Ph.D. O.V. Mosin

MOLEKULÁRNA FYZIKA VODY V JEJ TROCH STAVOCH SÚHRNNOSTI

Voda, oxid vodíka, H 2 0, najjednoduchšia chemická zlúčenina vodíka a kyslíka, ktorá je za normálnych podmienok stabilná (11,19 % hmotnostných vodíka a 88,81 % hmotnostných kyslíka). Voda je bezfarebná kvapalina bez zápachu a chuti (v hrubých vrstvách má modrastú farbu), ktorá zohráva zásadnú úlohu v geologickej histórii Zeme a vzniku života, pri formovaní fyzikálneho a chemického prostredia, klímy a počasie na našej planéte. Voda je nevyhnutnou zložkou takmer všetkých technologických procesov – poľnohospodárskej aj priemyselnej výroby.

Voda je súčasťou všetkých živých organizmov a vo všeobecnosti obsahujú len polovicu vody ako všetky rieky na Zemi. V živých organizmoch sa množstvo vody, okrem semien a spór, pohybuje medzi 60 a 99,7 % hmotnosti. Podľa francúzskeho biológa E. Duboisa-Reymonda je živým organizmom l "eau animée (živá voda). Všetky vody Zeme neustále interagujú navzájom, ako aj s atmosférou, litosférou a biosférou.

Na zemeguli je asi 16 miliárd km3 vody, čo je 0,25 % hmotnosti celej našej planéty. Z tohto množstva pripadá na hydrosféru Zeme (oceány, moria, jazerá, rieky, ľadovce a podzemné vody) 1,386 miliardy km3. Sladká povrchová voda (jazerá a rieky) je len 0,2 milióna km3 a vodná para v atmosfére je 13 tisíc km3.

Celková hmotnosť snehu a ľadu rozložená po povrchu Zeme dosahuje približne 2,5-3,0 x 1016 ton, čo je len 0,0004 % hmotnosti celej našej planéty. Takéto množstvo však stačí na to, aby pokrylo celý povrch Zeme 53-metrovou vrstvou, a ak by sa všetka táto hmota náhle roztopila a zmenila na vodu, potom by hladina svetového oceánu stúpla asi o 64 metrov v porovnaní so súčasnou úrovňou.

Vody Zeme do nej prenikajú, začínajúc od najvyšších výšok stratosféry až po obrovské hĺbky zemskej kôry, dosahujúc plášť a vytvárajú súvislý obal planéty - hydrosféru, ktorá zahŕňa všetku vodu v kvapaline, pevné, plynné, chemicky a biologicky viazané skupenstvo.

Hydrosféra - vodná škrupina Zeme, vrátane oceánov, morí, jazier, nádrží, riek, podzemných vôd, pôdnej vlhkosti je asi 1,4-1,5 miliardy km 3, pričom voda na pevnine predstavuje len asi 90 miliónov km 3 . Z toho podzemná voda tvorí 60, ľadovce 29, jazerá 0,75, pôdna vlhkosť 0,075, rieky 0,0012 milióna km 3.

Hydrosféra hrala a hrá zásadnú úlohu v geologickej histórii Zeme, pri formovaní fyzikálneho a chemického prostredia, klímy a počasia a pri vzniku života na našej planéte. Vyvíjal sa spoločne a v úzkej interakcii s litosférou, atmosférou a potom živou prírodou.

V atmosfére voda je vo forme pary, hmly a oblakov, dažďových kvapiek a snehových kryštálov (spolu asi 13-15 tisíc km 3 ). Asi 10 % povrchu súše trvalo zaberajú ľadovce. Na severe a severovýchode ZSSR, na Aljaške a severe Kanady - s celkovou rozlohou asi 16 miliónov km 2 je vždy zachovaná podložná vrstva ľadu (len asi 0,5 milióna km 3).

V zemskej kôre – litosfére obsahuje podľa rôznych odhadov od 1 do 1,3 miliardy km3 vody, čo sa blíži jej obsahu v hydrosfére. V zemskej kôre je značné množstvo vody vo viazanom stave, pričom je súčasťou niektorých minerálov a hornín (sadrovec, hydratované formy oxidu kremičitého, hydrosilikáty atď.). Obrovské množstvo vody (13-15 miliárd km 3) sa sústreďuje v hlbších hĺbkach zemského plášťa. Uvoľňovanie vody uvoľnenej z plášťa počas zahrievania Zeme v počiatočných štádiách jej formovania dalo podľa moderných názorov vznik hydrosfére. Ročná zásoba vody z plášťa a magmatických komôr je asi 1 km 3.

Existujú dôkazy, že voda, aspoň čiastočne, má „kozmický“ pôvod: protóny, ktoré prišli do hornej atmosféry zo Slnka, zachytávajúc elektróny, sa menia na atómy vodíka, ktoré v kombinácii s atómami kyslíka poskytujú H2O.

Voda sa v prírodných podmienkach nachádza v troch skupenstvách: tuhá – vo forme ľadu a snehu, kvapalná – vo forme samotnej vody, plynná – vo forme vodnej pary. Tieto stavy vody sa nazývajú agregované stavy alebo pevné, kvapalné a parné fázy. Prechod vody z jednej fázy do druhej je spôsobený zmenami jej teploty a tlaku. Na obr. Na obrázku 1 je znázornený diagram stavov agregácie vody v závislosti od teploty t a tlaku P. Z obr. je zrejmé, že v oblasti I sa voda nachádza iba v pevnej forme, v oblasti II - iba v kvapalnej forme, v oblasti III - iba vo forme vodnej pary. Pozdĺž AC krivky je v stave rovnováhy medzi tuhou a kvapalnou fázou (topenie ľadu a kryštalizácia vody); pozdĺž AB krivky - v stave rovnováhy medzi kvapalnou a plynnou fázou (odparovanie vody a kondenzácia pary); pozdĺž krivky AD - v rovnováhe medzi pevnou a plynnou fázou (sublimácia vodnej pary a sublimácia ľadu).

Ryža. 1. Diagram súhrnných stavov vody v oblasti trojného bodu A. I - ľad. II - voda. III - vodná para.

Rovnováhu fáz podľa obr. 1 pozdĺž kriviek AB, AC a AD treba chápať ako dynamickú rovnováhu, to znamená, že pozdĺž týchto kriviek sa počet novovzniknutých molekúl jednej fázy presne rovná počtu novovzniknutých molekúl iná fáza. Ak napríklad postupne ochladzujeme vodu pri akomkoľvek tlaku, tak sa v limite ocitneme na AC krivke, kde bude pozorovaná voda pri zodpovedajúcej teplote a tlaku. Ak postupne ohrievame ľad pri rôznych tlakoch, ocitneme sa na tej istej AC rovnovážnej krivke, ale na strane ľadu. Podobne budeme mať vodu a vodnú paru, podľa toho, na ktorú stranu sa priblížime ku krivke AB.

Všetky tri krivky stavu agregácie - AC (krivka závislosti teploty topenia ľadu na tlaku), AB (krivka závislosti teploty varu vody na tlaku), AD (krivka závislosti pary tlak tuhej fázy na teplotu) - pretínajú sa v jednom bode A, nazývanom trojný bod . Podľa moderného výskumu sú hodnoty tlaku nasýtených pár a teploty v tomto bode rovnaké: P = 610,6 Pa (alebo 6,1 hPa = 4,58 mm Hg), t = 0,01 ° C (alebo T = 273,16 K). Okrem trojitého bodu prechádza krivka AB ešte dvoma charakteristickými bodmi - bodom zodpovedajúcim varu vody pri normálnom tlaku vzduchu so súradnicami P = 1,013 10 5 Pa a t = 100°C a bodom so súradnicami P. = 2,211 10 7 Pa a t cr = 374,2 °C, čo zodpovedá kritickej teplote - teplote, pod ktorou sa vodná para môže stlačením premeniť na kvapalné skupenstvo.

Krivky AC, AB, AD súvisiace s procesmi prechodu látky z jednej fázy do druhej popisuje Clapeyron-Clausiusova rovnica:

kde T je absolútna teplota zodpovedajúca pre každú krivku, v tomto poradí, teplote vyparovania, topenia, sublimácie atď.; L - špecifické teplo vyparovania, topenia, sublimácie; V 2 – V 1 - rozdiel v špecifických objemoch pri prechode z vody na ľad, z vodnej pary do vody, z vodnej pary do ľadu.

Priama skúsenosť ukazuje, že prírodná pevnina sa pri normálnom atmosférickom tlaku podchladzuje (krivka AF) na určité záporné teploty bez kryštalizácie. Voda má teda vlastnosť podchladenia, t.j. merať teploty pod bodom topenia ľadu. Podchladený stav vody je metastabilný (nestabilný) stav, v ktorom prechod kvapalnej fázy na tuhú fázu, ktorý začal v ktoromkoľvek bode, pokračuje nepretržite, až kým sa neodstráni podchladenie alebo kým sa všetka kvapalina nepremení na pevnú látku. Schopnosť vody dosiahnuť teploty pod bodom topenia ľadu prvýkrát objavil Fahrenheit už v roku 1724.

