8.2: Властивості води

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28843

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Молекула води складається з одного кисню і двох атомів водню, які з'єднані між собою полярними ковалентними зв'язками. Ковалентні означають, що атоми поділяють електрони, замість того, щоб повністю віддавати електрони один одному. Полярний означає, що електрони не діляться однаково. Ці полярні ковалентні зв'язки (рис. 8.2.1) поряд з молекулярною формою змушують молекулу води мати трохи позитивний заряд на водневому кінці і трохи негативний заряд на стороні кисню. Заряди води генеруються тому, що кисень є більш електронегативним, ніж водень, що робить більш імовірним, що спільний електрон буде знайдений поблизу ядра кисню, ніж водневе ядро, таким чином генеруючи частковий негативний заряд поблизу кисню. Це надає молекулам води свої властивості тяжіння.

Знімок екрана (109) .png — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Полярність молекули води обумовлена нерівномірним розподілом електронів в її ковалентному зв'язку. C (З OpenStax концепції біології тексту)

водневі зв'язки

Завдяки полярності води кожна молекула води притягує інші молекули води, оскільки протилежно заряджені кінці молекул притягують один одного. Коли це відбувається, відбувається слабка взаємодія між позитивним водневим кінцем з однієї молекули і негативним кисневим кінцем іншої молекули. Така взаємодія називається водневим зв'язком. Цей водневий зв'язок сприяє наступним унікальним властивостям води.

1. Вода - універсальний розчинник

2. Існує в природі як тверда речовина, рідина, так і газ

3. Щільність льоду менше рідкої води

4. Вода має високий поверхневий натяг

5. Вода має високу теплоємність

6. Вода існує як рідина при кімнатній температурі Важливо зазначити, що навіть ми зосереджуємось лише на воді в цьому підручнику, водневе зв'язування відбувається і в інших речовині, які мають полярні молекули.

Фізичний стан води на Землі

Вода на Землі може природним чином існувати як тверда, рідина або газ залежно від переважаючих умов температури та тиску. Освіта водневих зв'язків (описано вище) - важлива якість рідкої води, яка має вирішальне значення для життя, як ми її знаємо на Землі. Оскільки молекули води утворюють водневі зв'язки між собою, рідка вода набуває деякі унікальні фізико-хімічні характеристики порівняно з іншими рідинами. У рідкій воді водневі зв'язки постійно утворюються і порушуються, коли молекули води ковзають один за одного. Енергія рухомих молекул води (кінетична енергія) відповідає за розрив зв'язків. При додаванні тепла до води (підвищення температури) кінетична енергія молекул йде вгору і більше зв'язків порушуються. Оскільки в киплячу воду додається більше тепла, вища кінетична енергія молекул води призводить до повного розриву водневих зв'язків і дозволяють їм виходити в повітря як водяна пара. З іншого боку, коли температура води знижується і вода замерзає, молекули води утворюють кристалічну структуру, що підтримується водневим зв'язком (оскільки недостатньо енергії для розриву водневих зв'язків). Кристалічна структура, лід, має більш відкриту структуру, ніж рідка форма води. Відкрита структура льоду (рис.\(\PageIndex{2}\)) робить лід менш щільним, ніж рідка вода, явище не спостерігається при затвердінні інших рідин.

Менша щільність льоду, проілюстрована на малюнку\(\PageIndex{2}\), змушує його плавати біля поверхні рідкої води, наприклад айсберга в океані або кубиків льоду в склянці крижаної води. В озерах і ставках лід буде утворюватися на поверхні води, створюючи ізоляційний бар'єр, який захищає тварин і рослинний світ, що живуть у воді від замерзання. Без цього шару ізолюючого льоду рослини і тварини, що живуть у воді, замерзли б у твердій брилі льоду і не вижили. Кристали льоду, які утворюються при заморожуванні, розірвали б делікатні мембрани, необхідні для функції живих клітин, необоротно пошкоджуючи їх.

Знімок екрана (110) .png — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Водневе з'єднання робить лід менш щільним, ніж рідка вода. У гратчастої структурі вода більш конденсована (ліва структура), ніж у льоду (права структура). Решітчаста структура льоду робить його менш щільним, ніж вільно протікають молекули рідкої води, дозволяючи льоду плавати на рідкій воді. (Зображення: Lynn Yarris, http://www2.lbl.gov/Science-Articles...ter-solid.html)

Висока теплоємність

Вода має найвищу питому теплоємність будь-якої рідини. Висока теплоємність води - це властивість, спричинена зв'язком водню між молекулами води. Питома теплота визначається як кількість тепла, який один грам речовини повинен поглинати або втратити, щоб змінити свою температуру на один градус Цельсія. Для води ця кількість становить одну калорію. Воді потрібно довго нагріватися і довго охолоджуватися. Насправді питома теплоємність води приблизно в п'ять разів більше, ніж у піску. Це пояснює, чому земля остигає швидше, ніж море. Завдяки високій теплоємності теплокровні тварини використовують воду для більш рівномірного розсіювання тепла і підтримки температури в своїх тілах: вона діє аналогічно системі охолодження автомобіля, транспортуючи тепло з теплих місць в прохолодні місця, змушуючи організм підтримувати більш рівномірну температуру.

