Полярность воды это: Почему молекула воды полярная

Содержание

Жизнь без воды возможна, но в этом есть свои нюансы,

Человеческий организм использует воду для регулирования температуры тела и поддержания метаболизма. Она также помогает растворять необходимые витамины и питательные вещества из пищи.

Вы когда-нибудь задумывались, как насекомые могут ходить по воде?

Вы когда-нибудь задумывались, как насекомые могут ходить по воде? — Химвотч

11/05/2022

Дело не в том, что они легче или менее плотны, чем вода, дело в… поверхностном натяжении!

Что такое поверхностное натяжение

Это то, что вызывает образование пузырьков, это то, как вода может ползти по стенкам капиллярной трубки, и это то, что позволяет насекомым, таким как водомерка, ходить по поверхности пруда, не ломая ее.

Поверхностное натяжение — это энергия, необходимая для увеличения площади поверхности жидкости, и, следовательно, то, что заставляет жидкость стремиться иметь как можно меньшую площадь поверхности. Другими словами, это способность поверхности сопротивляться внешней силе за счет молекулярных сил, действующих внутри жидкости. Эти силы включают водородные связи (сильные межмолекулярные взаимодействия) и дисперсионные силы (слабые межмолекулярные взаимодействия).

В дополнение к силе поверхностного натяжения водомерки также имеют тысячи крошечных волосков на ногах, которые улавливают воздух и повышают водостойкость.

Водные странности

Среди множества других уникальных свойств химическая структура воды придает ей особое значение. много более высокое поверхностное натяжение, чем у других жидкостей — около 72 мН/м. Единственная жидкость с более высоким поверхностным натяжением — это ртуть с 500 мН/м. Из-за этого вода является наиболее распространенным примером, используемым для демонстрации поверхностного натяжения, и мы можем видеть его в действии повсюду, куда бы мы ни пошли.

Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода в тетраэдрической структуре, и эта конфигурация позволяет молекулам воды образовывать электростатические связи, называемые водородными связями, между соседними молекулами.

Поверхности часто описываются как гидрофильные (любящие воду) или гидрофобные (ненавидящие воду), и это определяется способностью поверхности связываться с молекулами воды, а не просто связыванием воды с самой собой. Эта способность поверхностного связывания часто определяется молекулярной полярностью и наличием участков для образования водородных связей. В химии «подобное притягивает подобное», поэтому полярная молекула, такая как вода, будет больше притягиваться к полярной поверхности, чем к поверхности без чистого заряда.

Листья лотоса

Когда вы посмотрите на воду, стекающую с листьев цветка лотоса, вы увидите, что лист на самом деле не намокает. Вода просто стекает без следа. Эффект лотоса является частным случаем супергидрофобности и обусловлен двумя факторами.

Эффект лотоса повлиял на разработку биоимитации других поверхностей, чтобы они были ультрагидрофобными, самоочищающимися и нелипкими, такими как ПТФЭ — покрытие тефлоновой посуды.

Во-первых, листья лотоса покрыты кутикулой, которая выделяет восковое вещество на поверхности листа. Воски и масла гидрофобны, поэтому капли воды легче прилипают к другим каплям воды, чем к поверхности листа.

Во-вторых, поверхность листа лотоса может выглядеть достаточно гладкой, но на самом деле она чрезвычайно шероховатая на микроскопическом уровне. Он покрыт множеством крошечных точек поверхности листа, образуя фрактальные иерархии поверхности и промежутки, в которых может задерживаться воздух. Это увеличивает сопротивление между каплей воды и поверхностью листа, в результате чего вода просто скатывается.

Разрыв поверхностного натяжения

Энергия поверхности может быть снижена, чтобы облегчить ее разрушение. Это достигается с помощью поверхностно-активных веществ, сокращенно заниматься серфингомас действоватьАйв ageНТС.

Наиболее распространенными бытовыми поверхностно-активными веществами являются моющие средства в чистящих средствах и эмульгаторы в пищевых продуктах и косметике.

