и плува на повърхността. Поради това през зимата се спукват водопроводи и по пътищата се появяват дупки. Замразяването и топенето на водата до голяма степен са отговорни за унищожаването на скалите и образуването на почвата. Освен това, ако езерата и потоците замръзнат нагоре, водният живот като цяло би престанал да съществува, а климатичните и климатичните условия биха се променили драстично.
Топлинна мощност
Друго анормално свойство на водата е изключително високата му способност да абсорбира топлината без значително повишаване на температурата. Например, лятното слънце на плажа нагрява пясъка до такава степен, че става невъзможно да се ходи по него. Водата остава хладна. И двете вещества абсорбират еднакво количество топлинна енергия, но температурата на пясъка е по-висока. Празното железно гърне, висящо над огъня, бързо ще свети червено горещо, но ако се напълни с вода, то то се нагрява постепенно. Високата топлинна мощност на водата го прави добър охлаждащ агент в кондензаторите и автомобилните радиатори, които предотвратяват прегряването на двигателите. Неговата стойност е 5 пъти по-голяма от топлинната мощност на пясъка и около 10 пъти повече от желязото.
Умереният климат в крайбрежните райони е резултат от усвояването през деня на огромно количество слънчева топлинна енергия от водата и бавното му освобождаване през нощта. Вътрешните райони далеч от брега обикновено изпитват много по-високи екстремни температури. Огромни океани на Земята (около 75% от площта) са отговорни за смекчаване на климата на нашата планета, като подкрепят съществуването на живота.
Топлина на топене и изпаряване
Топлината на фазовия преход е свързана с топлинния капацитет. Това е количеството топлинна енергия, абсорбирана или отделяна от вещество, което се променя във фаза (от течност към твърдо вещество, или обратно, и от течно към газообразно, или обратно) без промяна на температурата. Необичайно високите стойности на специфичната топлина на топене (332,4 kJ / kg) и изпарението (2256,2 kJ / kg) са следващите аномални физични свойства на водата. Замразяването произвежда същото количество топлина, което се абсорбира по време на процеса на топене.
Практически пример за използване на специфичната топлина на топене на вода е използването на лед за охлаждане на напитки в изолиран охладител. В процеса на топене ледът поглъща топлинната енергия на напитките, поддържайки ги хладни. Контейнер с вода в оранжерия в студена зимна нощ ще смекчи температурата на помещението поради топлината, отделена по време на замразяване. Кондензацията на пара освобождава същото количество топлина, което се абсорбира по време на процеса на изпаряване. Специфичната топлина на изпаряване е 5 пъти по-висока от топлината, необходима за повишаване на температурата от 0 до 100 ° С. Анормалното свойство на водата да съхранява голямо количество акумулирана топлинна енергия прави парното отопление ефективно. В процеса на кондензация парата отделя натрупаната топлинна енергия. Дневна буря в горещ летен ден е друг пример за освобождаване на топлинна енергия в горните слоеве на атмосферата при кондензация на горещ и влажен въздух. Дори един ураган е пример за ефекта от преразпределянето на огромни количества топлинна енергия, погълната от тропическите океани.
Изпарителните охладителни системи работят обратното. Водата в процеса на изпаряване абсорбира топлинната енергия от въздуха, охлажда я.
Универсален разтворител
Разтворителят е способен да разтвори друго вещество с образуването на хомогенна смес (разтвор) на молекулярно ниво. Друго анормално свойство на водата в химията поради полярната му природа е способността му да разтваря други полярни съединения - соли, алкохоли, карбоксилни съединения и др. Повече вещества се разтварят във вода, отколкото във всеки друг разтворител. Повече от половината от известните химични елементи могат да се открият в него, други в високи концентрации, а други само в следи. Например, концентрацията на насищане на натриев хлорид е около 36 g на 100 ml, а калциевият карбонат - около 0.0015 g Способността на водата да разтвори веществото зависи от неговия химичен състав, силата на химичните връзки на елементите, температурата и рН.
Неполярните съединения, включително повечето въглеводороди, се разтварят в ниски или следи. Например, маслата са склонни да плуват по повърхността на водата.
Повърхностно напрежение
Анормалните свойства на водата включват най-високото (след живак) повърхностно напрежение в сравнение с всяка друга течност. Това е силата на привличане на молекули, разположени под повърхността и тези, разположени на интерфейса течност-въздух. Той предпазва водата от разпространение. Полярните съединения, като правило, имат много по-голямо повърхностно напрежение от неполярните. А водата не е изключение. При 20 ° C този показател е равен на 0.07286 N / m (за етилов алкохол - 0.0228 N / m).
Без външно въздействие капка H 2 O приема формата на сфера, тъй като тази цифра има най-малка повърхност на единица обем. Дъждовни капки са малки куршуми, които унищожават скали. По същата причина предмети, които са по-тежки от водата, могат да бъдат държани на повърхността му. Насекоми могат да ходят по него, и бръснач ножове плуват.
Водородната връзка определя аномалното свойство на водата да навлажнява повечето повърхности. Такива вещества се считат за хидрофилни. Водата може да се издига по стените на стъклото и други контейнери. Други вещества като масла, мазнини, восък и синтетика (полипропилен и др.) Не се намокрят. Те са хидрофобни. Мембранни филтърни патрони с размер на порите по-малък от 1 микрона са изработени от хидрофобни полимери с помощта на овлажняващи агенти, които намаляват повърхностното напрежение на водата, така че последните могат да проникнат и да останат в тях. Това явление се нарича капилярен ефект. Той е отговорен за движението на водата в почвата и по корените на растенията и кръвта през кръвоносните съдове.