Теплота випаровування

Вода також має високу теплоту випаровування, кількість енергії, необхідної для зміни одного грама рідкої речовини на газ. Для здійснення цієї зміни води потрібна значна кількість теплової енергії (586 калорій). Цей процес відбувається на поверхні води. У міру нагрівання рідкої води водневе з'єднання ускладнює відокремлення молекул рідкої води один від одного, що потрібно для того, щоб вона увійшла в газову фазу (пар). Таким чином, вода діє як радіатор і вимагає набагато більше тепла для кипіння, ніж такі рідини, як етанол, водневі зв'язки яких слабкіші. Зрештою, коли вода досягає температури кипіння 100° Цельсія (212° за Фаренгейтом), тепло може розірвати водневі зв'язки між молекулами води, а кінетична енергія між молекулами води дозволяє їм виходити з рідини як газ. Навіть коли нижче температури кипіння, окремі молекули води отримують достатньо енергії від інших молекул води, так що деякі молекули поверхневої води можуть виходити і випаровуватися: цей процес відомий як випаровування.

Оскільки водневі зв'язки потрібно розірвати, щоб вода випаровувалася, означає, що в процесі випаровування використовується значна кількість енергії. У міру випаровування води енергія забирається процесом, охолоджуючи середовище, де відбувається випаровування. У багатьох живих організмах, в тому числі і у людини, випаровування поту, що становить 90 відсотків води, дозволяє організму охолодитися так, щоб можна було підтримувати гомеостаз температури тіла.

Вода - розчинник

Оскільки вода є полярною молекулою зі злегка позитивними і трохи негативними зарядами, в ній легко можуть розчинятися іони і полярні молекули. Тому воду називають розчинником, оскільки вона здатна розчиняти більше речовин (полярних речовин), ніж будь-яка інша рідина. Заряди, пов'язані з цими молекулами, будуть утворювати водневі зв'язки з водою, оточуючи частинку молекулами води. Це дуже важливо, оскільки дозволяє воді розчиняти різні хімічні речовини та розподіляти їх всередині живих організмів, включаючи вилучення токсичних речовин з живих істот, а також у навколишньому середовищі.

Когезійні та адгезійні властивості води

Ви коли-небудь заливали склянку води до самого верху, а потім повільно додавали ще кілька крапель? Перед його переливом вода утворює куполоподібну форму над обідком склянки (рис.\(\PageIndex{3}\))

Знімок екрана (111) .png — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Вода в склянці утворює купольну форму над склом завдяки згуртованим силам тяжіння серед молекул води. Фото Кредит: Сем Мутіті

Ця вода може залишатися над склом через свої когезійні властивості. У згуртованості молекули води притягуються один до одного (через водневий зв'язок), утримуючи молекули разом на межі розділу рідина-газ (вода-повітря), хоча в склі більше немає місця. Згуртованість дозволяє розвивати поверхневий натяг, здатність речовини протистояти розриву при розміщенні під напругою або напругою. Ось чому вода утворює краплі при розміщенні на сухій поверхні, а не розплющується самопливом (рис.\(\PageIndex{3}\))

Знімок екрана (112) .png — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Бісероплетіння води за рахунок сильних сил згуртування між молекулами води (Вода USGS, права рука фото кредит: J Schmidt; Національний парк служби).

Коли сталева голка поміщається обережно на воду, вона не тоне, навіть якщо сталь щільніше (важче), ніж вода. Згуртованість і поверхневий натяг зберігають водневі зв'язки молекул води неушкодженими і підтримують елемент, що плаває зверху. Можна навіть комасі «плавати» на воді, якщо воно сидить акуратно, не порушуючи поверхневого натягу, як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\).

Знімок екрана (113) .png — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ваги голки та водної стрілки тягнуть поверхню вниз; в той же час поверхневий натяг тягне її вгору, підвішуючи їх на поверхні води і утримуючи їх від занурення. (Кредит: Корі Занкер (ліворуч) та Тім Вікерс (праворуч)

Ще одна важлива властивість води - адгезія, або тяжіння між молекулами води та іншими молекулами. Ця привабливість іноді сильніше, ніж сили згуртування води, особливо коли вода піддається впливу заряджених поверхонь, таких як на внутрішній стороні тонких скляних трубок, відомих як капілярні трубки. Адгезія спостерігається, коли вода «піднімається» вгору по трубці, поміщеної в склянку з водою: зверніть увагу, що вода виявляється вище з боків трубки, ніж посередині. Це пояснюється тим, що молекули води притягуються до заряджених скляних стінок капілярної трубки більше, ніж вони один до одного і, отже, прилипають до неї. Цей тип адгезії називається капілярної дією, і проілюстрований на малюнку\(\PageIndex{6}\). Цей процес також бере участь в переміщенні води і поживних речовин з грунту навколо кореневих систем до інших частин рослин над землею.

Скріншот (114) .png — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Капілярна дія в скляній трубці викликана силами адгезії, що чиниться внутрішньою поверхнею скла, що перевищують сили зчеплення між самими молекулами води. (Кредит: moodle.clsd.k12.pa.us/район... с/0-13-115540- 7/ch23/ch23_s5_1.html)