Свойства воды | Структура, плотность и молекулы

Молекула воды

Наличие воды делает возможным существование жизни на Земле. Без нее не смогли бы выжить все растения и организмы. Вода также регулирует температуру в атмосфере благодаря своей способности поглощать большое количество тепла. Облака и ледяные щиты отражают тепло в космос, предотвращая чрезмерное нагревание планеты. Более того, водяной пар в атмосфере также служит одеялом, удерживающим тепло и позволяющим поверхности Земли иметь сбалансированную температуру. Все эти процессы можно проследить до молекулярной структуры и свойств воды.

Молекула воды имеет простую структуру. Ее химическая формула — H₂O, что указывает на то, что она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Взаимное распределение электронов между водородом и кислородом образует ковалентную связь в молекуле воды (рис. 1). Изогнутая структура молекулы H₂O обусловлена ​​наличием дополнительных неспаренных электронов кислорода, что позволяет воде иметь немного разный заряд на каждом конце.

На диаграмме показано распределение электронов между атомами кислорода и водорода.

Рисунок 1. Ковалентная связь между атомами кислорода и водорода.

Водородная связь воды

Как упоминалось в предыдущем разделе, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Каждый атом водорода ковалентно связан с кислородом через общую пару электронов. С другой стороны, у кислорода остаются две неподеленные пары на одной из сторон. Между частично положительно заряженным атомом водорода одной молекулы воды и частично отрицательно заряженным атомом кислорода другой возникает слабое электростатическое притяжение (рис. 2). Это то, что образует водородную связь.

Водородные связи делают воду «липкой» к другим молекулам воды и молекулам других веществ. Они немного слабее ковалентных связей, но вносят значительный вклад в уникальные свойства воды.

На диаграмме показаны водородные связи между молекулами воды.

Рисунок 2. Водородные связи в воде.

Свойства воды

Каковы свойства воды? Большинство уникальных свойств воды обусловлены ее водородными связями. Эти свойства включают ее способность растворять большинство веществ, низкую плотность в твердой фазе, высокую когезию и адгезию, а также высокую удельную теплоту и теплоту испарения. Узнайте о них и других химических свойствах воды в следующих разделах.

Структура воды

Молекула воды имеет характерную изогнутую структуру, обусловленную наличием двух пар неподеленных электронов во внешней оболочке атома кислорода. Обратите внимание, что каждый из двух других электронов кислорода притягивается к атому водорода с дефицитом электронов. Как уже говорилось, молекулы воды притягиваются к другим молекулам воды посредством водородных связей. Они образуются, когда расширенная неподеленная пара электронов в атоме кислорода притягивается к слегка положительному атому водорода соседней молекулы. Угол связи между одним атомом водорода и двумя атомами кислорода составляет около 105 °, что сохраняет полярность молекулы воды и позволяет избежать разрыва кислородно-водородных связей.

На диаграммах показана изогнутая структура молекулы воды.

Рисунок 3. Молекулярная структура воды

Вода образует кристаллическую структуру при более низких температурах. При этих температурах шесть атомов кислорода образуют тесно взаимосвязанную гексагональную структуру, поскольку водородные связи постоянно соединяются. Поскольку молекулы воды при замерзании занимают больше места, лед становится менее плотным, чем жидкая вода.

Полярность воды

Полярность воды обусловлена ​​неравномерным распределением электронной плотности в ее молекулярной структуре. Молекула воды имеет частичный положительный заряд вблизи атомов водорода и частичный отрицательный заряд в неподеленных парах электронов кислорода. Такая полярность молекул воды делает ее универсальным растворителем. Например, вода помогает разделять ионные соединения, окружая ионы и уменьшая их электростатическую силу.

Поверхностное натяжение, когезия и адгезия также уменьшались бы без изменения полярности молекул воды. Это уменьшит «липкость» воды и повлияет, например, на ее транспортировку в растениях. Более того, водородные связи не будут образовываться, а вода будет испаряться при температуре -90,4°F (-68°C), оставляя Землю безжизненной.

Плотность воды

Плотность – это соотношение массы и объема вещества. Она количественно определяет степень компактности объекта. Более плотные объекты более компактны и имеют тенденцию тонуть, тогда как менее плотные объекты, всплывут. Плотность также зависит от температуры: чем выше температура, тем менее плотным становится объект, и наоборот.

Однако вода обладает уникальным свойством плотности. Ее водородные связи делают твердый лед менее плотным, чем жидкая вода, и позволяют льду плавать (рис. 4). При температуре 32°F (0°C) плотность льда составляет 0,99987 г/см³, а плотность воды при комнатной температуре составляет 0,99802 г/см³. В наиболее плотном состоянии он находится при температуре 39°F (4°C). Ориентация водородных связей в молекулах воды во льду создает регулярную кристаллическую структуру, позволяющую им слегка расширяться и, следовательно, иметь меньшую плотность. С другой стороны, жидкая вода имеет более хаотичное и компактное расположение.

На изображении изображен большой айсберг, плавающий по воде.

Рисунок 4. Айсберг, плавающий на воде

Это уникальное свойство предотвращает замерзание водоемов зимой. Вода тонет с максимальной плотностью при температуре 4°C, тогда, как менее плотный твердый лед плавает. Даже если поверхность озера замерзнет, ​​вода под ним останется в жидком виде. Ледяной покров также помогает изолировать воду под ним, позволяя рыбам и другим организмам выжить.

Удельная теплоемкость воды

Удельной теплоемкостью называют тепло, необходимое для повышения температуры одного грамма вещества на один градус Цельсия. Удельная теплоемкость воды составляет 1 кал/г°C (4186 Дж/кг°C), что делает ее одной из самых сложных жидкостей для нагрева или охлаждения. Для сравнения, удельная теплоемкость масла составляет 0,5 кал/г°С, а у алюминия — 0,2 кал/г°С. Высокая удельная емкость воды обусловлена ​​наличием водородных связей в молекулах воды. Требуется много энергии, чтобы заставить их достаточно вибрировать и разрушить эти водородные связи.

