Abnormální vlastnosti vody: příčiny, význam

Lidé jsou zvyklí na vodu a považují to za obyčejnou látku. Často to považují za samozřejmost až do okamžiku, kdy sucho ohrožuje plodiny a pitnou vodu nebo vážné záplavy ohrožují život a majetek. Mnozí si neuvědomují, že struktura vody a její anomální vlastnosti zajišťují existenci života na Zemi.

Jeden z raných řeckých filozofů, Thales z Miletus (640-546 př.nl.), Zkoumal univerzální povahu vody. Považoval to za hlavní prvek, ze kterého se vše zrodilo. Množství vody bylo zřejmé, ale Thales poznamenal, že je to jediná látka, která se přirozeně vyskytuje na Zemi současně ve třech různých stavech: pevná, kapalná a plynná. V chladném zimním dni sněží a led pokrývají pole, řeka proudí poblíž a mraky plavou nad hlavou.

Formy hmoty

Všechny látky existují ve třech různých stavech, které závisí na teplotě a tlaku. Pevné látky mají určitý tvar a krystalickou vnitřní strukturu. Podle této definice se látka jako sklo považuje za vysoce viskózní kapalinu, protože nemá krystalickou strukturu. Pevné látky mají tendenci odolávat vnějším vlivům. Mohou být převedeny na tekutinu zahříváním. Bod mrznutí vody při tlaku 1 atmosféra je 0 ° C, pod níž se nachází jako led.

Kapalina, na rozdíl od pevného těla, nemá pevnost a nemá určitou formu. Má objem a má podobu nádoby, ve které je uložena. Vlivem vnějšího vlivu ho nutí proudit. Voda je kapalina mezi teplotami mrazu a varu (100 ° C). Tekutiny mohou být převedeny do plynné fáze při zahřátí nad bod varu.

Plyn nemá formu ani objem. Vytváří tvar a zabírá objem nádoby, ve které je umístěna. Plyn expanduje a smíchává se se změnami teploty a tlaku a může se snadno rozptýlit do jiných plynů.

Vroucí a mrazící body

Abnormální vlastnosti vody jsou její nezvykle vysoké teploty varu a mrznutí ve srovnání s jinými sloučeninami s podobnou molekulární strukturou. Dalšími podobnými látkami za normálních podmínek jsou plyny. Předpokládá se, že voda s nižší molekulovou hmotností než u podobných sloučenin bude mít nižší teploty varu a mrazu. Nicméně kvůli polární povaze molekuly a vodíkových vazeb má bod varu 100 ° C a zmrazení je 0 ° C. Pro srovnání jsou odpovídající hodnoty sírovodíku H2S -60 ° C a -84 ° C, pro sirovodík H2Se, tento indikátor je -42 ° C a -64 ° C a tellurid pro -2 ° C a -49 ° C .

Pevná fáze

Snižující se teplota zpravidla zpomalují látky a voda není výjimkou. Jeho hustota při 25 ° C je 0,997 g / ml a zvyšuje se až na maximum (1 g / ml) při T = 4 ° C. V metrickém měřicím systému je kilogram definován jako hmotnost 1 litru vody s maximální hustotou. Úžasná věc se děje mezi 4 ° C a bodem tuhnutí 0 ° C, který je pozorován u velmi malého množství látek. Voda postupně expanduje a stává se méně hustá. Hustota ledu při 0 ° C je asi 0,917 g / ml. Molekuly vody tvoří krystaly ve tvaru čtyřstěnu (čtyřúhelníková, každá obličej je rovnostranný trojúhelník). Vzhledem k tomu, že hustota pevné fáze je menší než kapalina, led se vznáší. Při zmrazení se objem vody zvyšuje o 1%.

Je velmi důležité, aby se led roztavil a vznášel se na povrchu. Z tohoto důvodu v zimě prasknou vodní trubky a na silnicích se objevují jamky. Zmrazení a roztavení vody jsou z velké části zodpovědné za ničení hornin a tvorbu půdy. Navíc, kdyby jezera a potoky zmrzly nahoru, vodní život obecně přestane existovat a klimatické a klimatické podmínky se dramaticky změní.