Ľadové kryštály sa teda môžu tvoriť iba v podchladenej vode. Prechod podchladenej vody do pevného skupenstva – ľadu, nastáva len vtedy, ak sa v nej nachádzajú centrá (jadrá) kryštalizácie, ktorými môžu byť suspendované častice sedimentu vo vode, ľadové alebo snehové kryštály vstupujúce do vody z atmosféry, vytvorené ľadové kryštály v podchladenej vode v dôsledku jej turbulentného translačného pohybu častice iných látok prítomných vo vodnom stĺpci.

Ryža. 2. Fázový diagram vody. Ih, II - IX - formy ľadu; 1 - 8 - trojité body.

Podchladenie vody je termodynamický stav, v ktorom je teplota vody nižšia ako jej kryštalizačná teplota. Tento stav nastáva v dôsledku zníženia teploty vody alebo zvýšenia jej kryštalizačnej teploty. Teplota vody sa dá znížiť odoberaním tepla, ktoré sa najčastejšie vyskytuje v prírode, alebo zmiešaním so slanou vodou, napríklad morskou. Teplota kryštalizácie sa môže zvýšiť znížením tlaku.

V laboratórnych podmienkach, pri vysokom tlaku a intenzívnom chladení, môže byť destilovaná voda podchladená na teplotu rádovo -30 a klesne na -50 °C. Rýchlosť jeho kryštalizácie závisí aj od hĺbky podchladenia vody.

Diagram stavov agregácie vody je teda plná čiara AD na obr. 1 - by sa malo považovať za súvisiace s veľmi nízkym tepelným zaťažením, keď je vplyv času na fázovú transformáciu malý. Pri vysokých tepelných zaťaženiach bude proces fázových premien prebiehať podľa prerušovanej krivky AF.

Teplota topenia ľadu (krivka AC) veľmi málo závisí od tlaku. Krivka AC je takmer rovnobežná s horizontálnou osou: keď sa tlak zmení z 610,6 na 1,013·10 5 Pa, teplota topenia sa zníži iba z 0,01 na 0 °C. Táto teplota však klesá so zvyšujúcim sa tlakom len do určitej hodnoty, potom sa zvyšuje a pri veľmi vysokom tlaku dosahuje hodnotu rádovo 450°C (obr. 1.2). Ako vyplýva z obr. 1.2, pri vysokom tlaku môže byť ľad aj pri kladnej teplote. Existuje až desať rôznych foriem ľadu. Forma ľadu Ih, ktorá sa vyznačuje znižovaním teploty topenia so zvyšujúcim sa tlakom, zodpovedá bežnému ľadu, ktorý vzniká v dôsledku zamrznutia vody za normálnych podmienok. Súradnice trojitých bodov rôznych foriem ľadu, označené na obr. 1.2 arabskými číslicami 1-8, sú uvedené v tabuľke. 1.1. Štruktúra a fyzikálne vlastnosti všetkých foriem ľadu sa výrazne líšia od ľadu Ih.

Pevná látka (ľad) sa podobne ako kvapalina vyparuje v širokom rozsahu teplôt a priamo sa premieňa na plynné skupenstvo (sublimácia), pričom obchádza kvapalnú fázu - AD krivku. Uskutočňuje sa reverzný proces, t. j. prechod plynnej formy priamo na tuhú formu (sublimácia), pričom sa tiež obchádza kvapalná fáza. Sublimácia a sublimácia ľadu a snehu zohrávajú v prírode veľkú úlohu.

Štruktúra molekuly vody

Voda je komplexná látka, ktorej hlavnou štruktúrnou jednotkou je molekula H 2 O, pozostávajúca z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. Za celé obdobie jej štúdia bolo navrhnutých niekoľko desiatok schém možného vzájomného usporiadania atómov H a O v molekule H 2 O; V súčasnosti všeobecne akceptovaná schéma je znázornená na obr. 3.

Ryža. 3. Schéma štruktúry molekuly vody: molekulová geometria a elektrónové dráhy

Celková kinetická energia triatómovej molekuly, ako je H20, môže byť opísaná nasledujúcim výrazom:

kde a sú rýchlosti translačného a rotačného pohybu molekuly; I x, I y, Iz - momenty zotrvačnosti molekuly vzhľadom na príslušné osi rotácie; m je hmotnosť molekuly.

Z tejto rovnice je zrejmé, že celková energia trojatómovej molekuly, ako je H 2 O, pozostáva zo šiestich častí zodpovedajúcich šiestim stupňom voľnosti: tri translačné a tri rotačné.

Z kurzu fyziky je známe, že každý z týchto stupňov voľnosti v tepelnej rovnováhe predstavuje rovnaké množstvo energie rovnajúcej sa 1/2 kT, kde k=R m /N A = 1,3807·10 -23 J/K je Boltzmannova konštanta ; T-absolútna teplota; NA = 6,0220·1023 mol -1 - Avogadroovo číslo; kN A =R m = 8,3144 J/(mol K) - univerzálna plynová konštanta. Potom sa celková kinetická energia takejto molekuly rovná:

Celková kinetická energia molekúl obsiahnutých v gram molekule akéhokoľvek plynu (pary) bude:

Celková kinetická energia W súvisí so špecifickou tepelnou kapacitou cv pri konštantnom objeme podľa vzorca:

Výpočet mernej tepelnej kapacity vody pomocou tohto vzorca pre vodnú paru dáva hodnotu 25 J/(mol K). Podľa experimentálnych údajov pre vodnú paru cv = 27,8 J/(mol K), t.j. blízko k vypočítanej hodnote.

Štúdium molekuly vody pomocou spektrografických štúdií umožnilo zistiť, že má štruktúru druhu rovnoramenného trojuholníka: na vrchole tohto trojuholníka je atóm kyslíka a na jeho základni sú dva atómy vodíka. Vrcholový uhol je 104°27 a dĺžka strany je 0,096 nm. Tieto parametre sa vzťahujú na hypotetický rovnovážny stav molekuly bez jej vibrácií a rotácií.

Relatívna molekulová hmotnosť H 2 O závisí od relatívnej atómovej hmotnosti jej zložiek a má rôzne hodnoty, pretože kyslík a vodík majú izotopy.

Kyslík má šesť izotopov: 14 O, 15 O, 16 O, 17 O, 18 O, 19 O, z ktorých iba tri sú stabilné a vodík má tri: 1 H (protium), 2 H (deutérium), 3 H ( trícium). Niektoré z izotopov sú rádioaktívne, majú krátky polčas rozpadu a vo vode sa vyskytujú v malom množstve, iné sa získavajú len umelo a v prírode sa nenachádzajú.

S prihliadnutím na izotopy kyslíka a vodíka je teda možné z nich poskladať niekoľko typov molekuly H2O s rôznymi relatívnymi molekulovými hmotnosťami. Z nich sú najbežnejšie molekuly 1 H 2 16 O s relatívnou molekulovou hmotnosťou 18 (obyčajná voda) a 2 molekuly H 2 16 O s relatívnou molekulovou hmotnosťou 20. Posledne menované molekuly tvoria takzvanú ťažkú ​​vodu. Ťažká voda sa svojimi fyzikálnymi vlastnosťami výrazne líši od bežnej vody.

Molekulárna kinetická teória hmoty a vody

Štruktúru vody v jej troch stavoch agregácie ešte nemožno považovať za definitívne stanovenú. Existuje množstvo hypotéz vysvetľujúcich štruktúru pary, vody a ľadu.

Tieto hypotézy sú vo väčšej či menšej miere založené na molekulárnej kinetickej teórii štruktúry hmoty, ktorej základy položil M.V. Lomonosov. Molekulárna kinetická teória je zasa založená na princípoch klasickej mechaniky, v ktorej sú molekuly (atómy) považované za gule pravidelného tvaru, elektricky neutrálne, ideálne elastické. Takéto molekuly podliehajú iba mechanickým zrážkam a nepodliehajú žiadnym silám elektrickej interakcie. Z týchto dôvodov môže použitie molekulárnej kinetickej teórie vysvetliť štruktúru hmoty len na prvú aproximáciu.

Plyn - v našom prípade vodná para - je podľa molekulárnej kinetickej teórie súborom molekúl. Vzdialenosť medzi nimi je mnohonásobne väčšia ako veľkosť samotných molekúl. Molekuly plynu sú v nepretržitom náhodnom pohybe, prechádzajú dráhou medzi stenami nádob, v ktorých je plyn obsiahnutý, a na tejto dráhe sa navzájom zrážajú. Zrážky medzi molekulami prebiehajú bez straty mechanickej energie; sú považované za zrážky dokonale elastických loptičiek. Nárazy molekúl na steny nádoby, ktoré ich obmedzujú, určujú tlak plynu na tieto steny. Rýchlosť pohybu molekúl sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a klesá s jej poklesom.

Keď sa teplota plynu, klesajúca z vyšších hodnôt, blíži k bodu varu kvapaliny (pre vodu 100 ° C pri normálnom tlaku), rýchlosť molekúl klesá a pri zrážke sú príťažlivé sily medzi nimi väčšie ako elastické odpudzovanie. sily pri náraze a preto plyn kondenzuje na kvapalinu .

Pri umelom skvapalňovaní plynu musí byť jeho teplota pod takzvanou kritickou teplotou, ktorá tiež zodpovedá kritickému tlaku (odsek 1.1). Pri teplotách nad kritickou hodnotou sa plyn (para) nemôže premeniť na kvapalinu žiadnym tlakom.