Высокая удельная теплоемкость воды помогает смягчать температуру поверхности Земли. Водоемы поглощают большое количество энергии, не становясь при этом слишком горячими. Затем они медленно высвобождают энергию ночью. Следовательно, температура на поверхности не меняется в широких пределах. Высокая удельная теплоемкость также объясняет, почему в прибрежных районах не наблюдаются резкие изменения температуры по сравнению с более удаленными внутренними районами.

Теплота испарения воды

Теплота испарения — это энергия, необходимая для превращения одного грамма жидкого вещества в газ. Теплота испарения воды составляет 540 кал/г (41 кДж/моль). При температуре 212°F (100°C) всё тепло, поглощаемое водой, уходит на разрыв большей части водородных связей в молекулах воды. Некоторые молекулы приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы покинуть поверхность воды и перейти в газообразную фазу.

Высокая теплота испарения позволяет воде оказывать значительное охлаждающее воздействие на окружающую среду, в которой происходит процесс. Например, потоотделение позволяет организмам охлаждаться и поддерживать сбалансированную температуру. Более того, водяной пар в атмосфере служит парниковым газом, который не дает теплу уходить в космос.

Когезионные и адгезионные свойства воды

Когезия и адгезия связаны с «липкостью» молекул воды. Однако когезия конкретно относится к притяжению между молекулами воды благодаря водородным связям. Это свойство позволяет воде выдерживать разрыв при напряжении, что объясняет, как образуются капли воды и почему стакан с водой можно наполнить до краев, не расплескивая.

Адгезия, с другой стороны, предполагает способность молекул воды притягиваться к молекулам других веществ. Это более очевидно, когда молекулы воды вступают в контакт с заряженными поверхностями, например, внутри стекла или капиллярных трубок. Это объясняет, почему вода по бокам трубки кажется выше, чем в середине (рис. 5). Движение воды без посторонней помощи, а иногда и против силы тяжести называется капиллярным действием. Это результат как когезии, так и прилипания.

Изображение показывает капиллярное действие воды в пробирках разных размеров.

Рисунок 5. Капиллярное действие

Когезия и адгезия имеют решающее значение для транспортировки воды и растворенных питательных веществ от корней растений к листьям. Когда молекулы воды на поверхности листьев испаряются, их когезивные и адгезионные свойства создают «притяжение» толщи воды, позволяя растениям получать столь необходимую жидкость и питательные вещества.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение — это свойство поверхности жидкости, которое позволяет ей сопротивляться растяжению или разрушению. Оно количественно определяет силу, необходимую для разрыва «оболочки» на поверхности воды.

За исключением ртути, вода обладает самым высоким поверхностным натяжением среди всех жидкостей. Это стало возможным благодаря водородным связям между молекулами воды, постоянно притягивающим их в различных направлениях. Однако над поверхностью жидкости нет соседних молекул, что означает, что молекулы воды притягиваются только сбоку и под поверхностью. В результате молекулы воды удерживаются вместе очень плотно.

Поверхностное натяжение позволяет небольшим предметам (например, иголкам и скрепкам) плавать на поверхности воды. Крошечные насекомые, такие как водоносы, также могут ходить по воде, потому что их веса недостаточно, чтобы пробить поверхность (рис. 6). Поверхностное натяжение также важно для поддержания сферической формы пузырьков и капель воды.

На изображении изображена водомерка на поверхности воды.

Рисунок 6. Водомерка на поверхности воды

Краткие итоги урока

Уникальные свойства воды обусловлены ее молекулярной структурой. Он имеет изогнутую молекулярную структуру, состоящую из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Дополнительные неспаренные электроны кислорода придают ему слегка отрицательный заряд с одной стороны и слегка положительный заряд вблизи атомов водорода. Эта полярность позволяет образовывать водородные связи между молекулами воды. Это слабое электростатическое притяжение между отрицательно заряженным атомом кислорода одной молекулы воды и электронодефицитным атомом водорода другой. Эти водородные связи делают воду «липкой» и обладают рядом уникальных свойств.

Некоторые из свойств воды, непосредственно связанных с ее водородными связями, включают следующее:

  • Кристаллическая структура льда делает его менее плотным, чем вода. Водородные связи слегка расширяются при замерзании воды, уменьшая плотность твердого льда по сравнению с жидкой водой.
  • Вода обладает высокой удельной теплоемкостью (1 кал/г°C), что затрудняет изменение ее температуры. Это объясняет, почему город, расположенный недалеко от Тихого океана, не испытывает значительных колебаний температуры по сравнению с внутренними районами.
  • Вода обладает когезионными и адгезионными свойствами. Как когезия, так и адгезия способствуют движению воды вверх по узкой пластиковой трубке. Способность воды перемещаться против силы тяжести в узком пространстве называется капиллярным действием.
  • Она также обладает высокой теплотой испарения. Это означает, что для превращения жидкой воды в газ требуется много энергии.
  • Вода также обладает высоким поверхностным натяжением. Это относится к способности поверхности воды сопротивляться растяжению или разрыву из-за ее водородных связей.

Эти свойства делают воду одним из важнейших требований для жизни на Земле. Он регулирует температуру планеты и позволяет растениям и животным выжить.

Поделитесь материалом
Автор статьи: Нина Щенникова
Нина Щенникова
Специалист в области влияния биологических процессов на психические функции. Занимаюсь исследованиями, связанными с взаимодействием биологических и социологических аспектов человеческого организма.
Нина Щенникова опубликовал статей: 28

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *