Молекула воды строение: Распространение воды в природе. Строение молекул воды — урок. Химия, 9 класс.

Сибирские учёные разработали эффективный метод для изучения молекул воды

30 января, 2018 21:45

Источник:

Наука в Сибири

Структура воды, несмотря на многочисленные исследования, продолжает вызывать интерес учёных. Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск) и Института сильноточной электроники СО РАН (г. Томск) решили изучить молекулы воды методами широкополосной терагерцовой спектроскопии. Статья об этом вышла в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 

Поделиться

Вода — один из самых важных элементов на Земле. В молекулу воды входит два атома водорода. Ядро каждого из атомов — протон — имеет специфическое физическое свойство, которое называется спин. Молекула воды, в которой спины двух протонов сонаправлены, называется ортоизомером. Если же они направлены навстречу друг другу, то мы имеем дело с параизомером.

«Наше знание о свойствах спиновых изомеров воды ещё не полно, — поясняет один из авторов статьи кандидат технических наук Александр Анатольевич Мамрашев. — Эти два вида молекул имеют почти идентичные физические и химические свойства, поэтому их трудно отделить друг от друга. Также трудно осуществить превращение одного изомера в другой. В нормальных условиях концентрации изомеров молекул воды относятся как 3:1. Основная задача в рамках гранта Российского научного фонда № 17-12-01418, который мы сейчас выполняем, — изменить это отношение в ту или другую сторону, создав тем самым обогащение одного из изомеров. Далее можно будет исследовать свойства и применения спиновых изомеров воды».

Чтобы следить за концентрацией каждого из изомеров, необходим эффективный метод их детектирования. Учёные ИАиЭ СО РАН и ИСЭ СО РАН разработали эффективный метод измерения содержания орто- и параизомеров паров воды, присутствующих в воздухе. Дело в том, что спектры поглощения этих видов молекул отличаются друг от друга: следуя законам квантовой статистики, два изомера воды находятся в различных вращательных состояниях, и это проявляется в инфракрасных и терагерцовых спектрах поглощения.

Для измерения спектров поглощения на вещество направляется поток излучения, часть которого проходит практически без взаимодействия с субстанцией, а часть поглощается ею. В данном исследовании специалисты использовали импульсное терагерцовое излучение и спектрометр, который позволяет измерять поглощение в широком диапазоне частот от 0,1 до 2,7 ТГц. Измеряя величину поглощения отдельных линий, принадлежащих орто- и пара-h3O, в терагерцовом диапазоне, можно определить концентрацию молекул каждого из изомеров.

Преимуществом разработанного метода по сравнению с методами классической узкополосной спектроскопии является возможность одновременного измерения нескольких линий поглощения молекул воды в одинаковых физических условиях без перестройки частоты излучения.

Процедура измерения отношения орто- и параизомеров молекул воды включала следующие этапы. С помощью созданного в лаборатории информационной оптики ИАиЭ СО РАН широкополосного спектрометра измерялись терагерцовые спектры в двух средах: в чистом азоте при атмосферном давлении и в воздухе, содержащем пары воды. Их сопоставление давало экспериментальный спектр поглощения паров воды, который сравнивался с теоретическим, рассчитанным с использованием данных из международной базы HITRAN.

Сопоставление теоретических спектров с экспериментальными позволило определить отношение концентраций орто- и параизомеров молекул воды. По измерениям в диапазоне 0,15—1,05 ТГц их отношение составило 3,03±0,03. Полученное значение согласуется с теоретическим значением, равным 3 в равновесных условиях.

Результат доказывает работоспособность предложенного метода и открывает перспективы его использования для исследования обогащения ядерных спиновых изомеров молекул воды в газовой фазе. Обогащенные изомеры могут найти применение в задачах магнитной томографии и для исследования процессов с участием молекул воды в космосе.