Hodnota RT cr / (P cr V cr) pre všetky plyny vrátane vodnej pary by sa mala rovnať 8/3 = 2,667 (tu R je plynová konštanta; T cr, Pcr, Vcr sú kritické teploty, tlak, objem). Pre vodnú paru je to však 4,46. Vysvetľuje to skutočnosť, že para obsahuje nielen jednotlivé molekuly, ale aj ich asociácie.

Kvapalina, na rozdiel od plynu, je súbor molekúl umiestnených tak blízko seba, že medzi nimi vznikajú sily vzájomnej príťažlivosti. Preto sa molekuly kvapaliny nerozletujú v rôznych smeroch, ako molekuly plynu, ale len oscilujú okolo svojej rovnovážnej polohy. Zároveň, keďže štruktúra kvapaliny nie je úplne hustá, sú v nej voľné miesta - „diery“, v dôsledku čoho sa podľa teórie Ya.I. Frenkela niektoré molekuly s väčšou energiou zlomia zo svojho „usadeného“ miesta a náhle sa presunú do susednej „diery“ umiestnenej vo vzdialenosti približne rovnej veľkosti samotnej molekuly. Molekuly sa teda v kvapaline pohybujú z miesta na miesto pomerne zriedka a väčšinou sú v „usadnutom“ stave, pričom len podstupujú oscilačné pohyby. To vysvetľuje najmä slabú difúziu v kvapalinách v porovnaní s vysokou rýchlosťou v plynoch. Pri zahrievaní kvapaliny sa zvyšuje energia jej molekúl a zvyšuje sa rýchlosť ich vibrácií. Voda sa pri teplote 100°C a normálnom atmosférickom tlaku rozkladá na jednotlivé molekuly H2O, ktorých rýchlosť je už schopná prekonať vzájomnú príťažlivosť molekúl a voda sa mení na paru.

Pri ochladzovaní kvapaliny (vody) nastáva opačný proces. Rýchlosť vibračného pohybu molekúl klesá, štruktúra kvapaliny sa stáva pevnejšou a kvapalina prechádza do kryštalického (tuhého) skupenstva - ľadu. Existujú dva typy pevných látok: kryštalické a amorfné. Hlavným znakom kryštalických telies je anizotropia ich vlastností v rôznych smeroch: tepelná rozťažnosť, pevnosť, optické a elektrické vlastnosti atď. Amorfné telesá sú izotropné, to znamená, že majú rovnaké vlastnosti vo všetkých smeroch. Ľad je kryštalická pevná látka.

V pevnej látke, na rozdiel od plynov a kvapalín, každý atóm alebo molekula vibruje len okolo svojej rovnovážnej polohy, ale nepohybuje sa. V pevnej látke nie sú žiadne „diery“, do ktorých by mohli prechádzať jednotlivé molekuly. Preto nedochádza k difúzii v pevných látkach. Atómy, ktoré tvoria molekuly, tvoria silnú kryštálovú mriežku, ktorej nemennosť je spôsobená molekulárnymi silami. Keď sa teplota pevnej látky priblíži k jej bodu topenia, jej kryštálová mriežka sa zničí a prejde do kvapalného stavu. Na rozdiel od kryštalizácie kvapalín prebieha topenie tuhých látok pomerne pomaly, bez výrazného skoku.

Ku kryštalizácii väčšiny kvapalín dochádza pri zmenšovaní objemu a tavenie tuhých látok je sprevádzané zväčšením objemu. Výnimkou sú voda, antimón, parafín a niektoré ďalšie látky, ktorých tuhá fáza je menej hustá ako kvapalná.

Štruktúra vody v jej troch stavoch agregácie

Problém hodnotenia štruktúry vody stále zostáva jedným z najťažších. Pozrime sa stručne na dve zovšeobecnené hypotézy o štruktúre vody, ktoré získali najväčšie uznanie, jednu v počiatočnom období rozvoja doktríny o štruktúre vody, druhú v súčasnosti.

Podľa hypotézy, ktorú navrhol Whiting (1883) a ktorá má v súčasnosti rôzne interpretácie, je hlavnou stavebnou jednotkou vodnej pary molekula H 2 O, nazývaná hydrol alebo monohydrol. Základnou stavebnou jednotkou vody je dvojitá molekula vody (H 2 O) 2 -dihydrol; ľad pozostáva z trojitých molekúl (H 2 O) 3 - trihydrol. Z týchto myšlienok vychádza takzvaná hydrolová teória štruktúry vody.

Vodná para podľa tejto teórie pozostáva zo súboru najjednoduchších monohydrolových molekúl a ich asociácií, ako aj z malého množstva dihydrolových molekúl.

Kvapalná voda je zmes molekúl monohydrolu, dihydrolu a trihydrolu. Pomer počtu týchto molekúl vo vode je rôzny a závisí od teploty. Podľa tejto hypotézy pomer počtu molekúl vody vysvetľuje jednu z jej hlavných anomálií – najvyššiu hustotu vody pri 4°C.

Keďže molekula vody je asymetrická, ťažiská jej kladných a záporných nábojov sa nezhodujú. Molekuly majú dva póly – kladný a záporný, vytvárajúce, podobne ako magnet, molekulárne silové polia. Takéto molekuly sa nazývajú polárne alebo dipóly a kvantitatívna charakteristika polarity je určená elektrickým momentom dipólu, vyjadreným súčinom vzdialenosti l medzi elektrickými ťažiskami kladného a záporného náboja molekuly. náboj e v absolútnych elektrostatických jednotkách:

Pre vodu je dipólový moment veľmi vysoký: p = 6,13·10 -29 C m. Polarita molekúl monohydrolu vysvetľuje vznik dihydrolu a trihydrolu. Zároveň, keďže sa vnútorná rýchlosť molekúl zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, môže to vysvetliť postupný rozklad trihydrolu na dihydrol a potom na monohydrol, keď sa topí ľad, voda sa zahrieva a vrie.

Ďalšia hypotéza o štruktúre vody, vyvinutá v 20. storočí (modely O.Ya. Samoilova, J. Poplea, G.N. Zatsepina atď.), je založená na myšlienke, že ľad, voda a vodná para pozostávajú z H 2 O molekuly spojené do skupín pomocou takzvaných vodíkových väzieb (J. Bernal a R. Fowler, 1933). Tieto väzby vznikajú interakciou atómov vodíka jednej molekuly s atómom kyslíka susednej molekuly (s vysoko elektronegatívnym prvkom). Táto vlastnosť výmeny vodíka v molekule vody je spôsobená skutočnosťou, že keď sa vzdá svojho jediného elektrónu, aby vytvoril kovalentnú väzbu s kyslíkom, zostáva vo forme jadra, takmer bez elektrónového obalu. Preto atóm vodíka nepociťuje odpudzovanie elektrónového obalu kyslíka susednej molekuly vody, ale naopak, je ním priťahovaný a môže s ním interagovať. Podľa tejto hypotézy možno predpokladať, že sily tvoriace vodíkovú väzbu sú čisto elektrostatické. Podľa molekulárnej orbitálnej metódy je však vodíková väzba tvorená disperznými silami, kovalentnou väzbou a elektrostatickou interakciou.

Tabuľka 1 ukazuje molekulárne zloženie vody, ľadu a vodnej pary podľa rôznych literárnych zdrojov.

Tabuľka 1.1
Molekulové zloženie ľadu, vody a vodnej pary, %

V dôsledku interakcie atómov vodíka jednej molekuly vody s negatívnymi nábojmi kyslíka inej molekuly sa tak pre každú molekulu vody vytvoria štyri vodíkové väzby. V tomto prípade sa molekuly spravidla kombinujú do skupín - spolupracovníkov: každá molekula je obklopená štyrmi ďalšími (obr. 4). Takéto husté balenie molekúl je charakteristické pre vodu v zmrazenom stave (ľad Ih) a vedie k otvorenej kryštálovej štruktúre patriacej k hexagonálnej symetrii. Vďaka tejto štruktúre sa medzi pevnými molekulami vytvárajú „dutiny - kanály“, takže hustota ľadu je menšia ako hustota vody.

Zvyšovanie teploty ľadu, kým sa neroztopí a vyššie, vedie k rozbitiu vodíkových väzieb. V kvapalnom stave vody stačia na zničenie týchto väzieb aj bežné tepelné pohyby molekúl.

Ryža. 4. Schéma interakcie molekúl vody. 1 - kyslík, 2 - vodík, 3 - chemická väzba, 4 - vodíková väzba.

Pri zvýšení teploty vody na 4°C sa do určitej miery zachová usporiadanie usporiadania molekúl podľa kryštalického typu s charakteristickou štruktúrou pre ľad. Vyššie uvedené dutiny v tejto štruktúre sú vyplnené uvoľnenými molekulami vody. V dôsledku toho sa hustota kvapaliny zvýši na maximum pri teplote 3,98 °C. Ďalšie zvýšenie teploty vedie k narušeniu a rozpadu vodíkových väzieb a následne k deštrukcii skupín molekúl až po jednotlivé molekuly, čo je typické pre paru.

Aké sú teda záhadné, nezvyčajné vlastnosti známej tekutej vody? Po prvé, faktom je, že takmer všetky vlastnosti vody sú anomálne a mnohé z nich sa neriadia logikou tých fyzikálnych zákonov, ktorými sa riadia iné látky.