Поверхностно-активные вещества представляют собой молекулы с гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Молекулы могут выстраиваться вдоль границы раздела воды и другой жидкости (например, нефти или воздуха), и это снижает энергию вдоль поверхности.

Вы можете представить это как дополнительный слой, покрывающий молекулы воды и отделяющий их от границы раздела и друг от друга. Это приводит к тонкому распределению молекул воды и образованию пузырьков.

В моющих средствах эти крошечные пузырьки могут затем проникать в бороздки и поры, очищая грязь и бактерии. В эмульсиях пузырьки могут быть диспергированы в другой жидкости, например, в частицах воды, взвешенных в масле, для получения маргарина. Эмульгирующие поверхностно-активные вещества способны изменить консистенцию двух фаз на нечто однородное и сделать их более трудными для разделения.

Chemwatch здесь, чтобы помочь

Хотите узнать больше о странных химических свойствах? Вы находитесь в правильном месте. Мы здесь, чтобы помочь вам со всеми вашими проблемами с химическими свойствами, включая безопасность и хранение, управление паспортами безопасности, тепловое картирование, оценку рисков и все, что между ними. Свяжитесь с нами сегодня по [email protected].

Источники:

https://www.teachengineering.org/lessons/view/duk_surfacetensionunit_less4″
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3148040/
https://en.wikipedia.org/wiki/Lotus_effect
https://askdruniverse.wsu.edu/2020/06/19/soap-get-bubbly/
https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension
https://blog.nature.org/science/2017/04/10/7-cool-facts-water-striders-skippers-pond-skaters-weird-nature/
https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Properties_of_Liquids/Surface_Tension

Быстрый запрос

English

Почему вода полярная молекула?

Эта запись была опубликована 21 октября 2020 г. автором Anne Helmenstine (обновлено 3 мая 2021 г. )

Вода является полярной молекулой из-за ее изогнутой геометрии и разницы электроотрицательностей между атомами водорода и кислорода. Геометрия, в свою очередь, обусловлена двумя неподеленными парами кислорода.

Вода (H ₂ O) представляет собой полярную молекулу и полярный растворитель. Что это значит? Когда молекула полярна, это означает, что ее положительные и отрицательные электрические заряды распределены неравномерно, поэтому часть молекулы частично положительна, а часть частично отрицательна. На диаграммах строчная буква дельта (δ) показывает распределение заряда в полярной молекуле.

Положительный заряд исходит от протонов в атомном ядре, а отрицательный — от электронов. Каждый атом водорода в молекуле воды имеет один электрон, который проводит большую часть своего времени между ядрами водорода и кислорода, оставляя ядро водорода более открытым, чем если бы электрон не был частью химической связи. Атомы водорода несут частичный положительный заряд. Между тем атом кислорода имеет две несвязанные пары электронов, максимально удаленные друг от друга и химические связи, придающие атому кислорода частичный отрицательный заряд.

Чтобы понять, почему молекула воды полярна, а похожие на вид молекулы (например, двуокись углерода или CO ₂ ) неполярны, вам необходимо понять роль электроотрицательности и молекулярной геометрии в полярности.

Электроотрицательность и полярность воды

Атомы с разными значениями электроотрицательности образуют полярные связи. Если разница электроотрицательностей достаточно велика (например, между металлом и неметаллом), образуется высокополярная ионная связь. Небольшие различия между атомами (например, два разных неметалла) приводят к образованию полярной ковалентной связи. Электроны, участвующие в полярной ковалентной связи, проводят больше времени ближе к одному атому, чем к другому, что приводит к частичным положительным и отрицательным зарядам вокруг атомов. Итак, молекула, подобная монооксиду углерода (СО), является полярной. Атом углерода имеет частичный положительный заряд, а атом кислорода — частичный отрицательный заряд.