Теги

СМИ о Фонде, Физика и космос

Молекула воды: строение в различных агрегатных состояниях

Содержание

1. Модель строения воды
2. Строение молекулы в различных агрегатных состояниях воды
3. Твердое состояние воды
4. Жидкое состояние воды
5. Состояние газа
6. Агрегатные состояния воды — переходные процессы
7. Вода всегда вокруг нас
8. Какие существуют 3 состояния воды в природе?
9. Лёд – вода в твёрдом виде
10. Химические названия
11. Происхождение воды на планете
12. Образование воды
13. Наука о воде
14. Значение на Земле
15. Эмпирическое правило Клечковского
16. Органолептические свойства воды
17. Вкус
18. Запах
19. Цветность воды
20. Мутность

Модель строения воды

Молекула воды включает два атома водорода (Н) и один атом кислорода (О). Элементы, из которых состоит жидкость, определяют всю функциональность и особенности. Модель молекулы воды имеет форму треугольника. Вершину этой геометрической фигуры представляет крупный элемент кислорода, а внизу находятся небольшие атомы водорода.

Молекула воды обладает двумя положительными и двумя отрицательными полюсами зарядов. Отрицательные заряды формируются из-за излишка электронной плотности у атомов кислорода, а положительные – из-за нехватки электронной плотности у водорода.

Неравномерное распределение электрических зарядов создает диполе, где диполярный момент составляет 1,87 дебай. Вода обладает способностью растворять вещества, поскольку ее молекулы пытаются нейтрализовать электрическое поле. Диполя приводят к тому, что на поверхности погруженных в жидкость веществ становятся слабее межатомные и межмолекулярные связи.

Вода отличает большой устойчивостью при растворении прочих соединений. В обычных условиях из 1 млрд молекул только 2 распадаются, а протон переходит в строение иона гидроксония (образуется при растворении кислот).

Вода не меняет свой состав при взаимодействии с другими веществами и не влияет на структуру этих соединений. Такая жидкость считается инертным растворителем, что особо важно для живых организмов. Полезные вещества поступают к различным органам через водные растворы, поэтому важно, чтобы их состав и свойства оставались неизменными. Вода сохраняет в себе память о растворенных в ней веществах и может применяться многократно.

Каковы особенности пространственной организации молекулы воды:

• Соединение проводится противоположными зарядами;
• Появляются межмолекулярные водородные связи, которые исправляют электронную неполноценность водорода с помощью дополнительной молекулы;
• Вторая молекула фиксирует водород по отношению к кислороду;
• Благодаря этому образуются четыре водородные связи, которые могут контактировать с 4 соседями;
• Такая модель напоминает бабочку и имеет углы равные 109 градусам.

Атомы водорода соединяются с атомами кислорода и образуют молекулу воды с ковалентной связью. Водородные соединения более сильные, поэтому, когда они разрываются, то молекулы присоединяются к другим веществам, способствуя их растворению.

Прочие химические элементы, в состав которых входит водород, замерзают при -90 градусах, а закипают при 70 градусах. Но вода становится льдом, когда температура достигает нуля, а закипает при 100 градусах. Чтобы объяснить такие отклонения от нормы, требуется разобраться, в чем особенность строения молекулы воды. Дело в том, что вода – это ассоциированная жидкость.

Это свойство подтверждается и большой теплотой парообразования, что делает жидкость хорошим энергоносителем. Вода – отличный регулятор температуры, способен нормализировать резкие перепады этого показателя. Теплоемкость жидкости повышается, когда ее температура 37 градусов. Минимальные показатели соответствуют температуре человеческого тела.

Относительная молекулярная масса воды составляет 18. Рассчитать этот показатель достаточно легко. Следует заранее ознакомиться с атомной массой кислорода и водорода, которая равна 16 и 1 соответственно. В химических задачах нередко встречается массовая доля воды. Этот показатель измеряется в проценте и зависит от формулы, которую требуется рассчитать.

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях воды

В жидком состоянии молекула воды состоит из моногидроля, дигидроля и тригидроля. Количество этих элементов зависит от агрегатного состояния жидкости. Пар включает одну H₂O – гидроль (моногидроль). Две H₂O обозначают жидкое состояние – дигидроль. Три H₂O включает лед.

Агрегатные состояния воды:

1. Жидкое. Между одиночными молекулами, которые связаны водородными связями, располагаются пустоты.
2. Пар. Одиночные H₂O никак не соединяются между собой.
3. Лед. Твердое состояние отличается прочными водородными связи.

