Вода - странная вещь

Вода - странная вещь

Капли воды круглые из-за поверхностного натяжения, в котором химическое притяжение между молекулами жидкости тянет от поверхности к центру. Среди жидкостей только ртуть имеет более высокое поверхностное натяжение, чем вода.

Водородные связи, которые образуются между молекулами воды, достаточно сильны, чтобы придать многие необычные свойства воде. Но они неустойчивы и гораздо слабее, чем связи, удерживающие вместе атомы в молекулах, таких как ковалентные связи в сахарах, жирах и углеводах, ионные связи в соли, металлическая связь между медью, алюминием, и атомами железа в посуде.

Свойства и поведение воды так хорошо знакомы нам, что мы не можем понять, насколько это по-настоящему необычное вещество. Всем известно, что молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода H2O – сокращенное написание в химии. Но как эти молекулы взаимодействуют друг с другом, что дает воде уникальные особенности.

Молекулы большинства жидкостей довольно свободно передвигаются, сталкиваясь друг с другом, если жидкость принимает различные формы. Но молекулы воды, как правило, держатся вместе, и именно поэтому вода отличается таким причудливым поведением.

Вода начинает кипеть, например, при более высокой температуре, чем другие жидкости, состоящие из таких же легких молекул. Точка замерзания также удивительно высока. Капли воды образуют сферы, потому что поверхностное натяжение у нее больше, чем у любой другой жидкости, за исключением ртути. ...

й другой жидкости, за исключением ртути. Вода расширяется при замерзании и уменьшается в объеме при плавлении, почти все другие вещества как раз наоборот.

На этом удивительные свойства не заканчиваются. Необходимо подать большое количество тепла в воду, чтобы повысить ее температуру хоть на немного. Вот почему необходимо так много времени, чтобы нагреть кастрюлю с водой до температуры кипения. (Смотреть на нее не даст никакого эффекта.)

Даже после того, как жидкость достигла точки кипения, она требует очень большого количества тепла, называемого скрытой теплотой парообразования, прежде чем превратится в пар. Вот почему необходимо так много времени, чтобы уменьшить ее количество. Энергетический барьер между двумя состояниями воды – льдом и жидкостью, называется скрытой теплотой плавления, также высок.

Слипанием, которое в первую очередь отвечает за все эти причуды, является водородная связь: притяжение между атомом водорода в одной молекуле воды и атомом кислорода в соседней. Водородные связи в десять раз слабее связей, удерживающих вместе атомы в молекулах. Но они обладают стойким, коллективным эффектом, препятствующим движению, так как они постоянно образовываются и обрываются.

Помимо влияния на свойства чистой воды и льда, водородные связи несут ответственность за многие способы, которыми вода взаимодействует с другими веществами. Связи помогают сделать воду исключительным растворителем. Например, сахар и этиловый (зерновой) спирт легко растворяются в воде, так как их молекулы могут образовывать водородные связи с молекулами воды. То же самое явление помогает желатину и пектину сгущаться в растворах на водной основе.

Уберите воду из пищи, и текстура обезвоженных веществ изменится, отчасти потому, что белки изменяют свою структуру или даже разваливаются, когда исчезают водородные связи. Именно поэтому сырые обезвоженные продукта, например вяленое мясо, часто выглядят приготовленными.

Айсберги (слева и на следующей странице) плавают на морской воде, потому что замерзшая вода менее плотная, чем жидкая. Лед становится синим, так как водородные связи поглощают преимущественно красный и желтые света, действуя как фильтр, который отсеивает все, кроме синего и сине-зеленого.

Почему вода такая странная

Вода – необычный химический элемент в разных сферах, основной причиной ее странности является способность атома водорода в одной молекуле H2O соединяться с атомом кислорода в соседней молекуле воды с образованием водородных связей. Эти связи, которые постоянно разрушаются и образуются в жидкой воде, играют главные роли в формировании капель воды, пара и льда. Они также играют значительную роль в высокой теплоемкости воды.

Например, когда капля конденсируется из облака, молекулы внутри нее образуют связи с соседними во всех направлениях, тогда как молекулы на поверхности, не имеющие таких соседей за пределами капли, образуют водородные связи только с соседними молекулами и теми, что находятся под ними. Конечным результатом является поверхностное натяжение, силы которого заставляет капли принимать самые компактные формы с минимальной поверхностью, какая только может быть: сферы. Если бы вы могли посмотреть на мельчайшие частицы воды в тумане с близкого расстояния, вы бы увидели, что они тоже являются сферами.

Основной причиной того, что точки кипения и замерзания воды на 100 градусов выше, чем можно было бы ожидать, исходя из ее низкой молекулярной массы, являются водородные связи, которые препятствуют тому, чтобы молекулы покидают поверхность при нагреве. Они могут оторваться только при большом выплеске энергии, которую мы воспринимаем как высокую температуру. И наоборот, жидкий азот – другая простая, легкая молекула (N2) – кипит при -196 °C / -321 °F.

Молекулы воды расположены беспорядочно, когда находятся в форме жидкости (внизу слева). Каждая молекула Н2O это два атома водорода (светло-голубой), соединенных с одним атомом кислорода (темно-синий). Электроны в молекуле смещены больше в сторону атомов кислорода, чем в направлении атомов водорода, так что атом кислорода несколько более отрицательно заряжен, чем атомы водорода.

Вода расширяется при замерзании из-за водородных связей. Эти водородные связи имеют определенную длину, но из-за того, что они постоянно появляются и исчезают в жидкой воде, молекулы не должны оставаться на фиксированном расстоянии друг от друга. Однако, когда вода остывает до температуры замерзания, молекулы занимают определенные позиции, благодаря которым все связи становятся одной длины: на расстоянии, которое минимизирует деформацию и энергию в связи. Полученная решетчатая структура молекул воды содержат гексагональные полые пространства. Эти полости снижают плотность льда, и она составляет 92 % от плотности жидкой воды. Вот почему лед плавает на поверхности воды.

Необходимо так много времени, чтобы нагреть кастрюлю с водой потому, что теплоемкость этой жидкости удивительно высока. Водородные связи снова здесь замешаны. Тепло заставляет молекулы двигаться быстрее, но если молекулы спутаны водородными связями, им труднее ускориться, таким образом, повышение температуры затруднено.

В результате чего два электрических полюса похожи на два полюса магнита. Водородная связь образуется между двумя близкими молекулами воды, когда (положительный) атом водорода одной молекулы притягивается к (отрицательному) атому кислорода в другой. Во льду молекулы расположены решетками из шестиугольных ячеек.

Еще статьи