Nenormalne lastnosti vode: vzroki, pomen

Ljudje so navajeni na vodo in jo obravnavajo kot navadno snov. Pogosto ga jemljejo za samoumevno, dokler suša ne ogroža poljščin in pitne vode ali pa hude poplave ogrožajo življenje in premoženje. Mnogi se ne zavedajo, da struktura vode in njene anomalne lastnosti zagotavljajo obstoj življenja na Zemlji.

Eden od zgodnjih grških filozofov, Tales iz Mileta (640-546 pr. N. E.), Raziskala univerzalno naravo vode. Menil je, da je to glavni element, iz katerega se rodi vse. Izobilje vode je bilo očitno, vendar je Thales ugotovil, da je to edina snov, ki je naravno prisotna na Zemlji istočasno v treh različnih stanjih: trdna, tekoča in plinasta. V hladnem zimskem dnevu sneg in led prekrivata polja, reka teče v bližini, oblaki pa plavajo nad glavo.

Oblike snovi

Vse snovi obstajajo v treh različnih stanjih, ki so odvisne od temperature in tlaka. Trdne snovi imajo določeno obliko in imajo kristalno notranjo strukturo. S to opredelitvijo se snov, kot je steklo, šteje za visoko viskozno tekočino, ker nima kristalne strukture. Trdne snovi se upirajo zunanjim vplivom. Lahko jih pretvorimo v tekočino s segrevanjem. Točka zmrzovanja vode pri tlaku 1 atmosfere je 0 ° C, pod katero obstaja kot led.

Tekočina, za razliko od trdnega telesa, nima trdnosti in nima določene oblike. Ima prostornino in ima obliko posode, v kateri je shranjen. Zunanji vpliv jo prisili, da teče. Voda je tekočina med temperaturo zmrzovanja in vreliščem (100 ° C). Pri segrevanju nad vreliščem se lahko tekočine prenesejo v plinasto fazo.

Plin nima oblike ali prostornine. Ima obliko in zaseda prostornino posode, v kateri se nahaja. Plin se razširi in se stisne s spremembami temperature in tlaka in se lahko enostavno razprši v druge pline.

Vrelišča in zamrzovalne točke

Nenormalne lastnosti vode so njene nenavadno visoke temperature vrelišča in zmrzali v primerjavi z drugimi spojinami s podobno molekularno strukturo. Druge podobne snovi pri normalnih pogojih so plini. Pričakuje se, da bo voda z nižjo molekulsko maso od podobnih spojin imela nižje temperature vrelišča in zmrzali. Vendar je zaradi polarne narave njegovih molekul in vodikovih vezi njegova vrelišče 100 ° C, zmrzovanje pa 0 ° C. Za primerjavo so ustrezne vrednosti za vodikov sulfid H ₂ S -60 ° C in -84 ° C, za vodikov sulfid H ₂ Se pa je ta indikator -42 ° C in -64 ° C in telurida za -2 ° C in -49 ° C .

Trdna faza

Praviloma s padcem temperature postanejo snovi bolj gosto in voda ni izjema. Njegova gostota pri 25 ° C je 0,997 g / ml in se poveča do največ (1 g / ml) pri T = 4 ° C. V metričnem merilnem sistemu je kilogram opredeljen kot masa 1 litra vode z največjo gostoto. Neverjetna stvar se zgodi med 4 ° C in 0 ° C, kar opazimo pri zelo majhnem številu snovi. Voda se postopoma širi in postaja manj gosta. Gostota ledu pri 0 ° C je približno 0,917 g / ml. Molekule vode tvorijo kristale v obliki tetraedra (štirikotnik, katerega obraz je enakostranični trikotnik). Ker je gostota trdne faze manjša od tekočine, led plava. Ob zamrznitvi se količina vode poveča za 1%.