При этом существуют переходные состояния жидкости, например, при испарении или замерзании. Для начала требуется разобраться, отличаются ли молекулы воды от молекул льда. Так замерзшая жидкость имеет кристаллическую структуру. Модель льда может иметь форму тетраэдр, тригональной и моноклинной сингонии, куба.

Обычная и замерзшая вода отличаются плотностью. Кристаллическая структура приводит к меньшей плотности и увеличению объема. Основное различие между жидким и твердым состоянием – это количество, сила и разновидность водородных связей.

Состав не меняется ни в одном агрегатном состоянии. Отличается строение и движение составных частей жидкости, сила связей водорода. Обычно молекулы воды слабо притягиваются друг к другу, размещаются хаотично, поэтому жидкость такая текучая. Лед отличается более сильным притяжением, так как создается плотная кристаллическая решетка.

Многих интересует, одинаковы ли объемы и состав молекул холодной и горячей воды. Важно запомнить, что состав жидкости не меняется ни в одном из агрегатных состояний. Молекулы при нагревании или остывании жидкости отличаются расположением. В холодной и горячей воде разные объемы, так как в первом случае структура упорядоченная, а во втором – хаотичная.

Когда лед тает, то его температура не меняется. Только после того, как жидкость меняется свое агрегатное состояние, показатели начинают подниматься. Для таяния требуется определенное количество энергии, которое называется удельной теплотой плавления или лямбда воды. Для льда показатель равен 25000 Дж/кг.

Твердое состояние воды

Вода в твердом состоянии – это лёд и снег. Некоторые не понимают, к какому агрегатному состоянию воды относится иней. Конечно, к твёрдому! Это мелкая ледяная крошка, замерзшие капли росы.

Твердая – это замороженная вода. Когда она замерзает, ее молекулы отодвигаются подальше друг от друга, делая лед менее плотным, чем жидкость, т.е. вода в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком.

Большинство веществ при снижении температуры сжимается, а вода – расширяется, и в этом ее уникальная особенность.

Замерзает – это значит, что при 0 градусов Цельсия вода кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твердое. Наличие в воде солей снижает температуру замерзания.

На школьных олимпиадах встречается такой интересный вопрос: какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду? Ответ – ртуть, которая начинает плавиться при температуре -39 градусов Цельсия. Понятно, что жидкая ртуть при температуре от -38 до 0 способна заморозить воду, отбирая у нее тепло.

Несмотря на то, что самое распространенное на нашей планете — жидкое состояние воды, значительная ее часть (2/3 всех пресноводных запасов) находится в замороженном виде. Площадь ледников – около 11% всей суши Земли.

Если жидкое состояние пресной воды переходит в твердое при 0 градусов Цельсия, то морская вода средней солености замерзает примерно при -1,8 градусах Цельсия.

Жидкое состояние воды

Вода в жидком состоянии встречается на нашей планете не только в реках и океанах. Облака состоят из крошечных капелек воды и кристалликов льда, и дождь – это тоже жидкая вода.

Также вода в жидком состоянии просачивается через почву и образует подземные водные горизонты, из которых черпается основная масса питьевой воды.

Вода в жидком состоянии отличается высокой прилипчивостью к различным твердым материям. Сама по себе она не является «влажной», но легко делает влажными большинство твердых материалов.

Жидкая вода легко переходит в твердое и газообразное состояние. Главным образом, это зависит от температуры. Но свою роль играет и давление.

Физический переход воды из жидкого состояния в газообразное называется испарением, потому что газообразное состояние воды называется паром.

Как жидкое состояние воды превращается в газообразное? Когда мы кипятим воду, она превращается из жидкости в газ, или водяной пар. Когда его часть остывает, мы видим небольшое облако, которое и называют паром. Хотя, если мы его видим, то это уже жидкое состояние воды, т.е. скопление ее микроскопических капелек.

Пар — это вода в газообразном состоянии, которое образуется, когда вода кипит или испаряется. Настоящий пар невидим; однако слово «пар» часто ошибочно относят к влажному пару, видимому туману, как аэрозолю водяных капель, образующихся при конденсации водяного пара.

И тут всплывает такое понятие, как «точка росы». Это температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности, ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на жидкое.

Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия) или 212°F (градусах Фарингейта), в условиях нормального атмосферного давления. Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.

