Формула молекулы воды: Молекулярная формула воды — советы, обзор темы, интересные факты от экспертов в области фильтров для воды интернет магазина Akvo

Все, что вам нужно знать о молекуле воды

Вода — это элемент, который нам нужен для жизни и для того, чтобы на Земле существовала жизнь такой, какой мы ее знаем сегодня. В молекула воды Он состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, соединенных ковалентной связью. Это означает, что два атома водорода и один атом кислорода объединены благодаря тому, что они разделяют электроны между собой. Формула молекулы воды — h3O. Молекула воды обладает многими характеристиками, и именно благодаря ей существует множество процессов, которые приводят к развитию жизни.

Поэтому мы собираемся посвятить эту статью, чтобы рассказать вам все, что вам нужно знать о молекуле воды.

Индекс

• 1 Анализ молекулы воды
• 2 Взаимодействия между молекулами
• 3 Свойства молекулы воды

Анализ молекулы воды

Если мы проанализируем эту молекулу, то увидим, что угол присоединения ковалентной связи между водородом и кислородом от 104. 5 градусов. Это может быть достигнуто с помощью спектроскопического и рентгеновского анализа. Среднее расстояние между атомами водорода и кислорода составляет 96.5 пм или, что то же, 9.65 • 10-8 миллиметров.

Эти расстояния нельзя сравнивать ни с чем, что может видеть человеческий глаз. Расположение электронов в молекуле воды — это то, что передает электрическую асимметрию, поскольку существует разный уровень электроотрицательности между водородом и кислородом. Мы называем электроотрицательность способность атома притягивать электроны, которые связаны ковалентной связью. Мы помним, что ковалентная связь — это связь между двумя неметаллическими атомами.

Поскольку кислород имеет большую электроотрицательность, чем водород, электроны с большей вероятностью будут ближе к атому кислорода, чем к водороду. Это потому, что электроны заряжены отрицательно. Тот факт, что электроны переходят в основном к атомам кислорода, придает атому водорода определенный положительный заряд. Этот заряд называется положительным частичным зарядом. Кислород называется отрицательным частичным зарядом.

Разница между положительными и отрицательными электронами, которые находятся рядом с обоими атомами, делает молекулу воды полярной молекулой. То есть у молекулы есть часть с отрицательным полюсом, а другая часть с положительным полюсом. Хотя вся молекула нейтральна, именно от этого полярного характера происходят все ее физико-химические и биологические свойства.

Взаимодействия между молекулами

Когда несколько молекул воды находятся очень близко друг к другу, они могут установить сцепление между атомами кислорода в молекулах по отдельности. Это потому, что кислород имеет отрицательный частичный заряд, а один из атомов водорода имеет положительный частичный заряд. Следовательно, положительная часть одной молекулы воды притягивается к отрицательной части другой молекулы воды. Такой тип взаимодействия между молекулами называется источником водорода. В этих молекулах это происходит часто, поскольку они упорядочены таким образом, что каждая молекула воды способна присоединиться к еще 4 молекулам. Такое взаимодействие происходит со льдом.

Связи между атомами водорода происходят благодаря тому, что существует атом с отрицательным частичным зарядом и водород с положительным частичным зарядом. Это делает ссылки не уникальными для воды. Эти связи взаимодействия также встречаются в азоте, фторе и водороде в других молекулах, содержащих белки и ДНК.

Посмотрим, каковы физико-химические свойства молекулы воды. Среди этих свойств и характеристик можно выделить емкость и растворитель. Нельзя забывать, что универсальным растворителем считается вода. Другой характеристикой молекулы воды является ее высокая удельная теплоемкость и теплота испарения. Он также обладает отличной когезией и адгезией, аномальной плотностью и действует как химический реагент.

Если мы воспользуемся свойствами воды, мы увидим, что она способна диспергировать в ней большое количество соединений благодаря своему полярному характеру. Как мы уже упоминали ранее, хотя вся молекула нейтральна, тот факт, что у нее есть положительная и отрицательная части, — это то, что Он придает физико-химические свойства, ради которых вода так необходима для жизни. Таким образом, он работает с солями и другими ионными веществами, в которых молекула воды ориентирует свои полюса. Эта ориентация полюсов задается как функция зарядов двух ионов, при этом отрицательный полюс находится с одной стороны, а положительный — с другой. Например, с полярными веществами, такими как этанол, вода действует аналогичным образом. Он противопоставляет один полюс другому с противоположным знаком вещества.