Keď molekuly vody kondenzujú, vytvárajú tekutú látku úžasnej zložitosti. Je to spôsobené predovšetkým tým, že molekuly vody majú jedinečnú vlastnosť spájať sa do zhlukov (skupín) (H 2 O)x. Klaster sa zvyčajne chápe ako skupina atómov alebo molekúl zjednotených fyzikálnou interakciou do jedného celku, pričom si v ňom zachovávajú individuálne správanie. Možnosti priameho pozorovania zhlukov sú obmedzené, a preto experimentátori kompenzujú hardvérové ​​nedostatky intuíciou a teoretickými konštrukciami.

Pri izbovej teplote je stupeň asociácie X pre vodu podľa moderných údajov od 3 do 6. To znamená, že vzorec vody nie je len H 2 O, ale priemer medzi H 6 O 3 a H 12 O 6 . Inými slovami, voda je komplexná kvapalina „zložená“ z opakujúcich sa skupín obsahujúcich tri až šesť jednotlivých molekúl. Výsledkom je, že voda má abnormálne hodnoty bodu tuhnutia a varu v porovnaní s jej homológmi. Ak voda dodržiavala všeobecné pravidlá, mala by zamrznúť pri teplote asi -100 o C a vrieť pri teplote asi +10 o C.

Ak by voda pri vyparovaní zostala vo forme H 6 O 3, H 8 O 4 alebo H 12 O 6, potom by vodná para bola oveľa ťažšia ako vzduch, v ktorom dominujú molekuly dusíka a kyslíka. V tomto prípade by bol povrch celej Zeme pokrytý večnou vrstvou hmly. Je takmer nemožné predstaviť si život na takejto planéte.

Ľudia majú veľké šťastie: zhluky vody sa pri vyparovaní rozpadajú a voda sa mení prakticky na jednoduchý plyn s chemickým vzorcom H 2 O (nezáleží na tom, aké malé množstvo dimérov H 4 O 2 bolo nedávno objavené v pare). Hustota plynnej vody je menšia ako hustota vzduchu, a preto je voda schopná svojimi molekulami nasýtiť zemskú atmosféru, vytváranie príjemných poveternostných podmienok pre ľudí.

Na Zemi neexistujú žiadne iné látky, ktoré by pri teplotách ľudskej existencie boli obdarené schopnosťou byť kvapalinou a zároveň vytvárať plyn, ktorý je nielen ľahší ako vzduch, ale je tiež schopný vrátiť sa na jej povrch vo forme zrážok.

Ph.D. O.V. Mosin

Úvod

1. Štruktúra molekúl vody

2. Štruktúra vody v jej troch stavoch agregácie

3. Druhy vody

4. Anomálne vlastnosti vody

5. Fázové premeny a stavový diagram vody

6. Modely štruktúry vody a ľadu

7. Agregátne druhy ľadu

Záver

Bibliografia

Úvod

Voda je najdôležitejšou látkou na Zemi, bez ktorej nemôže existovať žiadny živý organizmus a nemôžu prebiehať biologické, chemické reakcie ani technologické procesy.

Voda (oxid vodíka) je kvapalina bez zápachu, chuti a farby (v hrubých vrstvách modrastá); H20, mol. m. 18,016, najjednoduchšie stabilné pripojenie. vodík s kyslíkom.

Voda je jednou z najbežnejších látok v prírode. Pokrýva asi 3/4 celého zemského povrchu, tvorí základ oceánov, morí, jazier, riek, librových vôd a močiarov. Veľké množstvo vody sa nachádza aj v atmosfére. Rastliny a živé organizmy obsahujú 50-96% vody.

Molekuly vody boli objavené v medzihviezdnom priestore. Voda je súčasťou komét, väčšiny planét slnečnej sústavy a ich satelitov. Množstvo vody na povrchu Zeme sa odhaduje na 1,39 * 10 18 ton, väčšina z nej je obsiahnutá v moriach a oceánoch. Množstvo sladkej vody, ktorá je k dispozícii na použitie v riekach, jazerách, močiaroch a nádržiach, je 2 x 10 4 ton Hmotnosť ľadovcov v Antarktíde, Antarktíde a vysokohorských oblastiach je 2,4 x 10 16 ton (celková hmotnosť rozloženého snehu a ľadu). nad povrchom Zeme dosahuje približne 2,5-3,010 16 ton, čo je len 0,0004 % hmotnosti celej našej planéty Toto množstvo však stačí na pokrytie celého povrchu Zeme 53-metrovou vrstvou a ak všetka táto hmota sa náhle roztopila, po premene na vodu by hladina svetového oceánu stúpla asi o 64 metrov v porovnaní so súčasnou.), podzemnej vody je približne rovnaké množstvo a len malá časť je čerstvá . V atmosfére je cca. 1,3*10 13 ton vody. Voda je súčasťou mnohých minerálov a hornín (íl, sadra atď.), nachádza sa v pôde a je nevyhnutnou zložkou všetkých živých organizmov.

Hustota H20 = 1 g/cm3 (pri 3,98 stupňoch), t pl. = 0 stupňov a t kip = 100 stupňov. Tepelná kapacita vody je 4,18 J/(g/K) Mr (H 2 O) = 18 a zodpovedá jej najjednoduchšiemu vzorcu. Molekulová hmotnosť kvapalnej vody, určená štúdiom jej roztokov v iných rozpúšťadlách, sa však ukazuje ako vyššia. To naznačuje, že v kvapalnej vode dochádza k asociácii molekúl, t.j. sú spojené do zložitejších agregátov. Voda je jedinou látkou v prírode, ktorá za pozemských podmienok existuje vo všetkých troch stavoch agregácie: Veľa vody je v atmosfére v plynnom stave vo forme pary; leží v podobe obrovských más snehu a ľadu po celý rok na vrcholkoch vysokých hôr a v polárnych krajinách. V útrobách zeme je tiež voda, ktorá nasýti pôdu a horniny

Klíma závisí od vody. Geofyzici tvrdia, že Zem by už dávno vychladla a zmenila by sa na kus kameňa bez života, keby nebolo vody. Má veľmi vysokú tepelnú kapacitu. Pri zahrievaní absorbuje teplo; vychladnutie, rozdáva. Zemská voda absorbuje a vracia veľa tepla a tým „vyrovnáva“ klímu. A to, čo chráni Zem pred kozmickým chladom, sú tie molekuly vody, ktoré sú rozptýlené v atmosfére – v oblakoch a vo forme pár... Bez vody sa nezaobídete – tá je najdôležitejšou látkou na Zemi.

Voda je známa a nezvyčajná látka. Slávny sovietsky vedec

Akademik I. V. Petryanov nazval svoju populárnu vedeckú knihu o vode „najmimoriadnejšou látkou na svete“. A „Zábavná fyziológia“, ktorú napísal doktor biologických vied B. F. Sergejev, začína kapitolou o vode – „Látka, ktorá vytvorila našu planétu“.

1. Štruktúra molekuly vody

Voda je zo všetkých bežných kvapalín najuniverzálnejšie rozpúšťadlo, kvapalina s maximálnymi hodnotami povrchového napätia, dielektrickej konštanty, výparného tepla a najvyššieho (po amoniaku) tavného tepla. Na rozdiel od väčšiny látok sa voda pri zamrznutí pri nízkom tlaku rozpína.

Tieto špecifické vlastnosti vody sú spojené so špeciálnou štruktúrou jej molekuly. Chemický vzorec vody, H 2 0, je klamlivo jednoduchý. V molekule vody sú jadrá atómov vodíka umiestnené asymetricky vzhľadom na jadro atómu kyslíka a elektrónov. Ak je atóm kyslíka v strede štvorstenu, ťažiská dvoch atómov vodíka budú v rohoch štvorstena a stredy náboja dvoch párov elektrónov budú zaberať ďalšie dva rohy (obr. 1.1). Štyri elektróny sa teda nachádzajú v najväčšej možnej vzdialenosti od jadra atómu kyslíka aj od jadra atómov vodíka, v ktorej sú ešte priťahované jadrom atómu kyslíka. Ďalších šesť elektrónov molekuly vody je usporiadaných nasledovne: štyri elektróny sú v polohe, ktorá zabezpečuje chemickú väzbu medzi jadrami atómov kyslíka a vodíka, a ďalšie dva sa nachádzajú v blízkosti jadra atómu kyslíka.

Asymetrické usporiadanie atómov molekuly vody spôsobuje v nej nerovnomerné rozloženie elektrických nábojov, čím sa molekula vody stáva polárnou. Táto štruktúra molekuly vody spôsobuje vzájomné priťahovanie molekúl vody v dôsledku vytvárania vodíkových väzieb medzi nimi. Usporiadanie atómov vodíka a kyslíka vo vnútri vytvorených agregátov molekúl vody je podobné usporiadaniu atómov kremíka a kyslíka v kremeni. Týka sa to ľadu a v menšej miere aj tekutej vody, ktorej molekulárne agregáty sú vždy v štádiu prerozdeľovania. Pri ochladzovaní vody sa jej molekuly zoskupujú do agregátov, ktoré sa postupne zväčšujú a stávajú sa stabilnejšími, keď sa teplota blíži k 4 °C, keď voda dosiahne svoju maximálnu hustotu. Voda pri tejto teplote ešte nemá tuhú štruktúru a spolu s dlhými reťazcami jej molekúl existuje veľké množstvo jednotlivých molekúl vody. S ďalším ochladzovaním rastú reťazce molekúl vody v dôsledku pridávania voľných molekúl k nim, v dôsledku čoho sa hustota vody znižuje. Keď sa voda zmení na ľad, všetky jej molekuly vstúpia do viac-menej tuhej štruktúry vo forme otvorených reťazcov, ktoré tvoria kryštály.