Tepelná kapacita

Další abnormální vlastnost vody je její extrémně vysoká schopnost absorbovat teplo bez výrazného zvýšení teploty. Například letní slunce na pláži zahřeje písek do takové míry, že na něm není možné chodit. Voda zůstává chladná. Obě látky absorbují stejné množství tepelné energie, ale teplota písku je vyšší. Prázdný železný hrnce, který visí nad ohněm, rychle začne svítit červeně, ale pokud je naplněn vodou, zahřívá se postupně. Vysoká tepelná kapacita vody z něj dělá dobrou chladicí kapalinu v kondenzátorech a automobilových radiátorech, které zabraňují přehřátí motorů. Jeho hodnota je 5násobek tepelné kapacity písku a asi 10krát větší množství železa.

Mírné klima v pobřežních oblastech je výsledkem absorpce velkého množství solární tepelné energie v průběhu dne a jeho pomalého uvolňování v noci. V vnitrozemských oblastech mimo pobřeží se obvykle vyskytují mnohem vyšší extrémní teploty. Obrovské oceány na Zemi (asi 75% plochy) jsou zodpovědné za zmírňování klimatu na naší planetě a podporují existenci života.

Teplo tání a odpařování

Teplo fázového přechodu je spojeno s tepelnou kapacitou. Jedná se o množství tepelné energie absorbované nebo uvolněné látkou, která se mění ve fázi (od kapalné na tuhé nebo naopak a od kapaliny po plynnou nebo naopak) bez změny teploty. Neobvykle vysoké hodnoty specifického tepla tavení (332,4 kJ / kg) a odpařování (2256,2 kJ / kg) jsou dalšími anomálními fyzikálními vlastnostmi vody. Zmrazení produkuje stejné množství tepla, které je absorbováno během procesu tavení.

Praktickým příkladem použití specifického tepla při tavení vodou je použití ledu pro chlazení nápojů v izolovaném chladiči. V procesu tání led absorbuje tepelnou energii nápojů, udržuje je v chladu. Kontejner s vodou v skleníku v chladné zimní noci zmírní teplotu místnosti kvůli teplu uvolněnému během zmrazení. Kondenzace páry uvolňuje stejné množství tepla, které je absorbováno během procesu odpařování. Specifické teplo odpařování je 5krát vyšší než teplota potřebná ke zvýšení teploty z 0 na 100 ° C. Abnormální vlastnost vody pro ukládání velkého množství nahromaděné tepelné energie činí parní vytápění efektivní. Při kondenzaci pára uvolňuje nahromaděnou tepelnou energii. Denní bouřka v horkém letním dni je dalším příkladem uvolnění tepelné energie v horní atmosféře během kondenzace horkého vlhkého vzduchu. Dokonce i hurikán je příkladem efektu přerozdělení velkého množství tepelné energie absorbované tropickými oceány.

Odpařovací chladicí systémy pracují opačně. Voda v procesu odpařování absorbuje tepelnou energii ze vzduchu a ochlazuje ji.

Univerzální rozpouštědlo

Rozpouštědlo je schopno rozpustit další látku za vzniku homogenní směsi (roztoku) na molekulární úrovni. Další abnormální vlastnost vody v chemii díky polární povaze je její schopnost rozpouštět jiné polární sloučeniny - soli, alkoholy, karboxylové sloučeniny atd. Další látky se rozpouštějí ve vodě než v jakémkoliv jiném rozpouštědle. Více než polovina známých chemických prvků se nachází v ní, některé ve vysokých koncentracích a jiné jen v stopových množstvích. Koncentrace nasycení chloridu sodného je například asi 36 g na 100 ml a uhličitan vápenatý je asi 0,0015 g. Schopnost vody rozpouštět látku závisí na chemickém složení, síle chemických vazeb prvků, teplotě a pH.

