Ненормална својства воде: узроци, значај

Људи су навикли да воде и сматрају га обичном супстанцом. Често је узимају здраво за готово док суша угрожава усјеве и воду за пиће, или озбиљне поплаве представљају опасност за живот и имовину. Многи не схватају да структура воде и њене аномалне особине осигуравају постојање живота на Земљи.

Један од раних грчких филозофа, Тхалес оф Милетус (640-546 пне. Е.), Истраживао универзалну природу воде. Сматрао га је главним елементом из којег се све рађа. Обиље воде било је очигледно, али Тхалес је приметио да је то једина супстанца која је природно присутна на Земљи истовремено у три различита стања: чврста, течна и гасовита. У хладни зимски дан, снег и лед прекривају поља, река тече у близини, а облаци лебде изнад њих.

Облици материје

Све супстанце постоје у три различита стања, која зависе од температуре и притиска. Чврсте материје имају одређени облик и имају унутрашњу кристалну структуру. Према овој дефиницији, супстанца као што је стакло ће се сматрати високо вискозном течношћу, јер нема кристалну структуру. Чврсте материје имају тенденцију да се одупиру спољним утицајима. Могу се претворити у течност загријавањем. Тачка замрзавања воде при притиску од 1 атмосфере је 0 ° Ц, испод које постоји као лед.

Течност, за разлику од чврстог тела, нема чврстоћу и нема одређену форму. Има волумен и има облик посуде у којој се складишти. Спољни утицај га приморава да тече. Вода је течност између температуре смрзавања и врелишта (100 ° Ц). Течности могу прећи у гасну фазу када се загреју изнад тачке кључања.

Гас нема облик или волумен. Има облик и заузима волумен посуде у којој се налази. Гас се шири и скупља са променама температуре и притиска и лако се може дифундовати у друге гасове.

Тачке кључања и смрзавања

Ненормална својства воде су његове неуобичајено високе температуре кључања и смрзавања у односу на друга једињења сличне молекуларне структуре. Остале сличне супстанце у нормалним условима су гасови. Очекује се да вода са својом нижом молекуларном тежином од сличних једињења има ниже температуре кључања и смрзавања. Међутим, због поларне природе његових молекула и водоничних веза, његова точка кључања је 100 ° Ц, а замрзавање је 0 ° Ц. За поређење, одговарајуће вредности за водоник сулфид Х ₂ С су -60 ° Ц и -84 ° Ц, за водоник сулфид Х ₂ Се, овај индикатор је -42 ° Ц и -64 ° Ц и телурид за -2 ° Ц и -49 ° Ц .

Солид пхасе

По правилу, са смањењем температуре, супстанце постају густе, а вода није изузетак. Његова густина на 25 ° Ц је 0.997 г / мл и повећава се до максимума (1 г / мл) на Т = 4 ° Ц. У метричком систему мерења, килограм се дефинише као маса 1 литра воде са максималном густином. Невероватна ствар се дешава између 4 ° Ц и тачке смрзавања од 0 ° Ц, што се уочава код веома малог броја супстанци. Вода се постепено шири и постаје мање густа. Густина леда на 0 ° Ц је око 0.917 г / мл. Молекули воде формирају кристале у облику тетраедра (четверокутна фигура, од којих је свако лице једнакостранични троугао). Пошто је густина чврсте фазе мања од течности, лед лебди. Када се замрзне, количина воде се повећава за 1%.

Веома је важно да се лед шири и плута на површини. Због тога се зими пукну водоводне цеви и на путевима се појаве рупе. Замрзавање и топљење воде су у великој мери одговорни за уништавање стена и формирање земљишта. Осим тога, ако се језера и потоци замрзну према горе, водени живот опћенито би престао постојати, а климатски и временски увјети би се драматично промијенили.

Капацитет грејања

Још једна абнормална својства воде је његова екстремно висока способност да апсорбује топлоту без значајног повећања температуре. На пример, летње сунце на плажи загрева песак до те мере да је немогуће ходати по њему. Вода остаје хладна. Обе супстанце апсорбују једнаку количину топлотне енергије, али је температура песка већа. Празна гвоздена посуда која виси изнад ватре брзо ће сијати црвено вруће, али ако је напуњена водом, онда се постепено загрева. Висок топлотни капацитет воде чини га добрим расхладним средством у кондензаторима и радијаторима аутомобила који спречавају прегријавање мотора. Његова вредност је 5 пута већа од топлотног капацитета песка и око 10 пута од гвожђа.