Obr. 1.1 Štruktúra molekuly vody

Vzájomné prenikanie atómov vodíka a kyslíka. V rohoch štvorstenu sa nachádzajú jadrá dvoch atómov vodíka a dvoch párov elektrónov: v strede je jadro atómu kyslíka.

Vysoké hodnoty povrchového napätia a výparného tepla vody sú vysvetlené skutočnosťou, že na oddelenie molekuly vody od skupiny molekúl je potrebný pomerne veľký výdaj energie. Tendencia molekúl vody vytvárať vodíkové väzby a ich polarita vysvetľujú nezvyčajne vysokú rozpustnosť vody. Niektoré zlúčeniny, ako sú cukry a alkoholy, sú držané v roztoku vodíkovými väzbami. Zlúčeniny, ktoré sú vysoko ionizované, ako je chlorid sodný, sa držia v roztoku, pretože ióny s opačným nábojom sú neutralizované skupinami orientovaných molekúl vody.

Ďalšou vlastnosťou molekuly vody je, že atómy vodíka aj kyslíka môžu mať rôznu hmotnosť s rovnakým jadrovým nábojom. Odrody chemického prvku s rôznymi atómovými hmotnosťami sa nazývajú izotopy tohto prvku. Molekula vody je zvyčajne tvorená vodíkom s atómovou hmotnosťou 1 (H 1) a kyslíkom s atómovou hmotnosťou 16 (O 16). K týmto izotopom patrí viac ako 99 % atómov vody. Okrem toho existujú nasledujúce izotopy: H2, H3, 014, 015, 017, 018, 019. Mnohé z nich sa hromadia vo vode v dôsledku jej čiastočného vyparovania a pre ich veľkú hmotnosť. Izotopy H 3, O 14, O 15, O 19 sú rádioaktívne. Najbežnejším z nich je trícium H 3, ktoré vzniká v horných vrstvách atmosféry pod vplyvom kozmického žiarenia. Tento izotop sa v posledných rokoch nahromadil aj v dôsledku jadrových výbuchov. Na základe týchto a ďalších faktov o izotopoch môže analýza izotopového zloženia vody čiastočne odhaliť históriu niektorých prírodných vôd. Obsah ťažkých izotopov v povrchových vodách teda poukazuje na dlhodobé vyparovanie vody, ku ktorému dochádza napríklad v Mŕtvom mori, Veľkom soľnom jazere a iných uzavretých nádržiach. Zvýšené hladiny trícia v podzemných vodách by mohli znamenať, že tieto vody sú meteorického pôvodu s vysokou rýchlosťou cirkulácie, pretože polčas rozpadu tohto izotopu je len 12,4 roka. Bohužiaľ, izotopová analýza je príliš drahá az tohto dôvodu nemôže byť široko používaná pri štúdiách prírodných vôd.

Molekula vody H2O je vytvorená vo forme trojuholníka: uhol medzi dvoma väzbami kyslík-vodík je 104 stupňov. Ale keďže oba atómy vodíka sú umiestnené na rovnakej strane kyslíka, elektrické náboje v nich sú rozptýlené. Molekula vody je polárna, čo je dôvodom špeciálnej interakcie medzi jej rôznymi molekulami.

Atómy vodíka v molekule H20, ktoré majú kladný čiastočný náboj, interagujú s elektrónmi atómov kyslíka susedných molekúl. Táto chemická väzba sa nazýva vodíková väzba. Spája molekuly H 2 O do jedinečných polymérov priestorovej štruktúry; rovina, v ktorej sa nachádzajú vodíkové väzby, je kolmá na rovinu atómov tej istej molekuly H 2 O Interakcia medzi molekulami vody vysvetľuje predovšetkým abnormálne vysoké teploty jej topenia a varu. Na uvoľnenie a následné zničenie vodíkových väzieb je potrebné dodať dodatočnú energiu. A táto energia je veľmi významná. To je dôvod, prečo je tepelná kapacita vody taká vysoká.

Ako väčšina látok, aj voda sa skladá z molekúl a tie sa skladajú z atómov.

Myšlienka starých filozofov, že všetko v prírode tvoria štyri elementy (elementy): zem, vzduch, oheň a voda, existovala až do stredoveku. V roku 1781 G. Cavendish oznámil, že vodu získal spaľovaním vodíka, no význam svojho objavu úplne nedocenil. Neskôr (1783)A. Lavoisier dokázal, že voda vôbec nie je prvok, ale zlúčenina vodíka a kyslíka. J. Berzelius a P. Dulong (1819), ako aj J. Dumas a J. Stas (1842) stanovili hmotnostné zloženie vody prechodom vodíka cez oxid meďnatý, odobratého v presne definovanom množstve, a vážením výslednej medi. a vodou. Z týchto údajov určili pomer H:O pre vodu. Okrem toho v 20. rokoch 19. storočia J. Gay-Lussac zmeral objemy plynného vodíka a kyslíka, ktoré pri interakcii poskytli vodu: navzájom korelovali ako 2: 1, čo, ako dnes vieme, zodpovedá vzorcu H 2 O. Prevalencia. Voda pokrýva 3/4 povrchu Zeme. Ľudské telo tvorí asi 70 % vody, vajce tvorí 74 % a niektoré druhy zeleniny sú takmer výlučne z vody. Takže vo vodnom melóne je to 92%, v zrelých paradajkách - 95%.

Voda v prírodných nádržiach nemá nikdy homogénne zloženie: prechádza horninami, prichádza do styku s pôdou a vzduchom, a preto obsahuje rozpustené plyny a minerály. Destilovaná voda je čistejšia.

Morská voda. Zloženie morskej vody sa v rôznych regiónoch líši a závisí od prítoku sladkej vody, rýchlosti vyparovania, zrážok, topenia ľadovcov atď.pozri tiež OCEAN.Minerálka. Minerálna voda vzniká pri presakovaní obyčajnej vody cez horniny obsahujúce zlúčeniny železa, lítia, síry a iných prvkov.Mäkká a tvrdá voda. Tvrdá voda obsahuje veľké množstvo vápenatých a horečnatých solí. Rozpúšťajú sa vo vode, keď pretekajú horninami zloženými zo sadry (C ako SO 4 ), vápenec (CaCO 3 ) alebo dolomit (uhličitany Mg a Ca). Mäkká voda obsahuje málo týchto solí. Ak voda obsahuje síran vápenatý, hovorí sa, že má trvalú (neuhličitanovú) tvrdosť. Môže sa zmäkčiť pridaním uhličitanu sodného; to spôsobí, že sa vápnik vyzráža ako uhličitan a v roztoku zostane síran sodný. Soli sodíka nereagujú s mydlom a jeho spotreba bude menšia ako v prítomnosti solí vápnika a horčíka.

Voda s dočasnou (uhličitanovou) tvrdosťou obsahuje hydrogénuhličitany vápnika a horčíka; dá sa zmäkčiť niekoľkými spôsobmi: 1) zahrievaním, čo vedie k rozkladu hydrogénuhličitanov na nerozpustné uhličitany; 2) pridanie vápennej vody (hydroxidu vápenatého), v dôsledku čoho sa hydrogenuhličitany premenia na nerozpustné uhličitany; 3) pomocou výmenných reakcií.

Molekulárna štruktúra. Analýza údajov získaných z absorpčných spektier ukázala, že tri atómy v molekule vody tvoria rovnoramenný trojuholník s dvoma atómami vodíka na základni a kyslíkom na vrchole:Väzbový uhol HOH je 104,31° dĺžka väzby OH je 0,99Á (1 Á = 108 cm) a vzdialenosť HH je 1,515 Å . Atómy vodíka sú tak hlboko zapustené v atóme kyslíka, že molekula je takmer guľová; jeho polomer je 1,38Å . VODA Fyzikálne vlastnosti. V dôsledku silnej príťažlivosti medzi molekulami má voda vysoké teploty topenia (0° C) a varu (100 ° S). Hrubá vrstva vody má modrú farbu, ktorá je určená nielen jej fyzikálnymi vlastnosťami, ale aj prítomnosťou suspendovaných častíc nečistôt. Voda horských riek je zelenkastá vďaka suspendovaným časticiam uhličitanu vápenatého, ktoré obsahuje. Čistá voda je zlý vodič elektriny, jej merná vodivosť je 1,5 H 10 8 Ohm 1 H cm 1 pri 0 °C. Stlačiteľnosť vody je veľmi nízka: 43 V 10 6 cm 3 za megabar pri 20° C. Hustota vody je maximálna pri 4° S; to sa vysvetľuje vlastnosťami vodíkových väzieb jeho molekúl.Tlak vodnej pary. Ak necháte vodu v otvorenej nádobe, postupne sa vyparí a všetky jej molekuly pôjdu do vzduchu. Zároveň sa voda nachádzajúca sa v tesne uzavretej nádobe odparuje len čiastočne, t.j. pri určitom tlaku vodnej pary sa nastolí rovnováha medzi vodou a vzduchom nad ňou. Rovnovážny tlak pár závisí od teploty a nazýva sa tlak nasýtených pár (alebo tlak pár). Keď sa tlak nasýtených pár porovná s vonkajším tlakom, voda vrie. Pri normálnom tlaku 760 mm Hg. voda vrie na 100° C a vo výške 2900 m nad morom klesá atmosférický tlak na 525 mm Hg. a bod varu je 90° S.