Свойства молекулы воды

Молекула воды имеет высокую удельную теплоемкость. Эта удельная теплоемкость — не что иное, как количество тепла, которое необходимо подать на грамм воды, чтобы можно было повысить ее температуру на один градус. С другой стороны, у нас есть теплота испарения. Это количество пара, которое необходимо нанести на грамм жидкости, чтобы он превратился в грамм пара. Мы знаем, что молекула воды имеет высокую удельную теплоемкость и парообразование благодаря связям, соединяющим атомы водорода. То есть, чтобы поднять температуру воды на один градус, все молекулы должны усилить свои колебания. Для этого они разрывают водородные связи, так что они могут передать грамм жидкой воды на грамм водяного пара.

Тот факт, что он имеет высокое значение теплоты испарения, связан с его способностью проходить. Еще одна характеристика молекулы воды — это сплоченность. Вопрос в тенденции к объединению двух молекул. Опять же, благодаря водородным связям молекулы воды, когезия высока. Присоединение тенденция двух разных молекул связываться друг с другом. Это обеспечивает высокую адгезию молекулы воды к ионным и полярным соединениям. Это приложение, которое происходит, когда вода прилипает к разным поверхностям.

Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о молекуле воды.

В «стеснённых условиях» молекула воды меняет свойства

Вода, попав в тесные каналы внутри бериллового кристалла, переходит в особое квантовое состояние с «размазанными» атомами водорода.

В кристаллической решетке берилла присутствуют небольшие пустоты с шестигранным поперечным сечением. У них очень маленький размер – примерно 0,5 нанометра (10^-9 м) в ширину и 0,9 нанометра в длину. Молекула воды в таком небольшом пространстве может разместиться, однако взаимодействие с атомами кристаллической решетки не позволяет ей свободно поворачиваться. Поэтому вода располагается в центре канала, а её атомы водорода остаются повернутыми к одной из шести его граней. Чтобы изменить собственное положение, перейти из одного устойчивого состояния в другое, молекуле воды необходима энергия около 50 мегаэлектронвольт – иными словами, воде нужно преодолеть энергетический барьер.

Структура берилла (красные кружки – атомы кислорода, зеленые – бериллия, синие – кремния, голубые – алюминия). У молекул воды шестью розовыми кружками показаны все возможные положения атомов водорода. (A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

Рассчитанная плотность зарядов для протона. Желтым цветом показана самая высокая плотность, синим – самая низкая (A. I. Kolesnikov et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

‹

›

Открыть в полном размере

Однако в микромире существует квантовое явление, названное туннельным эффектом – когда частица переходит в другое состояние, даже если ей не хватает энергии. Например, туннельный эффект имеет место при альфа-распаде радиоактивных атомов, когда альфа частица покидает ядро атома, преодолевая барьер, созданный ядерными силами. В случае с водой, заключённой в берилловом кристалле, такой эффект позволяет атомам в молекуле переходить из одного положения в другое, как бы поворачивая ее. Но это не классический поворот, поскольку молекула переходит из одного положения в другое скачком, минуя промежуточные состояния.

О том, что молекула воды может так вести себя в кристалле берилла, впервые несколько лет назад сообщили российские физики, анализировавшие спектры терагерцового излучения молекулы воды. Ее прыжки между состояниями приводят к появлению в спектре нескольких энергетических уровней вместо одного. Но прямых экспериментальных доказательств такого поведения у исследователей тогда ещё не было.

Американские физики из национальной лаборатории Oak Ridge (США) под руководством бывшего сотрудника Института твердого тела РАН Александра Колесникова исследовали рассеяние нейтронов при низких температурах (5-50 градусов Кельвина) на кристалле берилла, содержавшего воду.

Для интерпретации полученных результатов они провели компьютерное моделирование. Эксперимент показал, что молекула воды непрерывно туннелирует между всеми шестью возможными ориентациями. Атомы водорода при этом не находятся в определенном  месте пространства – они «размазаны» вокруг центрального атома кислорода, находясь во всех шести состояниях одновременно. Их плотность заряда представляет собой волнистое кольцо. Об особом квантовом состоянии воды в кристаллической ловушке исследователи рассказали в статье, опубликованной в журнале в журнале Physical Review Letters.