Zelo pomembno je, da se led razširi in plava na površini. Zaradi tega se v zimskem času razpadejo cevi za vodo in na cestah se pojavijo luknje. Zamrzovanje in taljenje vode sta v veliki meri odgovorna za uničevanje kamnin in tvorbo zemlje. Poleg tega, če se jezera in potoki zamrznejo navzgor, bi vodno življenje na splošno prenehalo obstajati, podnebne in vremenske razmere pa bi se dramatično spremenile.

Toplotna zmogljivost

Druga nenormalna lastnost vode je izjemno visoka sposobnost absorbiranja toplote brez znatnega povišanja temperature. Na primer, poletno sonce na plaži ogreje pesek do te mere, da je nemogoče hoditi po njem. Voda ostaja hladna. Obe snovi absorbirata enako količino toplotne energije, vendar je temperatura peska višja. Prazen železov lonec, ki visi nad ognjem, hitro sveti rdeče, če pa je napolnjen z vodo, se postopoma segreje. Zaradi visoke toplotne zmogljivosti vode je dober hladilnik v kondenzatorjih in avtomobilskih radiatorjih, ki preprečujejo pregrevanje motorjev. Njegova vrednost je 5-krat večja od toplotne zmogljivosti peska in približno 10-krat večja od železa.

Zmerno podnebje na obalnih območjih je posledica absorpcije v dnevu velike količine sončne toplotne energije z vodo in počasnega sproščanja ponoči. Celinska območja, ki so oddaljena od obale, imajo običajno precej višje temperature. Ogromni oceani na Zemlji (okoli 75% površine) so odgovorni za ublažitev podnebja na našem planetu, ki podpira obstoj življenja.

Toplota taljenja in izhlapevanja

Toplota faznega prehoda je povezana s toplotno zmogljivostjo. To je količina toplotne energije, ki jo absorbira ali oddaja snov, ki se spreminja v fazi (od tekočine do trdne snovi ali obratno, od tekočine do plinastega ali obratno) brez spremembe temperature. Nenavadno visoke vrednosti specifične toplote taljenja (332,4 kJ / kg) in izhlapevanja (2256,2 kJ / kg) so naslednje anomalične fizikalne lastnosti vode. Zamrzovanje proizvaja enako količino toplote, ki se absorbira med postopkom taljenja.

Praktičen primer uporabe specifične toplote taljenja vode je uporaba ledu za hlajenje pijač v izoliranem hladilniku. V procesu taljenja ledu absorbira toplotno energijo pijač in jih ohranja hladne. Posoda z vodo v rastlinjaku v hladni zimski noči bo zmehčala temperaturo prostora zaradi toplote, ki se sprošča med zamrzovanjem. Kondenzacija pare sprosti enako količino toplote, ki se absorbira med postopkom izhlapevanja. Specifična toplota izhlapevanja je 5-kratna toplota, potrebna za dvig temperature od 0 do 100 ° C. Nenormalna lastnost vode za shranjevanje velike količine akumulirane toplotne energije omogoča učinkovito ogrevanje s paro. V procesu kondenzacije se para sprošča akumulirana toplotna energija. Dnevna nevihta v vročem poletnem dnevu je še en primer sprostitve toplotne energije v zgornji atmosferi med kondenzacijo vročega in vlažnega zraka. Tudi orkan je primer učinka prerazporeditve ogromnih količin toplotne energije, ki jo absorbirajo tropski oceani.

Izparilni hladilni sistemi delujejo obratno. Voda v procesu izhlapevanja absorbira toplotno energijo iz zraka in jo ohlaja.

Univerzalni topilo

Topilo lahko raztopi drugo snov z nastajanjem homogene zmesi (raztopine) na molekularni ravni. Druga nenormalna lastnost vode v kemiji zaradi njene polarne narave je njena sposobnost, da raztopi druge polarne spojine - soli, alkohole, karboksilne spojine itd. Več snovi se raztopi v vodi kot v katerem koli drugem topilu. V njej je več kot polovica znanih kemičnih elementov, nekateri v visokih koncentracijah, drugi le v sledovih. Na primer, koncentracija nasičenja natrijevega klorida je približno 36 g na 100 ml in kalcijev karbonat - približno 0,0015 g. Sposobnost vode, da raztopi snov, je odvisna od njene kemične sestave, moči kemijskih vezi elementov, temperature in pH.