K odparovaniu dochádza dokonca aj z povrchu snehu a ľadu, a preto mokrá bielizeň v mraze vysychá.

Viskozita vody rýchlo klesá so zvyšujúcou sa teplotou a pri 100

° C sa ukáže byť 8-krát menej ako pri 0°C Chemické vlastnosti. Katalytické pôsobenie. Mnohé chemické reakcie prebiehajú iba v prítomnosti vody. V suchých plynoch teda nedochádza k oxidácii kyslíkom, kovy nereagujú s chlórom atď.Hydratuje. Mnohé zlúčeniny vždy obsahujú určitý počet molekúl vody, a preto sa nazývajú hydráty. Povaha väzieb vytvorených v tomto prípade môže byť odlišná. Napríklad v pentahydráte síranu meďnatého alebo síranu meďnatého CuS04H5H20 , štyri molekuly vody tvoria koordinačné väzby so síranovým iónom, ktoré sú zničené pri 125° S; piata molekula vody je viazaná tak pevne, že sa uvoľní až pri teplote 250 °C° C. Ďalší stabilný hydrát kyseliny sírovej; existuje v dvoch hydratovaných formách, S03PH20 a S02(OH)2 , medzi ktorými je nastolená rovnováha. Ióny vo vodných roztokoch sú tiež často hydratované. Áno, N + vždy existuje vo forme hydróniového iónu H 30+ alebo H502+ ; lítium-ión vo forme Li(H20)6+ atď. Prvky ako také sa zriedka nachádzajú v hydratovanej forme. Výnimkou je bróm a chlór, ktoré tvoria hydráty Br2ChioH20 a Cl2Ch6H20. Niektoré bežné hydráty obsahujú kryštalickú vodu, ako je chlorid bárnatý BaCl2H2H20 , Epsomská soľ (síran horečnatý) MgS04H7H20 , jedlá sóda (uhličitan sodný) Na2C03H10H20, Glauberova soľ (síran sodný) Na2S04H10H20. Soli môžu tvoriť niekoľko hydrátov; Síran meďnatý teda existuje vo forme CuSO 4H 5H 2 O, CuSO 4 H 3H 2 O a CuSO 4 H 2 O . Ak je tlak nasýtených pár hydrátu väčší ako atmosférický tlak, soľ stratí vodu. Tento proces sa nazývablednutiu (zvetrávaním). Proces, pri ktorom soľ absorbuje vodu, sa nazývarozmazanie . Hydrolýza. Hydrolýza je reakcia dvojitého rozkladu, pri ktorej je jedným z reaktantov voda; chlorid fosforitý PCl 3 ľahko reaguje s vodou: PCl3 + 3H20 = P(OH)3 + 3HCl Tuky sa hydrolyzujú podobným spôsobom za vzniku mastných kyselín a glycerolu.Riešenie. Voda je polárna zlúčenina, a preto ľahko vstupuje do elektrostatickej interakcie s časticami (iónmi alebo molekulami) látok v nej rozpustených. Molekulové skupiny vytvorené ako výsledok solvatácie sa nazývajú solváty. Vrstva molekúl vody viazaných na centrálnu časticu solvátu príťažlivými silami tvorí solvatačný obal. Koncept solvatácie bol prvýkrát predstavený v roku 1891 I.A.Ťažká voda. V roku 1931 G. Urey ukázal, že keď sa kvapalný vodík odparí, jeho konečné frakcie sa ukážu byť ťažšie ako obyčajný vodík kvôli obsahu izotopu, ktorý je dvakrát ťažší. Tento izotop sa nazýva deutérium a je reprezentovaný symbolom D . Vo svojich vlastnostiach sa voda obsahujúca svoj ťažký izotop namiesto obyčajného vodíka výrazne líši od obyčajnej vody.

V prírode na každých 5 000 hmotnostných dielov N

2 Oh, je tu jedna časť D2O . Tento pomer je rovnaký pre riečnu, dažďovú, močiarnu, podzemnú alebo kryštalickú vodu. Ťažká voda sa používa ako stopovacia látka pri štúdiu fyziologických procesov. V ľudskom moči teda pomer medzi H a D sa tiež rovná 5000:1. Ak dáte pacientovi vodu s vysokým obsahom D2O , potom dôsledným meraním podielu tejto vody v moči môžete určiť rýchlosť vylučovania vody z tela. Ukázalo sa, že asi polovica vypitej vody zostáva v tele aj po 15 dňoch. Ťažká voda, respektíve deutérium, ktoré je jej súčasťou, je dôležitým účastníkom reakcií jadrovej fúzie.

Tretím izotopom vodíka je trícium, označené symbolom T. Na rozdiel od prvých dvoch je rádioaktívne a v prírode sa vyskytuje len v malých množstvách. V sladkovodných jazerách je pomer medzi ním a obyčajným vodíkom 1:10

18 , v povrchových vodách 1:10 19 , v hlbokých vodách chýba.pozri tiež VODÍK. ICE Ľad, pevná fáza vody, sa používa predovšetkým ako chladivo. Môže byť v rovnováhe s kvapalnou a plynnou fázou alebo len s plynnou fázou. Hrubá vrstva ľadu má modrastú farbu, čo je spôsobené tým, ako láme svetlo. Stlačiteľnosť ľadu je veľmi nízka.

Ľad pri normálnom tlaku existuje iba pri teplote 0

° C alebo nižšie a má menšiu hustotu ako studená voda. To je dôvod, prečo ľadovce plávajú vo vode. Navyše, keďže pomer hustôt ľadu a vody je 0° Pri konštantnom ľade vždy vyčnieva z vody o určitú časť, a to 1/5 jej objemu.pozri tiežĽADOVCE. PARA Parná plynná fáza vody. Na rozdiel od všeobecného presvedčenia je neviditeľný. Tá „para“, ktorá uniká z varnej kanvice, je v skutočnosti veľa drobných kvapôčok vody. Para má vlastnosti, ktoré sú veľmi dôležité pre zachovanie života na Zemi. Je napríklad dobre známe, že vplyvom slnečného tepla sa voda vyparuje z povrchu morí a oceánov. Výsledná vodná para stúpa do atmosféry a kondenzuje a potom padá na zem vo forme dažďa a snehu. Bez takéhoto kolobehu vody by sa naša planéta už dávno zmenila na púšť.

Steam má mnoho využití. Niektorých dobre poznáme, o iných sme len počuli. Medzi najznámejšie zariadenia a mechanizmy využívajúce paru patria žehličky, parné lokomotívy, parníky, parné kotly. Para roztáča generátorové turbíny v tepelných elektrárňach.

pozri tiež PARNÝ KOTOL; TEPELNÝ MOTOR; TEPLO; TERMODYNAMIKA.LITERATÚRA Eisenberg D., Kautsman V.Štruktúra a vlastnosti vody . L., 1975
Zatsepina G.N. Fyzikálne vlastnosti a štruktúra vody . M., 1987

Trojrozmerný stav tekutej vody je ťažké študovať, ale veľa sa naučilo analýzou štruktúry ľadových kryštálov. Štyri susedné atómy kyslíka viazané vodíkovými väzbami zaberajú vrcholy štvorstenu (tetra = štyri, hedron = rovina). Priemerná energia potrebná na prerušenie takejto väzby v ľade sa odhaduje na 23 kJ/mol -1.

Schopnosť molekúl vody tvoriť daný počet vodíkových reťazcov, ako aj špecifikovaná sila, vytvára nezvyčajne vysoký bod topenia. Keď sa roztopí, drží ho tekutá voda, ktorej štruktúra je nepravidelná. Väčšina vodíkových väzieb je skreslená. Na zničenie vodíkovej väzby kryštálovej mriežky ľadu je potrebné veľké množstvo energie vo forme tepla.

Vlastnosti ľadového vzhľadu (Ih)

Mnoho obyčajných ľudí sa pýta, akú má ľad kryštálovú mriežku. Treba poznamenať, že hustota väčšiny látok sa zvyšuje po zmrazení, keď sa molekulárne pohyby spomalia a tvoria sa husto zbalené kryštály. Hustota vody sa tiež zvyšuje, keď sa ochladzuje na maximum pri 4 ° C (277 K). Potom, keď teplota klesne pod túto hodnotu, expanduje.

Tento nárast je spôsobený vytvorením otvoreného ľadového kryštálu s vodíkovými väzbami s jeho mriežkou a nižšou hustotou, v ktorom je každá molekula vody pevne viazaná vyššie uvedeným prvkom a štyrmi ďalšími hodnotami a stále sa pohybuje dostatočne rýchlo, aby mala väčšiu hmotnosť. Keď dôjde k tejto akcii, kvapalina zamrzne zhora nadol. To má dôležité biologické dôsledky, pričom vrstva ľadu na jazierku izoluje živé bytosti pred extrémnym chladom. Okrem toho dve ďalšie vlastnosti vody súvisia s jej vodíkovými vlastnosťami: špecifická tepelná kapacita a vyparovanie.