Nepolární sloučeniny, včetně většiny uhlovodíků, se rozpouštějí v nízkých nebo stopových množstvích. Například oleje mají tendenci plavat na hladině vody.

Povrchové napětí

Abnormální vlastnosti vody zahrnují nejvyšší povrchové napětí (po ortuti) ve srovnání s jakoukoliv jinou kapalinou. Toto je síla přitahování molekul umístěných pod povrchem a ty, které se nacházejí na rozhraní kapaliny a vzduchu. Zamezuje šíření vody. Polární sloučeniny mají zpravidla mnohem vyšší povrchové napětí než nepolární. A voda není výjimkou. Při 20 ° C se tento indikátor rovná 0,07286 N / m (pro ethylalkohol - 0,0228 N / m).

Bez vnějšího vlivu má kapka H ₂ O tvar koule, protože tato hodnota má nejmenší plochu na jednotku objemu. Dešťové kapky jsou malé kuličky, které ničí skály. Ze stejného důvodu mohou být na svém povrchu drženy předměty, které jsou těžší než voda. Hmyz může chodit po něm a žiletky čekají.

Vodíková vazba určuje anomální vlastnosti vody, aby vlhkost většiny povrchů. Takové látky jsou považovány za hydrofilní. Voda může stoupat podél stěn skla a dalších nádob. Ostatní látky, jako jsou oleje, tuky, vosky a syntetické látky (polypropylen atd.), Se neomákají. Jsou hydrofobní. Membránové filtrační patrony s velikostí pórů menší než 1 mikron jsou vyrobeny z hydrofobních polymerů za pomoci smáčedel, které snižují povrchové napětí vody tak, aby tyto vody mohly proniknout a zůstat v nich. Tento jev se nazývá kapilární účinek. Je odpovědný za pohyb vody v půdě a podél kořenů rostlin a krve přes krevní cévy.

Abnormální vlastnosti vody a jejich význam pro život

H ₂ O je nedílnou součástí existence všeho života. To vysvětluje nedávný zájem o hledání vody v jiných částech vesmíru. Všechny známé biochemické procesy se vyskytují ve vodním prostředí. Většina žijících věcí obsahuje 70-80% hmotnostních H ₂ O.

Navíc voda hraje významnou roli v procesu fotosyntézy. Rostliny využívají sluneční záření pro konverzi vody a oxidu uhličitého na uhlohydráty: 6CO ₂ + 6H ₂ O + 672 kcal → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ . Fotosyntéza je nejzákladnější a nejdůležitější chemická reakce na Zemi. Dodává živiny přímo nebo nepřímo všem živým organismům a je hlavním zdrojem atmosférického kyslíku.

Abnormální vlastnosti vody a jejich příčiny

Schopnost prvků tvořit sloučeniny závisí na schopnosti jejich atomů darovat nebo přijímat elektrony. Prvky prvního typu se stanou pozitivně nabitými ionty (kationty) a druhým typem negativně nabitými anionty.

Schopnost prvku interagovat s jinými prvky k vytvoření sloučenin se nazývá valencí. Odpovídá počtu přijatých nebo oddaných elektronů. Pro anorganické sloučeniny je algebraický součet valenčních čísel prvků nulový. Přivádí se elektrostatické přitahování opačně nabitých iontů k vytvoření sloučeniny iontová vazba.

Prvky tvořící vodu (vodík a kyslík) existují odděleně v molekulách H2 a O2 obsahujících vždy dva atomy. Jsou drženy společně výměnou elektronového páru v chemické vazbě nazývané kovalentní vazbou. Je mnohem silnější než iont. Dva atomy drží spolu kovalentní vazbu tvoří mnohem stabilnější molekulu, než její součásti. V tom je vodík kombinován kyslíkem prostřednictvím společných elektronových párů. Tato jedinečná distribuce elektronů ve výsledné chemické sloučenině způsobí, že atomy H budou umístěny vzhledem k O v úhlu 104,5 °.

