3.2: Лід, вода та пара

Вступ

Спочатку ми вивчимо воду як молекулу, а потім вивчимо наслідки молекулярної структури води для її фізичної поведінки та її важливості як «універсального розчинника». У цьому першому розділі розглядаються фази води.

Завдання на читання

Прочитайте главу 6 (стор. 151-182) в «Матриці життя: Біографія води» Філіпа Болла (посилання зовнішнє), потім прочитайте матеріал цього розділу. Ball, редактор Nature, має елегантний спосіб обрамлення «дивацтва» молекули води, що підкреслює незвичайні властивості води. Ця глава - приємне лікування, яке супроводжує наш «сухіший» контур нижче.

Молекула води

Молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Тепер єдине електронне кільце навколо кожного атома водню має лише один електрон. Негативний заряд електрона врівноважується позитивним зарядом одного протона в ядрі. Протони мають масу, електрони - ні. Один електрон і один протон: водень має атомний номер один. У водневому ядрі також знаходиться один нейтрон; немає заряду, крім ваги одного протона. Один протон, один нейтрон: водень має атомну вагу два. Електронне кільце водню хотіло б володіти двома електронами для створення стабільної конфігурації. Кисень, з іншого боку, має внутрішнє електронне кільце з двома електронами, що прохолодно, оскільки це стабільна конфігурація. Зовнішнє кільце, з іншого боку, має шість електронів, але воно хотіло б мати ще два, оскільки у другому електронному кільці вісім електронів роблять стабільну конфігурацію. Щоб збалансувати негативний заряд восьми (2+6) електронів, ядро кисню має вісім протонів. Вісім протонів і вісім електронів: кисень має атомний номер вісім. Вісім протонів в ядрі збігаються вісьмома нейтронами. Вісім протонів, вісім нейтронів: кисень має атомарну масу 16. Водень і кисень хотіли б мати стабільні електронні конфігурації, але не як окремі атоми. Вони можуть вийти з цього важкого становища, якщо погодяться ділитися електронами (свого роду енергетичний «договір»?). Так, кисень розділяє один зі своїх зовнішніх електронів з кожним з двох атомів водню, і кожен атом водню ділить свій єдиний електрон з киснем. Це називається ковалентним зв'язком. Кожен атом водню вважає, що він має два електрони, а атом кисню думає, що він має вісім зовнішніх електронів. Всі щасливі, ні?

Рис. 1:
O
/\
H H

Однак обидва атома водню знаходяться на одній стороні атома кисню з кутом близько 105 градусів між ними (див. Рис. 1), так що позитивно заряджені ядра атомів водню залишаються злегка оголеними, так би мовити, залишаючи цей кінець молекули води слабким позитивним зарядом. Тим часом на іншій стороні молекули електрони атома кисню дають цьому кінці молекули слабку негативну зміну. З цієї причини молекулу води називають «диполярної» молекулою. Вода є прикладом полярного розчинника, здатного розчиняти більшість інших сполук. У розчині слабка позитивно заряджена сторона однієї молекули води буде притягнута до слабкої негативно зарядженої сторони іншої молекули води, і дві молекули будуть утримуватися разом слабким «водневим зв'язком» тощо. У температурному діапазоні морської води слабкі водневі зв'язки постійно розриваються і утворюються заново. Це надає воді деяку структуру, але дозволяє молекулам легко ковзати один над одним, роблячи її рідиною.

Властивості води

Калорійність - це кількість тепла, необхідного для підвищення температури 1 г чистої води на 1 градус С на рівні моря. Тому потрібно 100 калорій, щоб нагріти воду від 0˚, температури замерзання води, до 100˚C, температури кипіння. Однак потрібно 540 калорій, щоб перетворити цей 1 г води при 100˚C на 1 г водяної пари, все ще при 100˚C, це називається теплотою випаровування. Вам доведеться видалити 80 калорій з 1 г води при температурі замерзання, 0˚C, щоб перетворити її на 1 г льоду при 0˚ С. Це називається теплом злиття.

Вода не віддає або відбирає тепло дуже легко. Тому кажуть, що він має високу теплоємність. У Пенсільванії звичайна різниця між денною та нічною температурами становить 20° C. Протягом тих же часових рамок температура озерної води навряд чи зміниться взагалі.

Вода тече легко. Кажуть, що він має низьку «в'язкість». Порівняйте це з моторним маслом або медом, кожен з яких має відносно високу в'язкість (або з верхньою мантією, яка має ще більшу в'язкість, як обговорювалося в класі під час наших лекцій «тектоніка плит»). Якщо ви не можете змусити мед витекти з банки і на ваш тост вранці, ви ставите його в мікрохвильовку і «нукеруйте», тоді він легко тече, тобто підвищення температури знижує в'язкість. Точно так само тепла вода менш в'язка, ніж холодна.