Podrobný popis štruktúr

Prvým kritériom je množstvo potrebné na zvýšenie teploty 1 gramu látky o 1 °C. Zvyšovanie stupňov vody vyžaduje relatívne veľkú časť tepla, pretože každá molekula je zapojená do mnohých vodíkových väzieb, ktoré sa musia prerušiť, aby sa zvýšila kinetická energia. Mimochodom, množstvo H 2 O v bunkách a tkanivách všetkých veľkých mnohobunkových organizmov znamená, že kolísanie teploty vo vnútri buniek je minimalizované. Táto vlastnosť je kritická, pretože väčšina biochemických reakcií je citlivá na rýchlosť.

Tiež výrazne vyššia ako mnohé iné kvapaliny. Premena tejto tuhej látky na plyn vyžaduje veľké množstvo tepla, pretože vodíkové väzby musia byť prerušené, aby sa molekuly vody mohli od seba oddeliť a vstúpiť do uvedenej fázy. Variabilné telesá sú trvalé dipóly a môžu interagovať s inými podobnými zlúčeninami a tými, ktoré sú ionizované a rozpustené.

Iné látky uvedené vyššie môžu prísť do kontaktu len vtedy, ak je prítomná polarita. Práve táto zlúčenina sa podieľa na štruktúre týchto prvkov. Okrem toho sa môže zarovnať okolo týchto častíc vytvorených z elektrolytov, takže negatívne atómy kyslíka molekúl vody sú orientované smerom k katiónom a kladné ióny a atómy vodíka sú orientované smerom k aniónom.

Spravidla sa vytvárajú molekulárne kryštálové mriežky a atómové mriežky. To znamená, že ak je jód štruktúrovaný tak, že je v ňom prítomný I 2, potom v pevnom oxide uhličitom, teda v suchom ľade, sú v uzloch kryštálovej mriežky molekuly CO 2 . Pri interakcii s takýmito látkami má ľad iónovú kryštálovú mriežku. Napríklad grafit, ktorý má atómovú štruktúru založenú na uhlíku, ju nedokáže zmeniť, rovnako ako diamant.

Čo sa stane, keď sa kryštál kuchynskej soli rozpustí vo vode: polárne molekuly sú priťahované k nabitým prvkom v kryštáli, čo vedie k vytvoreniu podobných častíc sodíka a chloridu na jeho povrchu, v dôsledku čoho sa tieto telesá navzájom dislokujú, a začne sa rozpúšťať. Z toho môžeme pozorovať, že ľad má kryštálovú mriežku s iónovou väzbou. Každý rozpustený Na+ priťahuje negatívne konce niekoľkých molekúl vody, zatiaľ čo každý rozpustený Cl - priťahuje pozitívne konce. Plášť obklopujúci každý ión sa nazýva úniková guľa a zvyčajne obsahuje niekoľko vrstiev častíc rozpúšťadla.

Premenné alebo ión obklopené prvkami sa nazývajú sulfátované. Keď je rozpúšťadlom voda, takéto častice sa hydratujú. Každá polárna molekula má teda tendenciu byť solvatáciou prvkami tekutého telesa. V suchom ľade tvorí typ kryštálovej mriežky atómové väzby v agregovanom stave, ktoré sú nezmenené. Kryštalický ľad (zamrznutá voda) je iná vec. Iónové organické zlúčeniny, ako sú karboxylázy a protónované amíny, musia byť rozpustné v hydroxylových a karbonylových skupinách. Častice obsiahnuté v takýchto štruktúrach sa pohybujú medzi molekulami a ich polárne systémy vytvárajú vodíkové väzby s týmto telom.

Počet posledne menovaných skupín v molekule samozrejme ovplyvňuje jej rozpustnosť, ktorá závisí aj od reakcie rôznych štruktúr v prvku: napríklad jedno-, dvoj- a trojuhlíkové alkoholy sú s vodou miešateľné, ale väčšie uhľovodíky s jednoduchými hydroxylovými zlúčeninami sú v kvapalinách oveľa menej zriedené.

Šesťhranný Ih má podobný tvar ako atómová kryštálová mriežka. Pre ľad a všetok prírodný sneh na Zemi to vyzerá presne takto. Svedčí o tom symetria kryštálovej mriežky ľadu vyrastenej z vodnej pary (teda snehových vločiek). Nachádza sa v priestore skupiny P 63/mm s 194; D 6h, trieda Laue 6/mm; podobne ako β-, ktorý má násobok 6 špirálovej osi (rotácia dookola okrem šmyku pozdĺž nej). Má pomerne otvorenú štruktúru s nízkou hustotou, kde je účinnosť nízka (~ 1/3) v porovnaní s jednoduchými kubickými (~ 1/2) alebo tvárovo centrovanými kubickými štruktúrami (~ 3/4).

V porovnaní s obyčajným ľadom je kryštálová mriežka suchého ľadu, viazaná molekulami CO 2, statická a mení sa len pri rozpade atómov.

Opis mriežok a ich základných prvkov

Kryštály si možno predstaviť ako kryštalické vzory pozostávajúce z listov naskladaných na sebe. Vodíková väzba je usporiadaná, aj keď je v skutočnosti náhodná, pretože protóny sa môžu pohybovať medzi molekulami vody (ľadu) pri teplotách nad približne 5 K. Je pravdepodobné, že protóny sa v konštantnom tunelovom toku správajú ako kvantová tekutina. Toto je posilnené rozptylom neutrónov, ktorý ukazuje ich hustotu rozptylu v polovici medzi atómami kyslíka, čo naznačuje lokalizáciu a koordinovaný pohyb. Tu je pozorovaná podobnosť ľadu s atómovou, molekulárnou kryštálovou mriežkou.

Molekuly majú stupňovité usporiadanie vodíkového reťazca vo vzťahu k svojim trom susedom v rovine. Štvrtý prvok má usporiadanie zakrytej vodíkovej väzby. Je tu mierna odchýlka od dokonalej šesťuholníkovej symetrie, až o 0,3% kratšia v smere tohto reťazca. Všetky molekuly zažívajú rovnaké molekulárne prostredie. Vo vnútri každej „škatule“ je dostatok miesta na zachytenie intersticiálnych častíc vody. Hoci sa o nich všeobecne neuvažuje, nedávno boli účinne detegované neutrónovou difrakciou z práškovej kryštálovej mriežky ľadu.

Zmena látok

Šesťhranné teleso má trojité body s kvapalnou a plynnou vodou 0,01 °C, 612 Pa, pevné prvky tri -21,985 °C, 209,9 MPa, jedenásť a dva -199,8 °C, 70 MPa a -34,7 °C, 212,9 MPa . Dielektrická konštanta šesťuholníkového ľadu je 97,5.

Krivka topenia tohto prvku je daná MPa. K dispozícii sú stavové rovnice, okrem nich niektoré jednoduché nerovnice súvisiace so zmenou fyzikálnych vlastností s teplotou šesťuholníkového ľadu a jeho vodných suspenzií. Tvrdosť sa mení v stupňoch, zvyšuje sa od približne alebo pod sadrovec (≤2) pri 0 °C až po úrovne živca (6 pri -80 °C, abnormálne veľká zmena absolútnej tvrdosti (>24-krát).

Šesťuholníková kryštálová mriežka ľadu tvorí šesťuholníkové dosky a stĺpce, kde horná a spodná strana sú základné roviny (0 0 0 1) s entalpiou 5,57 μJ cm -2 a ostatné ekvivalentné bočné roviny sa nazývajú hranolové časti (1 0-10) s 5,94 uJ cm-2. Sekundárne povrchy (1 1 -2 0) s 6,90 μJ ˣ cm -2 môžu byť vytvorené pozdĺž rovín tvorených stranami konštrukcií.

Táto štruktúra vykazuje anomálny pokles tepelnej vodivosti so zvyšujúcim sa tlakom (ako kubický a amorfný ľad s nízkou hustotou), ale líši sa od väčšiny kryštálov. Je to spôsobené zmenou vodíkovej väzby, ktorá znižuje priečnu rýchlosť zvuku v kryštálovej mriežke ľadu a vody.

Existujú metódy, ktoré popisujú, ako pripraviť veľké vzorky kryštálov a akýkoľvek požadovaný ľadový povrch. Predpokladá sa, že vodíková väzba na povrchu skúmaného šesťuholníkového telesa bude usporiadanejšia ako vo vnútri hromadného systému. Frekvenčne oscilujúca variačná spektroskopia fázovej mriežky ukázala, že medzi hornými dvoma vrstvami (L1 a L2) v podpovrchovom HO reťazci bazálneho povrchu hexagonálneho ľadu existuje štruktúrna asymetria. Vodíkové väzby prijaté v horných vrstvách šesťuholníkov (L1 O ··· HO L2) sú silnejšie ako väzby prijaté v druhej vrstve k hornej akumulácii (L1 OH ··· O L2). K dispozícii sú interaktívne šesťhranné ľadové štruktúry.