Такое размытие, или «делокализация» атомов водорода изменяет свойства молекулы воды. В обычном состоянии она несимметрична, поскольку оба атома водорода расположены по одну сторону от атома кислорода. Из-за этого молекула воды поляризована – со стороны атомов водорода она имеет положительный заряд, а со стороны кислорода – отрицательный. Другими словами, она обладает дипольным моментом, который определяет электрические и термодинамические свойства воды, а также  ее способности служить эффективным растворителем. В берилле дипольный момент у молекул воды исчезает из-за размазанности водорода.

Исследователи полагают, что подобное туннелирование имеет место и в других ситуациях, когда вода находится в сильно «стесненных» условиях. Так что результаты данной работы помогут лучше понять диффузию воды, ее транспорт в каналах клеточных мембран, углеродных нанотрубках и геологических средах.

(Для справки. Химическая формула минерала берилл Be₃Al₂Si₆O₁₈. Некоторые его разновидности являются драгоценными камнями, например изумруд и аквамарин. Окраска этих камней определяется примесями.)

По материалам Oak Ridge National Laboratory 

ученых Стэнфордского и Стокгольмского университетов доказывают, что вода
молекулы сцепляются друг с другом слабее, чем раньше
мысли

Ученые Стэнфордского и Стокгольмского университетов
показывают, что молекулы воды сцепляются друг с другом слабее, чем
раньше думал

ДЭВИДА КАСТЕЛЬВЕЧКИ

Физик древности называл его одним из фундаментальных
элементы; третьеклассники знают его химическую формулу; и все известное
формы жизни нуждаются в нем для существования. Что же такое вода на самом деле?
по крайней мере, в жидкой форме — до сих пор в значительной степени остается загадкой.
Команда под руководством ученых Стэнфордского синхротронного излучения
Лаборатория (SSRL) и Стокгольмский университет в настоящее время достигли
прорыв в понимании структуры жидкой воды. Они
обнаружили, что молекулы воды слипаются гораздо слабее, чем раньше.
мысль.

На этой схеме молекула воды во льду
форма (слева) окружена четырьмя другими молекулами воды. Новый
Находка о жидкой воде показывает, что молекулы связаны
только с двумя другими. Это означает, что большинство молекул расположены
в сильно связанных водородными связями кольцах (в центре) или цепочках
(Правильно).

Результаты были опубликованы 1 апреля в журнале Science .
сайт предварительной публикации. «Результаты переворачивают 20-летнюю
исследования в области физической химии воды», — говорит руководитель группы
Андерс Нильссон, физик-химик из Stanford Linear
Ускорительный центр (SLAC). «Это будет большой шок в
целое поле»

SSL является подразделением SLAC, Министерства энергетики США.
(DOE) объект, управляемый Стэнфордским университетом. Проект был
сотрудничество между исследователями из SSRL Стокгольмского университета,
Линчёпингский университет (Швеция) и Утрехтский университет
(Голландия).

Как следует из формулы h3O, каждая молекула воды состоит из двух
атомов водорода и одного кислорода. Во льду молекулы воды
расположены в кристаллической структуре, где каждая молекула обычно
связаны с четырьмя другими через то, что химики называют водородными связями. В
водородная связь, электростатические силы склеивают водород
атом одной молекулы с атомом кислорода другой
молекула. Кислород может образовывать две водородные связи, поэтому молекула может
ссылка на целых четыре других — с двумя ссылками через его кислород
и по одному через каждый из его атомов водорода.

Хотя они в 10 раз слабее ковалентных связей внутри
самой молекулы, водородные связи между молекулами по-прежнему занимают
много энергии, чтобы разрушиться — вот почему лед тает так медленно. Даже
в жидкой воде молекулы большую часть времени проводят в слипшихся
вместе водородными связями, хотя и не в статическом порядке, как в
лед. «Водородные связи в жидкой воде образуются и рвутся очень быстро, на
порядок каждой пикосекунды (одна триллионная секунды)», — говорит
Физик SLAC Уве Бергманн, соавтор исследовательской работы.
эфемерным узорам, образующимся при соединении в жидкости, еще далеко до
от понимания, но считается ответственным за
особые свойства воды, в том числе ее относительно высокая температура кипения
точка, его высокая вязкость и, что не менее важно, его способность
поддерживать химические реакции внутри живой клетки.

В течение последних 20 лет исследователи пришли к единому мнению.
что в любой момент времени молекула воды обычно образует три
или четыре водородные связи — в среднем 3,5. «Что мы находим», Бергманн
говорит, «в том, что водородных связей не 3,5, а только 2». Каждый
Молекула все еще может образовывать до четырех связей, как показывают исследования.
но два были бы другого, гораздо более свободного вида.