Состояние газа

Итак, вода в газообразном состоянии – это пар. Утверждение, что большая часть воды в гидросфере находится в газообразном состоянии – не верно.

Не все хорошо себе представляют, в каком состоянии вода способна испаряться. Оказывается, вода в твердом состоянии испаряется так же, как и жидкая, только медленнее! Скорость испарения зависит от температуры. Т.е. в газообразное состояние вода может переходить прямо из твердого, минуя жидкое.

Испаренная с поверхности Земли вода в газообразном состоянии образует облака и тучи

Агрегатные состояния воды — переходные процессы

Процессы перехода воды с одного агрегатного состояния в другое определяются следующим образом:

• Кипение и парообразование — переход воды из жидкого состояния в пар;
• Конденсация — процесс перехода пара в жидкое состояние воды;
• Кристаллизация — переход жидкости в лед;
• Плавление – переход льда в жидкость;
• Сублимация – переход льда прямо в парообразное состояние;
• Десублимация – переход пара сразу в лед, примером может служить иней.

Граничные точки перехода воды в состояния лед/вода и вода/пар определили соответственно как 0 и 100 градусов по Цельсию при условии атмосферного давления 760 мм рт. ст. или 101 325 Па. Всем с детства хорошо известна простая примета, температура за окном опустилась ниже нуля, ждите снега 🙂

Вода всегда вокруг нас

Водный баланс – это основа жизни на нашей планете. Большая её часть на Земле – это океаны и моря. В них сосредоточено 97% данного вещества. Остальные 3 % – это реки, озёра, пруды, подземные воды и парообразная вода в атмосфере. Растения и животные для обеспечения своей жизнедеятельности ежедневно потребляют живительную влагу.

Вода – это составляющая часть организма человека. Каждая наша клетка больше чем наполовину состоит из этой жидкости. Кровь, текущая в наших венах, – это на 82% вода. Мышцы и кожа содержат её 76%. Удивительно, но даже кости в своём составе имеют до 30% воды. Её наименьшее содержание в зубной эмали – всего 0,3%.

Общая масса воды на планете Земля – более 2 000 000 000 миллионов тонн.

Какие существуют 3 состояния воды в природе?

На вопрос «Что такое вода?» почти все без раздумий отвечают: «Это жидкость!». Ведь чаще всего мы привыкли видеть жидкое состояние воды в природе. Но на самом деле она может иметь разные формы, кардинально отличающиеся одна от другой.

Вода бывает в трёх состояниях:

• жидкая форма;
• парообразное состояние;
• твёрдая агрегатная форма — лёд.

Лёд – вода в твёрдом виде

Н2О из жидкого переходит в твёрдое агрегатное состояние при снижении температуры ниже 0 градусов по Цельсию. Интересно то, что почти все предметы при охлаждении уменьшаются в объёмах, а вода, наоборот, замерзая, расширяется. Если так она прозрачная и бесцветная, то при замерзании может приобретать белый цвет из-за попадания частичек воздуха внутрь льда.

Необычно, что при одной и той же кристаллической структуре лёд может иметь множество разнообразных форм. Твёрдое состояние воды в природе — это гигантские айсберги, блестящая корка льда на реке, белые хлопья снега, сосульки, висящие на крышах.

Лёд имеет огромное значение для хозяйственной деятельности человека и оказывает большое влияние на поддержание жизнедеятельности многих организмов. Например, при замерзании реки он выполняет защитную функцию, сохраняя водоём от дальнейшего промерзания, этим самым оберегая подводный мир.

Но также лёд может стать причиной разрушительных стихийных бедствий. Например, град, обледенение зданий и летательных аппаратов, промерзание почвы, ледяные обвалы.

В быту мы используем замёрзшую воду как хладагент, бросая небольшие кубики льда в напитки для их охлаждения. Подобным образом могут охлаждаться пищевые продукты и медицинские препараты.