Abnormální fyzikální vlastnosti vody jsou vysvětleny strukturou a chemickou vazbou.

Atom kyslíku má poměrně silný vliv na celkový pár elektronů, což vede k tomu, že se atomy vodíku stanou elektropozitivní a atom kyslíku je elektro-negativní oblast. Vzhledem k tomu, že pozitivně a záporně nabité oblasti jsou nerovnoměrně rozloženy vzhledem k centrálnímu bodu, molekula vody je polární.

Takováto povaha způsobuje, že se stává elektrostaticky přitažlivým pro další molekuly H20, jakož i ionty a kontaktní plochy s nabitými oblastmi. Elektropositivní atomy vodíku jsou přitahovány k elektrogativním atomům kyslíku sousedních molekul vody. Tento jev se nazývá vodíková vazba. Jeho síla je pouze asi 10% kovalentní, ale je zodpovědná za většinu anomálních fyzikálních vlastností vody. Mezi ně patří vysoká teplota mrznutí a varu, tepelná kapacita, specifické teplo tavení a odpařování, rozpustnost a povrchové napětí.

Vodíková vazba je zodpovědná za udržování integrity molekuly H2O během chemických reakcí. Zatímco jiné sloučeniny procházejí ionizací, samotná voda si zachovává svou chemickou integritu. Pouze poměrně malý počet molekul je ionizován na vodík a hydroxylové ionty. Proto je H ₂ O relativně špatný vodič elektrického proudu. Specifický odpor teoreticky čisté vody je 18,3 MΩ cm, zatímco odolnost proti pití má specifický odpor menší než 10 000 ohm. Tímto způsobem můžete snadno zkontrolovat čistotu H ₂ O.

Anomální vlastnosti vody se vysvětlují přítomností vodíkových vazeb, díky nimž je nízká hustota ledu. Během mrazu se nacházejí molekuly, které vedou k rozšíření látky. Z tohoto důvodu se na hladině vody vznáší led. Zvýšený tlak snižuje teplotu tání. Tlak vytvořený ostřím bruslí utopí led, vytváří vrstvu, která poskytuje elegantní klouzání. I při extrémně nízkých teplotách dochází k oslabení vysokého tlaku krystalová mřížka. To je důvod, proč se postupně pohybují obrovské ledové masy, jako jsou ledovce.

Dvojitý moment

Polární povaha molekuly vody ji vede k orientaci v elektrickém nebo magnetickém poli. Elektronegativní atom kyslíku je zarovnán s kladným pólem a elektropozitivními atomy vodíku - v negativním směru. Voda má výjimečně velký dipólový moment, který je produktem vzdálenosti mezi náboji vynásobenou množstvím náboje.

Dielektrická konstanta je další vlastností spojená s dipólovým momentem. Molekuly vody tím, že se vyrovnávají v elektrickém poli, mají tendenci neutralizovat a vytvářet odpor vůči přenosu elektrostatického náboje. Dielektrická konstanta látky je určena ε v rovnici F = Q1 ∙ Q2 / ε ∙ r ² , kde F je síla mezi dvěma náboji Q, dělená vzdáleností r v médiu.

Jak se zvyšuje dielektrická konstanta, síla mezi náboji se snižuje. Vysoká dielektrická konstanta snižuje atraktivní sílu iontů, což vysvětluje anomální chemické vlastnosti vody pro rozpouštění široké škály látek.

Závěr

Pro lidi je voda běžnou látkou, která je často považována za samozřejmost. Navzdory skutečnosti, že anomální vlastnosti vody jsou vysvětleny na úrovni atomů, je jejich význam skutečně velký. Je zřejmé, že je to nezbytné pro existenci života na Zemi. Abnormální vlastnosti vody, zkrátka, jí umožňují sloužit jako prostředník chemických a biochemických procesů, tvarovat naše přirozené prostředí a podílet se na vytváření klimatu a počasí.