Молекулярная геометрия и полярность воды

Но молекулярная геометрия также играет роль в определении полярности молекул. Хотя ковалентные связи между углеродом и кислородом полярны в диоксиде углерода (CO ₂ ), молекула , а не полярна. Это связано с тем, что двуокись углерода представляет собой линейную молекулу, и частичные положительные и отрицательные заряды эффективно компенсируют друг друга. Другими словами, его чистый дипольный момент равен нулю.

В отличие от углекислого газа, вода не является линейной молекулой. Вода имеет изогнутую геометрию с углом наклона 104,5°. Изогнутая форма означает, что положительные и отрицательные заряды распределены неравномерно и не компенсируют друг друга. Вода имеет чистый дипольный момент.

Причина, по которой вода имеет изогнутую форму, заключается в том, что атом кислорода имеет две неподеленные электронные пары. Электронная структура кислорода: 1s ² 2s ² 2p ⁴ . Каждый атом водорода вносит один электрон, чтобы заполнить валентную оболочку и дать кислород 1s ² 2s ² 2p6, но это означает, что четыре электрона (2 пары) в 2p-оболочке не участвуют в химической связи. Электронные пары имеют одинаковый отрицательный электрический заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга. Они также отталкиваются химическими связями между атомами водорода и кислорода, но не в такой степени. При этом атомы водорода отталкиваются друг от друга. Баланс между отталкиванием приводит к тетраэдрической геометрии. Но электронные пары являются невидимым компонентом геометрии, поэтому мы видим изогнутую молекулу.

Почему вода является полярным растворителем

Форма и полярность молекулы воды влияют на ее взаимодействие с другими молекулами воды и другими соединениями. Причина, по которой вода является полярным растворителем, заключается в том, что она притягивает положительный или отрицательный электрический заряд растворенного вещества. Частичный отрицательный заряд атома кислорода притягивает атомы водорода от других молекул воды и положительные области от других молекул. Между тем, частичный положительный заряд водорода притягивает атомы кислорода от других молекул воды и отрицательных областей других молекул.

Притяжение между атомами кислорода и водорода соседних молекул воды приводит к образованию водородных связей. Водородные связи не так прочны, как ковалентные, и не все молекулы воды в образце участвуют в них. В любой момент времени около 20% молекул воды могут взаимодействовать с другими химическими веществами. Это взаимодействие называется растворением или гидратацией. Это ключевое свойство воды, благодаря которому вода получила название «универсальный растворитель». Хотя вода растворяет больше веществ, чем любой другой растворитель, на самом деле она не является «универсальной», поскольку растворяет только полярные растворенные вещества.

Помните, хотя вода и полярна, она электрически нейтральна. Частичные положительные и отрицательные заряды могут быть разделены неравномерно, но они все равно компенсируют друг друга. Каждая молекула воды содержит 10 протонов и 10 нейтронов, но суммарный заряд равен 0,

Ссылки

Huheey, J.E.; Кейтер, Э.А.; Кейтер, Р.Л. (1993). Неорганическая химия: принципы строения и реакционной способности (4-е изд.). ХарперКоллинз, Нью-Йорк.
Дженсен, Уильям Б. (2009 г.). «Происхождение символа «Дельта» для дробных зарядов». J. Chem. Образование . 86 (5): 545. doi:10.1021/ed086p545
Полинг, Л. (1960). Природа химической связи (3-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 0801403332.

Вода | Химия | Вижнобучение

Закладка
Глоссарий терминов

Это обновленная версия модуля Вода. Для предыдущей версии перейдите сюда.

Прежде чем мы начнем, налейте себе стакан воды. К тому времени, когда вы дойдете до конца, вы гораздо больше оцените эту чудодейственную жидкость.

Стакан получил? Теперь сделайте глоток и подумайте обо всех ролях, которые вода играет в вашей жизни. Во-первых, ваше тело не может функционировать без него более нескольких дней. Вы используете воду, чтобы помыть себя, одежду и машину. Вода тушит пожары, готовит еду, делает мыло пенистым и делает сотни других вещей. Вода абсолютно необходима для нашей жизни на Земле.