Химические названия

Почему же воду назвали водой? Слово «вода» происходит от древнегерманского «мокрый, текучий». В химии могут встречаться разные названия этого соединения. Самые распространенные – гидроксид водорода и окись водорода. Также в химической литературе ее называют:

• монооксид дигидрофосфата;
• гидроксильная кислота;
• дигидромонооксид
• оксидан

Происхождение воды на планете

Возникновение воды на нашей планете является предметом научных споров. Существует 2 основные гипотезы:

1. Космическое происхождение. Часть учёных считают, что вода появилась вследствие падающих метеоритов, астероидов, которые содержали воду.
2. Земное происхождение. Другие учёные считают, что вода образовалась на Земле во время формирования, а не занесена с космоса.

Образование воды

Многих интересует, какая вода находится в реках, морях, под землей. Образовавшаяся миллиарды лет назад вода сконцентрировалась в океанах. Из океанов она испаряется и поднимается, где образуются облака. После долгого путешествия она возвращается на землю в виде осадков. Вода собирается и возвращается через реки обратно в море. Часть просачивается в почву и попадает в грунтовые воды. Там формируются новые источники, которые текут в море.

В более холодном климате вода остается на ледниках, которые очень медленно, стекают к более низким высотам, где и тают. В полярных регионах этот механизм скольжения настолько медленный, что в ледниках можно найти воду, попавшую на поверхность Земли десятки тысяч лет назад. Вот откуда берется в природе вода.

Наука о воде

Изучением природных вод, явлений и процессов занимается наука Гидрология.

Первые упоминания о гидрологии появились на заре истории человечества около 6000 лет назад.

Начало гидрологических наблюдений в России относится к XV–XVI вв.: в записях русских летописцев сохранились сведения о свойствах воды, наводнениях, паводках, замерзании.

Значение на Земле

Без воздуха человек может прожить несколько секунд, без еды – несколько месяцев, без воды – максимум несколько суток. Снижение содержания воды в организме всего лишь на 2% может вызвать сильную слабость. При нехватке 8% уже может возникнуть серьезное недомогание, а при 12% – смерть.

Каждая клетка живого организма состоит из жидкости и нуждается в регулярном пополнении. Без воды не проживут ни люди, ни растения, ни животные.

Вода формирует климат, участвует в круговороте воды в природе, для многих живых организмов является средой обитания.

Эмпирическое правило Клечковского

Эмпирическое правило Клечковского и вытекающее из него схема очерёдностей несколько противоречат реальной энергетической последовательности атомных орбиталей только в двух однотипных случаях: у атомов Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au имеет место «провал» электрона с s-подуровня внешнего слоя на d-подуровень предыдущего слоя, что приводит к энергетически более устойчивому состоянию атома, а именно: после заполнения двумя электронами орбитали 6s следующий электрон появляется на орбитали 5d, а не 4f, и только затем происходит заселение четырнадцатью электронами орбиталей 4f, затем продолжается и завершается заселение десятиэлектронного состояния 5d. Аналогичная ситуация характерна и для орбиталей 7s, 6d и 5f.

Органолептические свойства воды

Сюда относятся показатели, которые возможно определить органами чувств. К ним относятся вкус, запах, цвет (цветность), мутность (прозрачность или непрозрачность). Часть параметров определяется не только с помощью носа, глаз, языка, но и на аналитическом оборудовании. Например, мутность и цветность определяют используя фотометр, а прозрачность — цилиндр и градировочную шкалу.

Вкус

Характеризует вкусовые ощущения от попадания жидкости на рецепторы языка. Оценивается в баллах. иногда добавляют описание вкуса, помогающее оценить пригодность для питья, содержание специфических химических веществ.

Оценивают вкус только питьевой воды, к которой относится бутилированная и водопроводная. Некоторые лаборатории определяют вкус только бутилированной при условии предоставления запечатанной тары (бутылки). Это обусловлено заботой о безопасности сотрудников. Представьте себя на месте химика-аналитика, который вынужден пробовать жидкость из неизвестного источника. Курьезные случаи: список параметров анализа «сточки» содержал вкус. Разумеется, никто не пробовал канализационные стоки, это опасно.