Nepolarne spojine, vključno z večino ogljikovodikov, se raztopijo v nizkih ali sledovih količinah. Na primer, olja ponavadi plavajo na površini vode.

Površinska napetost

Nenormalne lastnosti vode vključujejo njeno najvišjo (po živo srebro) površinsko napetost v primerjavi s katero koli drugo tekočino. To je sila privlačnosti molekul, ki se nahajajo pod površino, in tistih, ki se nahajajo na vmesniku tekočina-zrak. Voda preprečuje širjenje. Polarne spojine imajo praviloma veliko večjo površinsko napetost kot nepolarne. In voda ni izjema. Pri 20 ° C je ta kazalnik enak 0,07286 N / m (za etanol - 0,0228 N / m).

Brez zunanjega vpliva ima kapljica H ₂ O obliko krogle, saj ta številka ima najmanjšo površino na enoto prostornine. Dežja kapljica so majhne krogle, ki uničujejo skale. Iz istega razloga lahko na njeni površini držimo predmete, ki so težji od vode. Insekti lahko hodijo po njej in plavajo britvice.

Vodikova vez določa nepravilno lastnost vode, da mokre večino površin. Take snovi se štejejo za hidrofilne. Voda se lahko dviga ob stenah stekla in drugih posod. Druge snovi, kot so olja, maščobe, vosek in sintetika (polipropilen itd.), Se ne zmočijo. So hidrofobne. Membranski filtrirni vložki z velikostjo por manj kot 1 mikron so izdelani iz hidrofobnih polimerov s pomočjo vlažilnih sredstev, ki zmanjšujejo površinsko napetost vode, tako da lahko ta prodre in ostane v njih. Ta pojav imenujemo kapilarni učinek. Odgovorna je za premikanje vode v tleh in vzdolž korenin rastlin in krvi skozi krvne žile.

Nenormalne lastnosti vode in njihov pomen za življenje

H ₂ O je sestavni del obstoja vsega življenja. To pojasnjuje nedavno zanimanje za iskanje vode v drugih delih vesolja. Vsi znani biokemijski procesi se pojavljajo v vodnem okolju. Večina živih bitij vsebuje 70–80% H ₂ O po teži.

Poleg tega igra voda pomembno vlogo v procesu fotosinteze. Rastline uporabljajo sevalno energijo sonca za pretvorbo vode in ogljikovega dioksida v ogljikove hidrate: 6CO ₂ + 6H ₂ O + 672 kcal → C ₆ H ₁₂ O ₆ + _{6 2} . Fotosinteza je najbolj osnovna in pomembna kemijska reakcija na Zemlji. Hranila neposredno ali posredno dobavlja vsem živim organizmom in je glavni vir kisika v atmosferi.

Nenormalne lastnosti vode in njihovi vzroki

Sposobnost elementov, da oblikujejo spojine, je odvisna od sposobnosti njihovih atomov, da darujejo ali sprejemajo elektrone. Elementi prvega tipa postanejo pozitivno nabite ioni (kationi), drugi pa negativno nabiti anioni.

Sposobnost elementa za interakcijo z drugimi elementi za tvorbo spojin se imenuje valenca. Ustreza številu prejetih ali oddanih elektronov. Za anorganske spojine je algebraična vsota valentnih števil elementov enaka nič. Imenuje se elektrostatično privlačenje nasprotno nabitih ionov, da se tvori spojina ionske vezi.

Elementi, ki tvorijo vodo (vodik in kisik), obstajajo ločeno v molekulah H ₂ in O ₂ , ki vsebujejo po dva atoma. Skupaj jih drži izmenjava elektronskega para v kemijski vezi, ki se imenuje kovalentna vez. Je veliko močnejši od iona. Dva atoma skupaj kovalentna vez tvorijo veliko stabilnejšo molekulo od njenih sestavnih delov. V njem se vodik združuje s kisikom prek navadnih elektronskih parov. Ta edinstvena porazdelitev elektronov v nastali kemični spojini povzroči, da so atomi H postavljeni glede na O pod kotom 104,5 °.