Вода играет столь важную роль в нашем существовании, что вы можете удивиться, узнав, что это редкое и необычное вещество во Вселенной. Вода одновременно настолько жизненно необходима и настолько дефицитна, что экзобиологи (ученые, ищущие жизнь за пределами Земли) устремляют свои взоры на планеты, где может существовать вода. Кажется, что жизнь может выжить в кислоте, щелочи, сильной соли, сильной жаре и других условиях, которые могут убить нас, людей. Но он не может существовать без воды.

Что особенного в воде?

Несмотря на дефицит воды во Вселенной, на Земле так много воды, что мы не всегда осознаем, насколько она уникальна. Во-первых, вода — это единственное вещество, существующее в природе на нашей планете в твердом (лед и снег), жидком (реки, озера и океаны) и газообразном (вода в атмосфере в виде влаги). Как вы, возможно, помните (или можете прочитать об этом в нашем модуле о состояниях вещества), молекулы воды в каждой фазе находятся в разном энергетическом состоянии. Количество энергии, необходимое для перехода из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, зависит от того, как молекулы воды взаимодействуют друг с другом. Эти взаимодействия, в свою очередь, связаны с тем, как атомы внутри молекулы воды взаимодействуют друг с другом.

В модуле «Наша химическая связь: природа химической связи» обсуждалось, как образуется диполь на молекуле воды; в связи между кислородом и водородом электроны распределяются неравномерно, немного больше притягиваясь к кислороду. В результате на кислородном конце молекулы образуется частичный отрицательный заряд (р-), а на каждом из концов атома водорода — частичный положительный заряд (р+) (рис. 1).

Рисунок 1 : Диполи возникают в молекуле воды из-за неравного распределения электронов.

Поскольку атомы водорода и кислорода в молекуле несут противоположные (хотя и частичные) заряды, близлежащие молекулы воды притягиваются друг к другу, как маленькие магниты. Электростатическое притяжение между водородом ð+ (значение ð означает частичный заряд, значение меньше заряда электрона) и кислородом ð- в соседних молекулах называется водородной связью (рис. 2).

Рисунок 2 : Водородные связи между молекулами воды. Небольшой отрицательный заряд атома кислорода притягивается к небольшому положительному заряду атома водорода.

Водородные связи заставляют молекулы воды «слипаться». Эти связи относительно слабы по сравнению с другими типами ковалентных или ионных связей. На самом деле их часто называют силой притяжения, а не истинной связью. Тем не менее, они имеют большое влияние на поведение воды. Есть много других соединений, которые образуют водородные связи, но связи между молекулами воды особенно прочны. Рисунок 2 показывает, почему. Если вы посмотрите на центральную молекулу на этом рисунке, вы увидите, что кислородный конец молекулы образует водородные связи с двумя другими молекулами воды; кроме того, каждый водород центральной молекулы притягивается к отдельной молекуле воды. Как показано на рисунке, каждая молекула воды образует притяжение с четырьмя другими молекулами воды, сеть соединений, которая делает водородные связи в воде особенно прочными и придает этому веществу множество уникальных свойств.

Свойства воды, возникающие в результате водородных связей

Она плавает!

Теперь пришло время использовать этот стакан воды. Если у вас есть кубики льда, бросьте один в стакан. Вы заметите, что он плавает. Его способность подниматься к верхней части ватерлинии означает, что лед (вода в твердом состоянии) менее плотный, чем жидкая вода. (Чтобы просмотреть плотность и плавучесть, см. наш модуль «Плотность»). Это не обычное дело; если вы поместите кусок твердого воска в чан с расплавленным воском, он опустится на дно (и, возможно, растает, прежде чем попадет туда).

Чтобы понять, почему лед плавает, а твердый воск тонет, давайте сначала подумаем о том, что происходит, когда жидкость превращается в твердое тело (опять же, модуль «Состояния материи» может быть здесь полезным обзором). В жидкости молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы продолжать движение. Когда молекулы приближаются друг к другу, они притягиваются межмолекулярными силами. В то же время молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы освободиться от этих сил и притянуться к другим соседним молекулам. Таким образом, жидкость течет, потому что межмолекулярное притяжение может быть разрушено и восстановлено.