Умерена клима у приобалним подручјима резултат је апсорпције током дана велике количине сунчеве топлинске енергије водом и спорог ослобађања током ноћи. Копнена подручја удаљена од обале обично имају много веће екстремне температуре. Огромни океани на Земљи (око 75% површине) одговорни су за ублажавање климе на нашој планети, подржавајући постојање живота.

Топлина топљења и испаравања

Топлина фазног прелаза повезана је са топлотним капацитетом. То је количина топлотне енергије која се апсорбује или ослобађа од стране супстанце која се мења у фази (од течног до чврстог, или обрнуто, и од течног до гасовитог, или обратно) без промене температуре. Неуобичајено високе вриједности специфичне топлине таљења (332,4 кЈ / кг) и испаравања (2256,2 кЈ / кг) су слиједеће аномалне физичке особине воде. Замрзавање производи исту количину топлине која се апсорбује током процеса топљења.

Практичан пример коришћења специфичне топлоте топљења воде је употреба леда за хлађење пића у изолованом хладњаку. У процесу топљења леда апсорбује топлотну енергију пића, одржавајући их хладнима. Контејнер са водом у стакленику током хладне зимске ноћи омекшава температуру просторије услед топлоте која се ослобађа током замрзавања. Кондензација паре ослобађа исту количину топлоте која се апсорбује током процеса испаравања. Специфична топлота испаравања је 5 пута већа од топлоте потребне за подизање температуре од 0 до 100 ° Ц. Ненормално својство воде за складиштење велике количине акумулиране топлотне енергије чини парно гријање ефикасним. У процесу кондензације пара отпушта акумулирану топлотну енергију. Дневна грмљавина на врели летњи дан је још један пример ослобађања топлотне енергије у горњој атмосфери током кондензације врелог, влажног ваздуха. Чак и ураган је пример ефекта прерасподеле огромне количине топлотне енергије коју апсорбују тропски океани.

Системи хлађења испаравањем раде обрнуто. Вода у процесу испаравања апсорбује топлотну енергију из ваздуха, хлади је.

Универсал Солвент

Растварач је способан да раствори другу супстанцу са формирањем хомогене смеше (раствора) на молекуларном нивоу. Још једна абнормална својства воде у хемији због њене поларне природе је способност да раствори друга поларна једињења - соли, алкохоле, карбоксилна једињења, итд. У њему се налази више од половине познатих хемијских елемената, неки у високим концентрацијама, а други само у траговима. На пример, концентрација засићења натријум-хлорида је око 36 г на 100 мл, а калцијум-карбонат око 0.0015 г.

Неполарна једињења, укључујући већину угљоводоника, растварају се у ниским или у траговима. На пример, уља теже да пливају на површини воде.

Сурфаце тенсион

Ненормална својства воде укључују њену највећу (након живе) површинску напетост у односу на било коју другу течност. То је снага привлачења молекула који се налазе испод површине и оних који се налазе на интерфејсу течност-ваздух. То спречава ширење воде. Поларна једињења, по правилу, имају много већу површинску напетост од неполарних. И вода није изузетак. При 20 ° Ц, овај индикатор је једнак 0,07286 Н / м (за етил алкохол - 0,0228 Н / м).

Без вањског утицаја, капљица Х ₂ О поприма облик кугле, јер ова бројка има најмању површину по јединици волумена. Кишне капи су сићушни метци који уништавају роцкс. Из истог разлога, предмети који су тежи од воде могу се држати на његовој површини. Инсекти могу да ходају њиме, а бритвице пливају.

Водонична веза одређује аномално својство воде да се мокре већине површина. Такве супстанце се сматрају хидрофилним. Вода може да се уздиже дуж зидова стакла и других контејнера. Друге супстанце, као што су уља, масти, воскови и синтетика (полипропилен, итд.), Се не смоле. Они су хидрофобни. Мембрански филтер патроне са величином пора мањом од 1 микрона израђене су од хидрофобних полимера уз помоћ средстава за влажење која смањују површинску напетост воде тако да она може продријети и остати у њима. Овај феномен се назива капиларни ефекат. Он је одговоран за кретање воде у земљишту и дуж корена биљака и крви кроз крвне судове.

Ненормална својства воде и њихов значај за живот

Х ₂ О је интегрална компонента постојања целог живота. Ово објашњава скорашњи интерес за проналажење воде у другим деловима универзума. Сви познати биохемијски процеси одвијају се у воденој средини. Већина живих бића садржи 70–80% Х ₂ О по тежини.

Осим тога, вода игра значајну улогу у процесу фотосинтезе. Биљке користе зрачну енергију Сунца да претворе воду и угљен-диоксид у угљене хидрате: 6ЦО ₂ + 6Х ₂ О + 672 кцал → Ц ₆ Х ₁₂ О ₆ + 6 ₂ . Фотосинтеза је најосновнија и најважнија хемијска реакција на Земљи. Он обезбеђује хранљиве материје, директно или индиректно, свим живим организмима и главни је извор атмосферског кисеоника.