Запах

Оценивает ощущения от вдыхания пара, образующегося над сосудом, содержащим исследуемую жидкость, через нос. Запах выражают баллами, которые характеризуют интенсивность запаха, а также указывают его характер, например:

• цветочный
• специфичный химический
• болотный
• затхлый
• свежести
• гнилостный

Выделяют специфические запахи химических соединений, например, хлора, сероводорода, фенола. По этой причине определение запаха предшествует определению других компонентов, помогает рассчитать коэффициент разбавления, скорректировать подготовку проб. Определять запах могут только сотрудники, прошедшие специальное обучение. Среди требований к помещению числится обеспечение отсутствия мешающих воздействий, включая цвет стен, а также отсутствие посторонних запахов.

Погрешность определению запаха добавляет использование неправильной тары для отбора. К ней относятся бутылки из-под газированных, ароматизированных напитков. Даже если тщательно вымыть такую тару запах все равно сохранится.

Цветность воды

Определяет изменение длины волны светового луча при прохождении через толщу раствора. Проще говоря, сосуд прямоугольной формы (длина большей стороны 1 или 5 сантиметров) заполняют исследуемым раствором, пропускают через него свет, изучают изменение этого света. Исследование проводят на оптическом приборе — фотометре или спектрофотометре. При проведении экспресс-анализа используют сравнение с стандартной шкалой. Это быстро, но не точно.

Чистая вода не имеет цвета, по крайне мере, его не видно, если толщина слоя менее метра. Цветность появляется если раствор содержит соединения, изменяющие окраску. К ним относятся органические вещества (гуминовые, органические красители), минеральные компоненты или их комплексы (большинство металлов образуют окрашенные соединения при взаимодействии с гидроксидом или анионами минеральных кислот). По величине цветности судят об общем содержании «цветных» соединений, отдельные группы не выделяют. Как правило, обращают внимание на специфическую окраску, которая помогает при проведении анализа. Например, ржавая говорит о высоком содержании железа, коричневая — признак гуминовых соединений, синие оттенки — выраженное химическое загрязнение.

Мутность

Показывает содержание едва заметных взвешенных частиц, которые снижают способность раствора пропускать свет. Это происходит за счет того, что взвесь отражает, рассеивает часть света, проходящего через слой жидкости. Мутность определяют экспресс-методом используя цилиндр с прозрачным дном и бумагу с нанесенным стандартным шрифтом. При таком определении параметр могут называть прозрачностью по шрифту. Мутность не выявляет конкретный компонент, то есть определить характер взвеси определяя только этот параметр невозможно. Он выявляет присутствие посторонних частиц, служит показанием к проведению дополнительных анализов или установке механического фильтра.

Источники

• https://VodaVoMne.ru/svojstva-vody/molekula-vody
• https://VodaVoMne.ru/svojstva-vody/agregatnye-sostoyaniya-vody
• https://vodamama.com/sostoyaniya-vody.html
• https://FB.ru/article/189598/sostoyanie-vodyi-v-prirode-voda-v-tr-h-agregatnyih-formah
• https://VodaVoMne.ru/svojstva-vody/voda
• https://vodasila.ru/o-vode/vsyo-o-vode-rol-na-planete-zemlya
• https://www.sciencedebate2008.com/elektronnyye-formuly-atomov/
• https://www.msulab.ru/knowledge/water/pokazateli-kachestva-vody/

Структура молекулы воды — курс Hero

Клеточная биология/Структура молекулы воды/вода

• Обзор
• Словарь
• Структура молекулы воды
• водородные связы
• Ионизация воды
• рН и шкала рН
• Буферы

Молекулы воды полярны, имеют частичный положительный и частичный отрицательный заряд.

Все живые существа нуждаются в воде. Поведение молекулы воды определяется ее структурой. Вода состоит из двух атомов водорода, ковалентно связанных с одним атомом кислорода. Это полярная молекула , потому что у нее противоположно заряженные стороны. Одна сторона молекулы воды имеет слабый положительный заряд, а другая сторона имеет слабый отрицательный заряд. Ковалентные связи (общие электроны) между атомами водорода и кислорода образуют молекулу, имеющую форму тетраэдра или треугольной пирамиды. А 9Ковалентная связь 0027 — это химическая связь, которая образуется, когда атомы имеют общие электроны. Сторона кислорода притягивает электроны в большей степени, чем сторона водорода, которая оттягивает электроны от атомов водорода. Это оставляет каждую сторону с частичным зарядом (положительный на стороне водорода, отрицательный на стороне кислорода). Подобно двум стержневым магнитам, противоположно заряженные концы которых притягиваются друг к другу, две молекулы воды притягиваются аналогичным образом.