Жидкость замерзает, когда кинетическая энергия уменьшается (т. е. температура снижается) настолько, что силы притяжения между молекулами больше не могут быть нарушены, и молекулы запираются в статической решетке. Почти для всех соединений более низкая энергия и отсутствие движения между молекулами означает, что молекулы в твердом состоянии упакованы вместе более плотно, чем в жидком состоянии. Так обстоит дело с воском, поэтому твердый воск плотнее жидкости и тонет.

Однако в случае воды форма молекулы и сила водородных связей влияют на расположение молекул. В жидкой воде водородные связи сближают молекулы. При замерзании воды концы диполя с одноименными зарядами отталкиваются друг от друга, заставляя молекулы образовывать неподвижную решетку, в которой они находятся дальше друг от друга, чем в жидкой воде (рис. 3). Большее пространство между молекулами делает лед менее плотным, чем жидкая вода, и поэтому он плавает.

Рисунок 3 : Когда вода замерзает, одинаково заряженные концы диполей отталкиваются друг от друга, раздвигая молекулы. Это означает, что между молекулами в твердом теле больше пространства, чем в жидкости, что делает твердое тело (или лед) менее плотным.

Универсальный растворитель

Воду иногда называют «универсальным растворителем», поскольку она растворяет больше соединений, чем любая другая известная жидкость. Полярность молекулы воды позволяет ей легко растворять другие полярные молекулы, а также ионы. (См. наш модуль «Решения, растворимость и коллигативные свойства» для более глубокого обсуждения растворения.)

Эта способность растворять вещества является одним из свойств, которые делают воду жизненно важной. Большинство биологических молекул, таких как ДНК, белки и витамины, полярны, и важные ионы, такие как натрий и калий, также заряжены. Чтобы любое из этих соединений могло выполнять функции в организме, они должны иметь возможность циркулировать в крови и жидкости внутри и между клетками, которые в основном состоят из воды. Благодаря своей полярности вода способна растворять эти и другие вещества, обеспечивая их свободное перемещение по телу. Некоторые биомолекулы, такие как жиры и холестерин, неполярны и не растворяются в воде, однако организм выработал уникальные способы циркуляции и хранения этих веществ.

Вода также способна растворять газы, такие как кислород, что позволяет рыбам, растениям и другим водным обитателям получать доступ к этому растворенному кислороду (рис. 4). O ₂ не является полярной молекулой; он растворяется, потому что полярные заряды в молекуле воды индуцируют диполь в кислороде, делая его растворимым и таким образом доступным для водных организмов. (Узнайте больше о взаимодействиях индуцированных диполей в нашем модуле «Свойства жидкостей».)

Рисунок 4 : Когда молекулы воды и кислорода встречаются (слева), отрицательный диполь воды отталкивает электроны вокруг молекулы кислорода, создавая временный диполь в молекуле кислорода (справа).

Когезия и поверхностное натяжение

Вернемся к вашему стакану с водой. Наполните стакан до краев и остановитесь. Затем, медленно, добавьте еще немного. Вы увидите, что на самом деле можете наполнить стакан чуть выше его края, и края воды будут закругляться, удерживая воду внутри.

Опять же, за этим действием стоит водородная связь, что приводит к сплочению. Когезия возникает, когда молекулы одного вида притягиваются друг к другу. В случае воды молекулы образуют прочные водородные связи, удерживающие вещество вместе. В результате вода обладает высокой связностью, по сути, это самая связная из всех неметаллических жидкостей.