Авторы отмечают, что более ранняя оценка 3,5 была основана
на теоретических предположениях, которые стали общепринятыми, потому что,
при применении в компьютерном моделировании они давали согласованные результаты.
с известными свойствами воды, такими как необычно большое количество
энергии, необходимой для ее нагрева. «Никому нечего было
возражать против господствующей модели, поэтому она стала истиной», — Нильссон.
говорит.

Но трудность «увидеть» настоящие молекулы в действии
означало отсутствие реальных данных. «На самом деле не было нового
экспериментальная информация о воде за последние 20 лет, кроме
для данных нейтронных исследований, — говорит Нильссон. — Удивительно,
что почти ничего не известно об уникальных свойствах жидкости
вода.»

Новый результат снова открывает поиск структуры жидкости.
вода. «Он воскрешает модели, которые считались неуместными»,
— говорит Бергманн. Одна из возможностей, по его словам, состоит в том, что молекулы воды
могли располагаться цепями или даже сомкнутыми кольцами. В конце концов,
результатом может быть лучшее понимание химии
клетка, которую, как известно, трудно имитировать с помощью различных жидкостей.
«Ни у кого нет четкого ответа на вопрос, почему вода необходима для жизни»,
— говорит Нильссон.

Исследование было первым, в котором была применена методика, называемая рентгеновским излучением.
спектроскопии поглощения к локальной структуре воды.
методика, разработанная ССРЛ, среди прочих лабораторий, бомбардирует
материал с рентгеновскими лучами, точно настроенными для возбуждения определенных
электроны в структуре молекулы. Тщательное измерение
рассеянное излучение выявляет движения возбужденных электронов,
которые, в свою очередь, показывают, какие молекулы связей формируются.
В экспериментах использовались интенсивные источники рентгеновского излучения в Аргоннском национальном
Лаборатория и Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли, обе
которые являются объектами DOE.

Сейчас команда работает над несколькими проектами по расширению
полученные результаты. «Мы хотим изучать воду в целом диапазоне давлений и
температуры», — говорит Бергманн. SPEAR3, недавно модернизированный SSRL,
ультрасовременный источник рентгеновского излучения, официально открытый 29 января,
быть идеальным местом для этого. «Мы предлагаем построить новый объект на ул.
SPEAR3, где структура воды была бы большой частью
научный драйв», — говорит он.

«Вода покрывает большую часть земной поверхности, присутствует в
всех форм жизни и, возможно, является самым важным природным
ресурс для человечества. Несмотря на известность и годы
тщательного изучения, вода все еще может преподнести замечательные сюрпризы», — говорит
Патриция Демер, директор Управления базовой энергетики Министерства энергетики США
наук. «Это сотрудничество… дало новое понимание
молекулярная связь в жидкой воде».

Помимо Нильссона и Бергманна, другие ученые SLAC
в пятилетнем сотрудничестве участвуют Филипп Верне (первый
автор статьи, сейчас в лаборатории BESSY в Берлине),
Хирохито Огасавара и Ларс Наслунд.

Национальный научный фонд США, Министерство энергетики, Национальные институты
здравоохранения и Шведского фонда стратегических исследований и
Шведский совет по естественным наукам поддержал
исследовательская работа.

Давиде Кастельвекки — стажер-писатель в
Стэнфордский центр линейных ускорителей.

Количество молекул воды — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Эд Витц, Джон В. Мур, Джастин Шорб, Ксавьер Прат-Ресина, Тим Вендорф и Адам Хан
• Электронная библиотека химического образования (ChemEd DL)

Согласно атомной теории, атомы являются единицами химических реакций. Формула H ₂ O указывает на то, что каждая молекула этого вещества содержит один атом кислорода и два атома водорода. Следовательно, если мы спросим, ​​сколько водорода требуется для получения данного количества воды, ответ будет таков: два атома водорода на каждый атом кислорода или два атома водорода на молекулу. Другими словами, то, сколько вещества у нас есть, очень важным образом зависит от того, сколько атомов или молекул присутствует.

До сих пор мы имели дело с массовыми отношениями. Есть ли способ преобразовать массы атомов в число атомов, чтобы легко увидеть, сколько одного элемента будет реагировать с другим, просто взглянув на необходимое количество атомов?

«Сколько?» в указанном выше смысле количество присутствующих атомов или молекул не то же самое, что их количество в терминах объема или массы.