Как полярная молекула, вода плохо взаимодействует ни с одним из неполярная молекула , стороны которой несут одинаковые электрические заряды или не несут их вообще. Молекулы воды не могут легко образовывать водородные связи с неполярными молекулами. Это означает, что неполярные молекулы плохо растворяются в полярных растворителях, таких как вода, уксусная кислота и этанол. Липиды, такие как жиры, стероиды и масла, обычно не растворяются в воде. Вот почему капля масла, падающая на влажную поверхность, расходится веером и образует красочный узор. Неполярные вещества необходимо растворять, используя другие неполярные растворители, такие как диэтиловый эфир и скипидар.

Заряженные полюса молекулы воды

Молекула воды состоит из одного атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода. Полярность молекулы обусловлена ​​частичным положительным зарядом атомов водорода, представленным δ+, или дельта-положительным, и частичным отрицательным зарядом, представленным δ-, или дельта-отрицательным атомом кислорода.

Внутри клеток и тел живых организмов полярная природа воды позволяет ей действовать как почти универсальный растворитель, растворяющий множество различных веществ, важных для жизни. Соли, газы, такие как кислород и углекислый газ, и необходимые минералы, такие как кальций и калий, перемещаются по клеткам организма вместе с водой. Вода также действует как реагент и продукт многих химических реакций. Например, в результате фотосинтеза молекулы воды расщепляются с образованием свободных атомов кислорода, а атомы водорода в конечном итоге становятся частью глюкозы. Многие ферментативные реакции, включая синтез и гидролиз (расщепление) биологических молекул, требуют добавления или удаления воды для протекания. Примеры включают образование и расщепление аденозинтрифосфата (АТФ, первичной энергетической валюты клетки), белков и сложных углеводов.

Структура молекулы воды | Свойства воды (2022)

Содержание

Структура молекулы воды состоит из одной молекулы кислорода и двух молекул водородной связи, ковалентно связанных.

Вода (h3O) считается одним из самых важных веществ на Земле. Он покрывает более 70% земной поверхности и составляет до 95% живых организмов.

Структура молекулы воды

Она практически уникальна среди жидкостей благодаря своей молекулярной структуре. В результате сильного притяжения ядра кислорода к электронам водорода атомы водорода отклоняются от своего обычного положения.

Это приводит к образованию угла (105°) между атомами водорода. Из-за этой асимметрии атомов водорода вода имеет сильное дипольное движение, т.е. сильно поляризованы с сильным разделением положительных и отрицательных зарядов.

Из-за этой поляризации он легко делится своим положительно заряженным водородом с отрицательно заряженным кислородом других молекул.

Таким образом, вода становится очень когезивной, что приводит к развитию сильной связи с самой собой, и клей , прочно связывающийся с другими молекулами, содержащими кислород. Эта структура молекулы воды выполняет в ней определенные свойства.

Структура молекулы воды

Каковы свойства воды?

Сцепление в воде

Сцепление самих молекул воды приводит к очень упорядоченной структуре. Когда они замерзают как лед, существует определенная закономерность.

В жидкой форме рисунок меняется, так как лед тает, водородные связи разрываются, и плотность воды увеличивается до температуры 4°C, а рисунок разрушается и становится более плотным.

При повышении температуры от 4°C больше связей разрывается из-за термического возбуждения, и вода становится менее плотной. При 100°C водородные связи могут полностью разорваться, в результате чего молекулы воды улетучиваются в виде пара.

Максимальная плотность воды достигается при 4°C, а не при минимальной температуре, поскольку большинство веществ оказывают сильное влияние на водную жизнь.

Лед при 0°С имеет плотность 0,917 г см ^-3 , тогда как вода при 0°С имеет плотность около 0,999 г см ^-3 и при 4°С составляет 1,0 г см ^-3 . Поэтому вода замерзает сверху вниз, а не снизу вверх.

Замерзшая вода на поверхности имеет тенденцию изолировать воду внизу, предотвращая замерзание больших водоемов и гибель водных организмов.