Сплоченность возникает во всем стакане воды, но особенно сильно она проявляется на поверхности. Молекулы там имеют меньше соседей (потому что у них их нет на самой поверхности), и поэтому они создают более прочные связи с молекулами, которые находятся рядом с ними. Результат называется поверхностным натяжением или способностью вещества сопротивляться разрушению своей поверхности. Окуните палец в стакан с водой, а затем вытащите его. Капля, которая образуется на кончике пальца, удерживается поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение было неправильно понятым центральным игроком в шумном споре между Галилео Галилеем и его главным соперником Людовико делле Коломбе в 1611 году. Делле Коломбе, философ, не соглашался с некоторыми идеями Галилея, включая его объяснение того, что лед плавает на воде. потому что он менее плотный. Поэтому философ вызвал Галилея на дебаты, которые, как полагал делле Коломбе, докажут его собственное интеллектуальное превосходство.

Делле Коломб отстаивал (неправильную) идею о том, что лед плавает не из-за плотности, а из-за его формы, которую он видел такой же широкой и плоской, как лед на озере. Чтобы доказать «истинность» своей теории, он использовал эбеновое дерево, которое немного плотнее воды, в демонстрации перед аудиторией любопытных зрителей. Он бросил деревянную сферу в воду, и она утонула. Затем он положил тонкую деревянную пластинку на поверхность воды, и она всплыла. Делле Коломб объявил себя победителем.

Галилей ушел расстроенный. Его наблюдения за миром дали ему доказательства того, что его объяснение, а не объяснение делле Коломбе, было правильным, но он не мог объяснить результат эксперимента делле Коломбе.

Если бы Галилей в то время знал о молекулах, диполях и водородных связях, он, несомненно, предложил бы такое объяснение: когда Делле Коломб пускал в ход тонкий эбонитовый диск, он воспользовался когезивной природой воды и поверхностным натяжением, возникающим из-за это (рисунок 5). Поскольку эбонитовая пластина, казалось, плавала в воде, сила, создаваемая ее массой, распределялась по всей поверхности воды под ней. Другими словами, один-единственный участок поверхности воды крошечного размера должен был поддерживать только крошечный кусок черного дерева прямо над ним. Водородные связи между молекулами воды были достаточно прочными, чтобы выдержать вес диска. Однако, когда Делле Коломбе поместил сферу в воду, область крошечного размера, которая первой коснулась воды, выдержала вес всей сферы, что было больше, чем могло выдержать поверхностное натяжение воды. Если бы Галилей знал об этом в то время, он мог бы легко опровергнуть delle Colombe — если бы он просто протолкнул пластину через поверхность, чтобы разрушить поверхностное натяжение, пластина утонула бы.

Рисунок 5 : Молекулы воды на поверхности образуют между собой более прочные водородные связи, чем молекулы в остальной части воды. Эти более прочные связи ответственны за поверхностное натяжение. изображение ©
Геологическая служба США

Это же поверхностное натяжение позволяет листьям оставаться на поверхности озера, а каплям росы прилипать к паутине. Даже некоторые животные пользуются этим явлением — ящерица-василиск (рис. 6), водомерки и некоторые другие мелкие животные и насекомые, кажется, «ходят» по воде, используя поверхностное натяжение воды.

‎ Рисунок 6 : Ящерица-василиск ( Basiliscus basiliscus ) бежит по поверхности воды. Фильм S1 от Минетти А., Иваненко Ю., Каппеллини Г., Доминичи Н., Лакуанити Ф. «Люди, бегущие на месте по воде в моделируемой пониженной гравитации». ПЛОС ОДИН . DOI:10.1371/journal.pone.0037300

Адгезия и капиллярное действие

Для следующего наблюдения сделайте еще глоток воды и обратите внимание на край стакана. Скорее всего, вы увидите несколько капель, прилипших к нему. Гравитация притягивает эти капли, значит, что-то еще должно удерживать их там. Это что-то еще — прилипание, притяжение воды к другим видам молекул; в данном случае молекулы, из которых состоит стекло. Из-за полярности молекулы вода проявляет более сильную адгезию к тем поверхностям, которые имеют некоторый суммарный электрический заряд, и стекло является одной из таких поверхностей. Но поместите каплю воды на неполярную поверхность, например на кусок вощеной бумаги, и вы увидите, что она принимает форму, отличную от той, к которой она прилипает. На вощеной бумаге капли воды принимают форму настоящей капли, потому что сцепление слабое, а силы сцепления стягивают каплю в сферу. Но на стекле вы увидите, как капли сплющиваются и немного деформируются по мере того, как силы сцепления притягивают их к поверхности стекла.