Nenormalne fizikalne lastnosti vode so razložene z njegovo strukturo in kemično vezjo.

Atom kisika ima relativno močan učinek na skupni par elektronov, tako da atomi vodika postanejo elektropozitivni, atom kisika pa elektronegativna regija. Ker so pozitivno in negativno nabite regije neenakomerno porazdeljene glede na osrednjo točko, je molekula vode polarna.

Zaradi svoje narave postane elektrostatično privlačna za druge H ₂ O molekule, pa tudi za ione in kontaktne površine z napolnjenimi območji. Elektropozitivne atome vodika privlačijo elektronegativni kisikovi atomi sosednjih vodnih molekul. Ta pojav se imenuje vodikova vez. Njegova moč je le okoli 10% kovalentna, vendar je odgovorna za večino anomaličnih fizikalnih lastnosti vode. Med njimi so visoka mesta zamrzovanja in vrelišča, toplotna zmogljivost, specifična toplota taljenja in izhlapevanja, topnost in površinska napetost.

Vodna vez je odgovorna za vzdrževanje celovitosti molekule H ₂ O med kemijskimi reakcijami. Medtem ko so druge spojine podvržene ionizaciji, voda sama ohranja svojo kemijsko celovitost. Le relativno majhno število molekul se ionizira v vodikove in hidroksilne ione. H ₂ O je torej relativno slab prevodnik električnega toka. Specifična odpornost teoretično čiste vode je 18,3 MΩ cm, medtem ko je odpornost na pitje specifična upornost manjša od 10.000 ohm cm. Na ta način lahko enostavno preverite čistost H ₂ O.

Anomalne lastnosti vode so pojasnjene s prisotnostjo vodikovih vezi, zaradi katerih je ledena gostota nizka. Med njimi se med zamrzovanjem nahajajo molekule, kar vodi do širjenja snovi. Zato led plava na površini vode. Povišan tlak znižuje tališče. Pritisk, ki ga ustvari rezilo drsalke, utopi led, kar ustvarja sloj, ki zagotavlja elegantno drsenje. Tudi pri zelo nizkih temperaturah se tlak zniža kristalne rešetke. To je razlog, zakaj se ogromne ledene mase, kot so ledeniki, postopoma premikajo.

Dipolni moment

Zaradi polarne narave vodne molekule se orientira v električnem ali magnetnem polju. Elektronegativni atom kisika je poravnan s pozitivnim polom, elektropozitivni atomi vodika pa v negativni smeri. Voda ima izjemno velik dipolni moment, ki je produkt razdalje med naboji, pomnožene z zneskom naboja.

Dielektrična konstanta je drugo lastnost, povezano z dipolnim momentom. Molekule vode s poravnavo v električnem polju skušajo nevtralizirati in ustvariti odpornost na prenos elektrostatičnega naboja. Dielektrično konstanto snovi določimo z ε v enačbi F = Q1 2 Q2 / ε ∙ r ² , kjer je F sila med dvema polnitvama Q, deljeno z razdaljo r v mediju.

Ko se dielektrična konstanta poveča, se sila med naboji zmanjša. Visoka dielektrična konstanta zmanjšuje privlačne sile ionov, kar pojasnjuje anomalne kemijske lastnosti vode za raztapljanje različnih snovi.

Zaključek

Za ljudi je voda pogosta snov, ki jo pogosto jemljemo za samoumevno. Kljub temu, da so anomalne lastnosti vode pojasnjene na atomski ravni, je njegov pomen resnično velik. Očitno je to potrebno za obstoj življenja na Zemlji. Nenormalne lastnosti vode, na kratko, omogočajo, da služi kot posrednik kemičnih in biokemičnih procesov, da oblikuje naše naravno okolje in sodeluje pri ustvarjanju podnebja in vremena.