Vlastnosti vývoja

Minimálny počet molekúl vody potrebný na nukleáciu ľadu je približne 275 ± 25, rovnako ako v prípade úplného ikosaedrického zhluku 280. K tvorbe dochádza 1010 krát na rozhraní vzduch-voda, a nie v objemovej vode. Rast ľadových kryštálov závisí od rôznych rýchlostí rastu rôznych energií. Voda musí byť chránená pred zamrznutím počas kryokonzervácie biologických vzoriek, potravín a orgánov.

To sa zvyčajne dosahuje rýchlymi rýchlosťami ochladzovania, použitím malých vzoriek a kryokonzervátora a zvýšením tlaku na tvorbu jadier ľadu a zabránenie poškodeniu buniek. Voľná ​​energia ľadu/kvapaliny sa zvyšuje z ~30 mJ/m2 pri atmosférickom tlaku na 40 mJ/m2 pri 200 MPa, čo naznačuje dôvod, prečo k tomuto efektu dochádza.

Alternatívne môžu rásť rýchlejšie z hranolových povrchov (S2) na náhodne narušených povrchoch bleskovo zamrznutých alebo narušených jazier. Rast z plôch (1 1 -2 0) je prinajmenšom rovnaký, ale mení ich na základy hranola. Údaje o vývoji ľadových kryštálov boli úplne preskúmané. Relatívne rýchlosti rastu prvkov rôznych tvárí závisia od schopnosti vytvárať väčší stupeň hydratácie kĺbov. (Nízka) teplota okolitej vody určuje stupeň rozvetvenia ľadového kryštálu. Rast častíc je obmedzený rýchlosťou difúzie pri nízkych stupňoch podchladenia, t.j.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Je však obmedzená kinetikou vývoja pri vyšších úrovniach zníženia stupňov > 4 ° C, čo vedie k ihlovitému rastu. Táto forma je podobná štruktúre suchého ľadu (má kryštálovú mriežku so šesťuholníkovou štruktúrou), odlišné charakteristiky vývoja povrchu a teploty okolitej (podchladenej) vody, ktorá leží za plochými formami snehových vločiek.

Tvorba ľadu v atmosfére výrazne ovplyvňuje tvorbu a vlastnosti oblakov. Živce nachádzajúce sa v púštnom prachu, ktorý sa do atmosféry dostáva v miliónoch ton ročne, sú dôležitými formovateľmi. Počítačové simulácie ukázali, že je to spôsobené nukleáciou rovín prizmatických ľadových kryštálov na vysokoenergetických povrchových rovinách.

Niektoré ďalšie prvky a mriežky

Solúty (okrem veľmi malého množstva hélia a vodíka, ktoré sa môžu dostať do medzier) sa nedajú začleniť do štruktúry Ih pri atmosférickom tlaku, ale sú vytlačené na povrch alebo do amorfnej vrstvy medzi časticami mikrokryštalického telesa. V miestach kryštálovej mriežky suchého ľadu sú niektoré ďalšie prvky: chaotropné ióny, ako napríklad NH 4 + a Cl -, ktoré sú zahrnuté do tuhnutia kvapaliny ľahšie ako iné kozmotropné ióny, ako je Na + a SO 4 2-, takže ich odstránenie je nemožné, vzhľadom k tomu, že tvoria tenký film zostávajúcej kvapaliny medzi kryštálmi. To môže viesť k elektrickému nabitiu povrchu v dôsledku disociácie povrchovej vody vyrovnávajúcej zostávajúce náboje (čo môže tiež viesť k magnetickému žiareniu) a k zmene pH zvyškových kvapalných filmov, napríklad NH 4 2 SO 4 stále viac kyslý a NaCl sa stáva zásaditejším.

Sú kolmé na plochy mriežky ľadových kryštálov a zobrazujú pripojenú ďalšiu vrstvu (s atómami O-čierne). Vyznačujú sa pomaly rastúcim bazálnym povrchom (0 0 0 1), kde sú naviazané len izolované molekuly vody. Rýchlo rastúci (1 0 -1 0) povrch hranola, kde sa páry novo naviazaných častíc môžu navzájom spájať vodíkom (jedna väzba/dve molekuly prvku). Najrýchlejšie rastúca plocha je (1 1 -2 0) (sekundárna prizmatická), kde reťazce novo naviazaných častíc môžu navzájom interagovať vodíkovou väzbou. Jedna z jeho molekúl reťazca/prvku je forma, ktorá tvorí hrebene, ktoré rozdeľujú a podporujú transformáciu na dve strany hranola.

Entropia nulového bodu

k Bˣ Ln ( N

Vedci a ich práce v tejto oblasti

Môže byť definovaný ako S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), kde k B je Boltzmannova konštanta, N E je počet konfigurácií pri energii E a E0 je najnižšia energia. Táto hodnota entropie hexagonálneho ľadu pri nule Kelvinov neporušuje tretí zákon termodynamiky, „Entropia ideálneho kryštálu pri absolútnej nule je presne nula“, pretože tieto prvky a častice nie sú ideálne a majú neusporiadané vodíkové väzby.

V tomto tele je vodíková väzba náhodná a rýchlo sa mení. Tieto štruktúry nie sú úplne rovnaké v energii, ale siahajú do veľmi veľkého počtu energeticky blízkych stavov a riadia sa „pravidlami ľadu“. Entropia nulového bodu je porucha, ktorá by zostala, aj keby sa materiál mohol ochladiť na absolútnu nulu (0 K = -273,15 °C). Spôsobuje experimentálny zmätok pre šesťuholníkový ľad 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoreticky by bolo možné vypočítať nulovú entropiu známych ľadových kryštálov s oveľa väčšou presnosťou (zanedbaním defektov a rozptylu energetickej hladiny), ako ju určiť experimentálne.

Hoci poradie protónov v objemovom ľade nie je usporiadané, povrch pravdepodobne uprednostňuje poradie uvedených častíc vo forme pásov visiacich atómov H a osamelých párov (nulová entropia s usporiadanými vodíkovými väzbami). Bola zistená porucha nulového bodu ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 a iné. Zo všetkého vyššie uvedeného je jasné a pochopiteľné, aké typy kryštálových mriežok sú charakteristické pre ľad.

Možnosť 1.

1. Líšia sa molekuly ľadu a vody?

1) sú rovnaké; 2) molekula ľadu je chladnejšia; 3) molekula ľadu je menšia;

4) molekula vody je menšia

2. Čo je difúzia?

Molekuly iného; 3) chaotický pohyb molekúl hmoty;

4) miešanie látok

4. Keď sa látka ochladí, molekuly sa pohybujú:

Druh látky

5. Rýchlosť pohybu molekúl vodíka sa zvýšila. V čom

Teplota…

Žiadna odpoveď

6. Ak nalejete vodu z pohára do taniera, tak...

Tvar a objem

7. V ktorej vode prebieha difúzia rýchlejšie?

Deje sa

8. V ktorých látkach prebieha difúzia pomalšie, keď od-

Za akých podmienok?

Všetky látky

9. Molekuly látky sa nachádzajú vo veľkých vzdialenostiach,

Sú silne priťahované a oscilujú okolo rovnovážnej polohy

Táto látka...

1) plynný; 2) kvapalina; 3) ťažké; 4) takáto látka neexistuje

Možnosť číslo 2.

1. Líšia sa molekuly ľadu a vodnej pary navzájom?

1) molekula ľadu je chladnejšia; 2) sú rovnaké; 3) molekula ľadu

Menej; 4) molekula ľadu je väčšia

2. Difúzia je...

1) prenikanie molekúl jednej látky do molekúl druhej;

2) prienik molekúl jednej látky do medzier medzi

Molekuly iného; 3) chaotický pohyb molekúl látok

Va; 4) miešanie látok

3. Medzi molekulami akejkoľvek látky je:

1) vzájomná príťažlivosť; 2) vzájomné odpudzovanie; 3) vzájomné

Príťažlivosť a odpudivosť; 4) rôzne látky majú rôzne

4. Keď sa voda zahrieva, molekuly sa pohybujú:

1) pri rovnakej rýchlosti; 2) pomalšie; 3) rýchlejšie; 4) závisí od

Druh látky

5. Rýchlosť pohybu molekúl kyslíka sa znížila. V čom

Teplota…

1) sa nezmenil; 2) znížená; 3) zvýšená; 4) správne

Žiadna odpoveď

6. Ak nalejete vodu z taniera do pohára, tak...

1) zmení sa tvar a objem vody; 2) zmení sa tvar, zmení sa hlasitosť

Uložené; 3) tvar zostane rovnaký, objem sa zmení; 4) zostane zachovaná

Objem a tvar

7. V ktorej vode prebieha difúzia pomalšie?

1) v chlade; 2) horúce; 3) to isté; 4) difúzia vo vode nie je

Deje sa

8. V ktorých látkach prebieha difúzia rýchlejšie

Aké máte podmienky?

1) v plynnej forme; 2) v kvapaline; 3) v pevných látkach; 4) to isté v

Všetky látky

9. Molekuly látky sa nachádzajú na krátke vzdialenosti, silne

Priťahujú sa a kmitajú okolo rovnovážnej polohy. Toto

Látka...

1) plynný; 2) kvapalina; 3) ťažké; 4) taká látka neexistuje

Existuje

V.V. Makhrová, GS(K)OU S(K)OSH (VII typ) N 561, Petrohrad