Когезия в воде

Адгезия в воде

Адгезия воды объясняется водородными связями молекул воды с другими полярными поверхностями.

Сильный диполь воды оказывает электростатическое и гравитационное воздействие на заряженные электровалентные соединения и на диполи полярных ковалентных соединений.

Таким образом, вода будет адсорбироваться на таких веществах, как целлюлоза (хлопок), но не на полиэфирах с небольшим количеством кислорода, доступного для водородных связей.

Эта асимметричная структура приводит к электростатическому притяжению других диполей и ионов и к водородным связям с кислородсодержащими молекулами.

Однако водородную связь относительно легко разорвать по сравнению с ковалентной связью, поскольку она имеет энергию связи в диапазоне всего от 10 до 30 килоджоулей (кДж) на моль, но большое количество водородных связей дает гигантскую биохимию. -молекула значительной силы.

Адгезия воды

Теплота парообразования

Теплота парообразования, количество тепла, необходимое для превращения одной единицы жидкости в пар, чрезмерно высока для воды по сравнению с другими жидкостями.

Высокая теплота испарения воды 2435 Дж г-1 при 25°C (582 кал г-1) возникает из-за ее когезивной природы. Возможно, наиболее важным последствием высокой теплоты испарения воды является охлаждающий эффект, когда вода испаряется с живой поверхности.

Вязкость воды

Вязкость воды или сопротивление течению в воде выше, чем в большинстве жидкостей, опять же из-за водородных связей.

Вязкость воды при 20°C, взятая за эталон, составляет 1,0 сантипуаз: Этанол имеет вязкость при 20°C 1,2 сантипуаз и, следовательно, является немного более вязким, но этиловый эфир имеет вязкость 0,2 сантипуаз при 20°C.

Влияние температуры на перенос жидкости внутри растений можно частично объяснить изменением вязкости.

Объем и плотность

Вода имеет наибольшую плотность при температуре около 4°C и менее плотна при температуре выше и ниже 4°C. Она составляет не менее 4°C. При повышении или понижении температуры от 4°С объем, занимаемый одним граммом воды, увеличивается.

Таким образом, при 0°С вода будет иметь объем 1,00012 см3 г-1, а лед 1,09 см ³ г ^-1 . Вода при 20°C будет 1,00177 см ³ г ^-1 .

Эксперимент с плотностью воды

Поверхностное натяжение воды

Тенденция поверхности воды сжиматься и напоминать эластичную мембрану известна как поверхностное натяжение воды. Капли воды имеют тенденцию образовывать сферы. В этом состоянии он имеет меньшую энергию на единицу поверхности по отношению к объему.

Энергия, связанная с поверхностью, представляет собой поверхностное натяжение и может быть выражена в единицах дин на сантиметр (дин см ^-1 . В результате поверхностного натяжения жидкости поднимаются в капиллярных трубках. Подъем капилляра очень важно для рассмотрения подъема воды в деревьях

Поверхностное натяжение воды

Удельная теплоемкость воды

Удельная теплоемкость воды самая высокая среди жидкостей Вода используется в качестве стандарта для калорий, калория представляет собой количество количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 см3 воды до 1°C в диапазоне от 15,5 до 16,5°C.

Следовательно, вода имеет удельную теплоемкость или теплоемкость 1 кал г-1 градус-1 (1 калория = 4 184 джоуля). Эта высокая удельная теплоемкость имеет важное значение с точки зрения скорости нагрева и охлаждения водных тел.

Скорость нагревания и охлаждения тканей растений частично определяется теплоемкостью воды. После понимания строения и свойств молекул воды было бы уместно перейти к ассоциации воды с жизнью.

Вода связана с другими биомолекулами, что приводит к возникновению трех различных состояний, включая Растворы, Коллоидные (коллоидная система) и Суспензии . Эти три состояния можно различать на основе размера частиц, связанных с водой для получения смеси.

Смесь является раствором, если размер частиц очень мал (частицы могут быть атомами, ионами или молекулами) – обычно менее 5×10-7 см (50°A) в диаметре.

В этом состоянии в основном различные ионы (H+, OH-, SO4, NO3 и т.д.) или небольшие молекулы (глюкоза, сахароза и т.