Ненормална својства воде и њихови узроци

Способност елемената да формирају једињења зависи од способности њихових атома да донирају или прихватају електроне. Елементи првог типа постају позитивно набијени иони (катиони), а другог типа - негативно набијени аниони.

Способност неког елемента да ступи у интеракцију са другим елементима у формирању једињења назива се валенца. То одговара броју примљених или одвојених електрона. За неорганска једињења, алгебарска сума валентних бројева елемената је нула. Назива се електростатичка привлачност супротно наелектрисаних јона да би се формирало једињење ионска веза.

Елементи који формирају воду (водоник и кисеоник) постоје одвојено у Х ₂ и О ₂ молекулима који садрже по два атома. Они се држе заједно разменом електронског пара у хемијској вези названој ковалентна веза. Много је јачи од иона. Два атома заједно ковалентна веза формирају много стабилнији молекул него његови саставни делови. У њему се водоник спаја кисиком преко уобичајених електронских парова. Ова јединствена расподела електрона у добијеном хемијском једињењу узрокује да се Х-атоми позиционирају у односу на О под углом од 104,5 °.

Ненормалне физичке особине воде објашњавају се структуром и хемијском везом.

Атом кисеоника има релативно снажан ефекат на укупан пар електрона, тако да атоми водоника постају електропозитивни, а атом кисеоника електронегативни регион. Пошто су позитивно и негативно наелектрисане области неравномерно распоређене у односу на централну тачку, молекул воде је поларан.

Таква његова природа чини да постане електростатички привлачна за друге молекуле Х ₂ О, као и за јоне и контактне површине са наелектрисаним подручјима. Електропозитивни атоми водоника привлаче електронегативни атоми кисеоника суседних молекула воде. Овај феномен се назива водонична веза. Његова снага је само око 10% ковалентна, али је одговорна за већину аномалних физичких својстава воде. То укључује високе температуре смрзавања и кључања, топлотни капацитет, специфичну топлоту топљења и испаравања, топљивост и површинску напетост.

Водонична веза је одговорна за одржавање интегритета молекуле Х ₂ О током хемијских реакција. Док се друга једињења подвргавају јонизацији, сама вода задржава свој хемијски интегритет. Само релативно мали број молекула се јонизује у водоничне и хидроксилне јоне. Према томе, Х ₂ О је релативно лош проводник електричне струје. Специфична отпорност теоретски чисте воде износи 18,3 МΩ цм, док отпорност на пиће има специфичан отпор мањи од 10 000 охм цм. На овај начин лако можете проверити чистоћу Х2О.

Аномалне особине воде објашњавају се присуством водикових веза, због чега постоји мала густина леда. Уз њих се током замрзавања налазе и молекули, што доводи до ширења супстанце. Из тог разлога, лед лебди на површини воде. Повећани притисак снижава тачку топљења. Притисак који ствара оштрица клизаљке утапа лед, стварајући слој који пружа елегантно клизање. Чак и при екстремно ниским температурама, слаби притисак цристал латтице. То је разлог зашто се огромне ледене масе, као што су глечери, постепено крећу.

Диполни момент

Поларна природа молекула воде чини га оријентисаним у електричном или магнетном пољу. Електронегативни атом кисеоника је поравнат са позитивним полом, а електропозитивни атоми водоника - у негативном правцу. Вода има изузетно велики диполни моменат, који је продукт удаљености између набоја помножене са износом набоја.

Диелектрична константа је друго својство повезано са диполним моментом. Молекули воде поравнавањем у електричном пољу имају тенденцију да га неутралишу и стварају отпорност на пренос електростатичког набоја. Диелектрична константа супстанце се одређује помоћу ε у једначини Ф = К1 2 К2 / ε ∙ р ² , где је Ф сила између два набоја К, подељена растојањем р у медијуму.

Како диелектрична константа расте, сила између набоја се смањује. Висока диелектрична константа смањује атрактивну силу јона, што објашњава аномалне хемијске особине воде да раствори широк спектар супстанци.

Закључак

За људе, вода је уобичајена супстанца која се често узима здраво за готово. Упркос чињеници да су аномална својства воде објашњена на атомском нивоу, њен значај је заиста велик. Очигледно, неопходно је за постојање живота на Земљи. Укратко речено, абнормална својства воде омогућавају да послужи као посредник хемијских и биохемијских процеса, да обликује наше природно окружење и да учествује у стварању климе и времена.