Как когезия, так и адгезия (рис. 7) возникают со многими соединениями помимо воды. Ленты, чувствительные к давлению, например, прилипают к поверхностям, потому что они покрыты жидкостью с высокой вязкостью, которая прилипает к поверхности, к которой они прижимаются. Как правило, вы можете преодолеть эту адгезионную силу, потянув, например, вы можете легко снять заметку Post-it® со страницы. Но иногда силы сцепления сильнее, чем силы, скрепляющие поверхность — сдвиньте ленту с листа бумаги, и вы удалите кусочки бумаги вместе с лентой.

Вернемся к нашему стакану с водой и заглянем внутрь, туда, где поверхность воды встречается со стаканом. Сам край водной глади на стекле слегка изгибается вверх. Это тоже адгезия — вода поднимается по поверхности за счет сцепления со стеклом. Если у вас есть прозрачная пластиковая соломинка, вы можете опустить ее одним концом в воду и увидеть, как жидкость немного поднимается по соломинке над поверхностью оставшегося стакана воды. На самом деле он движется вверх против силы тяжести!

То, что происходит в вашей соломинке, называется капиллярным действием (рис. 7). Капиллярное действие происходит в маленьких трубках, где площадь поверхности воды невелика, а сила прилипания — притяжения воды к полярному стеклу или другому материалу — превосходит силу сцепления между этими поверхностными молекулами.

Рисунок 7 : Притяжение молекул воды к стенкам узкого сосуда (адгезия, красные стрелки) сильнее, чем сцепление (оранжевые стрелки), сближающее молекулы воды. Результатом является капиллярное действие, при котором сила прилипания тянет жидкость вверх (фиолетовые стрелки).

Еще один способ увидеть эффекты адгезии и когезии — сравнить поведение полярных и неполярных жидкостей. Когда вы наливаете воду в пробирку, адгезия заставляет воду по краям двигаться немного вверх и создает вогнутый мениск. Жидкая ртуть, с другой стороны, неполярна и поэтому не притягивается к стеклу. В пробирке сцепление на поверхности ртути намного прочнее, чем сцепление со стеклом. Поверхностное натяжение ртути образует выпуклый мениск, почти так же, как вода образует небольшую выпуклость над верхушкой вашего очень полного стакана (рис. 8).

Рисунок 8 : Вода и ртуть ведут себя по-разному в пробирке из полярного стекла. Вода прилипает к стеклу, поднимая края вверх и образуя вогнутую поверхность. Неполярная ртуть не притягивается к стеклу. Сцепление между атомами ртути создает поверхностное натяжение, которое образует выпуклую поверхность. изображение ©
Геологическая служба США

Адгезия и капиллярное действие являются одними из действующих сил, которые помогают растениям поглощать воду (и растворенные питательные вещества) своими корнями. Капиллярное действие также предохраняет ваши глаза от высыхания, так как соленая вода вытекает из крошечных протоков во внешних уголках ваших глаз. С каждым морганием вы отводите воду от протока, и капиллярное действие выводит на поверхность больше жидкости.

Если вы хотите увидеть действие капилляров, капните несколько капель красного пищевого красителя в стакан с водой, а затем бросьте туда пару стеблей листового сельдерея. Через день или два ваш зеленый сельдерей окрасится в красный цвет.

Резюме

Вода — действительно необычное и важное вещество. Уникальные химические свойства воды, обуславливающие поверхностное натяжение, капиллярное действие и низкую плотность льда, играют жизненно важную роль в жизни, какой мы ее знаем. Плавающий лед защищает водные организмы и не дает им замерзнуть зимой.