Ненормални свойства на водата и тяхното значение за живота
H 2 O е неразделна част от съществуването на целия живот. Това обяснява неотдавнашния интерес към намирането на вода в други части на Вселената. Всички известни биохимични процеси протичат във водната среда. Повечето живи същества съдържат 70–80% H 2 O по тегло.
Освен това водата играе важна роля в процеса на фотосинтеза. Растенията използват лъчистата енергия на слънцето, за да преобразуват водата и въглеродния диоксид в въглехидрати: 6CO 2 + 6H 2 O + 672 kcal → C 6 H 12 O 6 + 6 2 . Фотосинтезата е най-основната и важна химическа реакция на Земята. Той доставя хранителни вещества, пряко или непряко, на всички живи организми и е основният източник на атмосферен кислород.
Ненормални свойства на водата и техните причини
Способността на елементите да образуват съединения зависи от способността на техните атоми да даряват или приемат електрони. Елементи от първия вид стават положително заредени йони (катиони), а от втория - отрицателно заредени аниони.
Способността на даден елемент да взаимодейства с други елементи за образуване на съединения се нарича валентност. Тя съответства на броя на получените или отдадени електрони. За неорганични съединения алгебричната сума на валентните числа на елементите е нула. Нарича се електростатично привличане на противоположно заредени йони, за да се образува съединение йонна връзка.
Елементите, които образуват вода (водород и кислород), съществуват поотделно в Н2 и О2 молекули, съдържащи по два атома. Те се държат заедно чрез обмен на електронна двойка в химична връзка, наречена ковалентна връзка. Тя е много по-силна от йона. Два атома се държат заедно ковалентна връзка образуват много по-стабилна молекула от съставните й части. В него водородът се комбинира с кислород чрез обикновени електронни двойки. Това уникално разпределение на електроните в полученото химично съединение причинява H-атомите да бъдат позиционирани по отношение на O под ъгъл от 104,5 °.
Анормалните физични свойства на водата се обясняват с неговата структура и химична връзка.
Кислородният атом има относително силен ефект върху общата двойка електрони, в резултат на което водородните атоми стават електропозитивни, а кислородният атом електронегативната област. Тъй като положително и отрицателно заредените области са неравномерно разпределени по отношение на централната точка, водната молекула е полярна.
Такава природа го прави електростатично привлекателен за други молекули H 2 O, както и за йони и контактни повърхности с заредени области. Електропозитивни водородни атоми са привлечени от електроотрицателни кислородни атоми на съседните водни молекули. Това явление се нарича водородна връзка. Неговата сила е само около 10% ковалентна, но е отговорна за повечето аномални физични свойства на водата. Те включват високи температури на замръзване и кипене, топлинен капацитет, специфична топлина на топене и изпаряване, разтворимост и повърхностно напрежение.
Водородната връзка е отговорна за поддържането на целостта на молекулата Н2О по време на химични реакции. Докато други съединения се подлагат на йонизация, самата вода запазва своята химическа цялост. Само относително малък брой молекули се йонизират в водородни и хидроксилни йони. Следователно, H 2 O е относително лош проводник на електрически ток. Специфичното съпротивление на теоретично чистата вода е 18.3 MΩ cm, докато устойчивостта на пиене е със специфично съпротивление по-малко от 10 000 ohm cm. По този начин лесно можете да проверите чистотата на H2O.
Аномалните свойства на водата се обясняват с наличието на водородни връзки, поради което има ниска плътност на леда. Покрай тях по време на замразяване се намират молекули, което води до разширяване на веществото. Поради тази причина ледът плува по повърхността на водата. Повишеното налягане понижава точката на топене. Натискът, създаден от острието на скейт, удавя леда, създавайки слой, който осигурява елегантно плъзгане. Дори при изключително ниски температури, високото налягане намалява кристална решетка. Това е причината, поради която огромните ледени маси, като ледниците, постепенно се движат.
Диполен момент
Полярната природа на водната молекула го кара да се ориентира в електрическо или магнитно поле. Електроотрицателният кислороден атом е подравнен към положителния полюс, а електропозитивните водородни атоми - в отрицателна посока. Водата има изключително голям диполен момент, който е произведение на разстоянието между таксите, умножено по размера на заряда.
Диелектричната константа е друго свойство, свързано с диполния момент. Водните молекули чрез подравняване в електрическо поле са склонни да я неутрализират и създават устойчивост на прехвърляне на електростатичен заряд. Диелектричната константа на дадено вещество се определя от ε в уравнението F = Q1 2 Q2 / ε ∙ r2, където F е силата между две заряди Q, разделена на разстоянието r в средата.
С увеличаването на диелектричната константа силата между зарядите намалява. Високата диелектрична константа намалява привлекателната сила на йони, което обяснява аномалните химични свойства на водата за разтваряне на голямо разнообразие от вещества.
заключение
За хората водата е често срещано вещество, което често се приема за даденост. Въпреки че аномалните свойства на водата са обяснени на атомно ниво, значимостта му е наистина голяма. Очевидно е, че е необходимо за съществуването на живота на Земята. Анормалните свойства на водата, накратко, му позволяват да служи като медиатор на химични и биохимични процеси, да оформя нашата естествена среда и да участва в създаването на климат и време.