Чиста вода має щільність 1,0 г/см ³ при 4˚C, при збільшенні або зниженні температури від 4˚C щільність зменшується. Насправді, якщо ви виміряєте температуру глибокої води у великих озерах з помірною широтою, які замерзають взимку, ви виявите, що температура становить 4˚C; це тому, що прісна вода має максимальну щільність при цій температурі, і оскільки поверхневі води охолоджуються восени та на початку зими, озера перекинути і залити водою 4˚C. У міру додавання розчинених твердих речовин в чисту воду для збільшення солоності щільність збільшується. Щільність середньої морської води з солоністю 35 о/оо (35 г/кг) і при 4˚C становить 1,028 г/см ³ Як ви додаєте солі в морську воду, ви також змінюєте деякі інші властивості. Збільшення солоності збільшує температуру кипіння і зменшує температуру замерзання. Звичайна морська вода замерзає при -2˚C, на 2˚C холодніше, ніж чиста вода. Збільшення солоності також знижує температуру максимальної щільності.

Коли вода замерзає, вона розширюється

Рис. 2 Грубий ескіз молекул води в кристалі льоду (гексагональна форма)

Коли вода є рідиною, молекули води упаковані відносно близько один до одного, але можуть ковзати один за одним і вільно переміщатися (що робить її рідиною). Однак при замерзанні води утворюються зв'язки, які фіксують молекули на місці правильним (гексагональним) малюнком (рис.2). Для майже кожної відомої хімічної сполуки молекули утримуються ближче один до одного (пов'язані) у твердому стані (наприклад, у мінеральній формі або льоду), ніж у рідкому стані. Вода, однак, унікальна тим, що вона зв'язується таким чином, що молекули тримаються далі один від одного в твердому вигляді (льоду), ніж в рідкому вигляді. Вода розширюється, коли вона замерзає, роблячи її менш щільною, ніж вода, з якої вона замерзає. Насправді його обсяг трохи більше на 9% більше (або щільність приблизно на 9% нижче), ніж в рідкому стані. З цієї причини лід плаває по воді (як кубик льоду в склянці з водою). Це останнє властивість дуже важливо для організмів в океанах і прісноводних озерах. Наприклад, риби у водоймі переживають зиму, оскільки лід утворюється на вершині ставка (він плаває) і ефективно ізолює (не проводить тепло від ставка до атмосфери настільки ефективно) решту ставка внизу, запобігаючи його замерзанню зверху вниз (або знизу вгору). Якби вода не розширювалася при замерзанні, то вона була б щільніше рідкої води, коли вона замерзає; отже, вона потонула б і заповнювала б озера або океан знизу вгору. Після того, як океани наповнені льодом, життя там було б неможливим. Всі ми знаємо, що розширення рідкої води до льоду надає величезну силу. Якщо ви коли-небудь ставили в морозильну камеру повну ємність з водою з щільно закривається кришкою або банку з содою, можливо, ви відчули це. Десять чашок води перетворяться в 11 чашок льоду, коли він замерзне. Сила кристалізації льоду здатна розривати водопровідні труби і викликати розростання тріщин в гірських породах, тим самим прискорюючи ерозію гір!

Діаграма нижче (рис. 3) ілюструє деякі зміни температури замерзання і щільності чистої води, а також зміни, що накладаються додаванням солі. Зверніть увагу, що щільність чистої води знаходиться на максимумі на рівні 4° C, тоді як щільність продовжує збільшуватися зі зменшенням температури, коли вміст солі становить 35 о/о (частин на тисячу) - поблизу середньої солоності морської води. Також температура замерзання води пригнічується при додаванні солі (саме тому ми кладемо сіль на крижані дороги і тротуари!). Ми вивчимо наслідки цього пізніше в курсі, коли ми розглянемо циркуляцію океанів та виробництво «глибокої» води. Вода лише злегка стискається, про що свідчить невелика, але вимірювана зміна щільності при збільшенні тиску. Тиск вимірюється тут у барах (не такий, який ви, можливо, смакуєте зараз), де 1 атмосфера (тиск на рівні моря) дорівнює = 1.01325 бар = 101,3 кПа. Таким чином, максимальний тиск в 4000 барів на графіку еквівалентно тиску на глибині близько 4000 метрів в океані (середня глибина океану становить близько 3800 метрів). Тиск збільшується зі швидкістю однієї атмосфери кожні 10 метрів (це знають ті з вас, хто пірнає). Заповнені повітрям обсяги, такі як порожнини людського тіла, не витримують тиску води на глибині (це включає більшість речей, крім спеціально зміцнених корпусів підводних човнів та підводних човнів), але якби ми могли наповнити легені водою і якось ще дихати, як риба, ми могли б зробити цікаве дайвінг . Навіть на 4000 метрах вода стиснулася лише близько 2,3% щодо обсягу, який вона мала на поверхні (збільшення щільності 2,3%, зробіть розрахунок з урахуванням графічних даних нижче). Як називався фільм, який використовував цей принцип? Гаразд, перейдіть до наступного розділу...

Малюнок 3: Зміна щільності морської води при 35 о/о з тиском (бари) (зверху), а також щільність і точки замерзання чистої води і морської води (знизу).

Кредит: ucsd.edu