Элементы жизни. Вода — Индикатор

Молекулы, в которых много ковалентных полярных связей, тоже прекрасно взаимодействуют с водой — в первую очередь потому, что образуют с ней водородные связи, «цепляясь» за молекулы воды своими частичными зарядами. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными («любящими воду»). К гидрофильным веществам относятся, например, спирты и углеводы. Каждый знает, что столовый сахар (а это типичный углевод) растворяется в воде очень хорошо. То же самое можно сказать и о спиртах, например об этиловом спирте — основе алкогольных напитков. Именно растворам спирта в воде была посвящена знаменитая диссертация Дмитрия Ивановича Менделеева.

Правда, рецепта водки Менделеев, вопреки распространенной легенде, не разрабатывал. Его интересовало происходящее при растворении взаимодействие молекул спирта и воды — тот самый процесс, который мы только что назвали гидратацией.

Менделеев убедительно показал, что растворение — это не физическое явление (простое смешивание), а химическое (включающее образование новых межмолекулярных связей). Тогда получается, что раствор — это, по сути, новое вещество.

Как правило, любое наугад взятое органическое соединение будет растворяться в воде тем лучше, чем больше в нем атомов кислорода. Это понятно: именно вокруг атомов кислорода обычно образуются водородные связи. Например, молекула глюкозы (C₆H₁₂O₆, шесть атомов кислорода!) в этом отношении просто идеальна. Как раз поэтому сахара, и глюкозу в том числе, очень удобно использовать в роли быстро усваивающихся питательных веществ.

Молекулы, в которых все связи неполярные, взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Вещества, состоящие из таких молекул, плохо растворяются в воде и называются гидрофобными («боящимися воды»). Типичные гидрофобные соединения — углеводороды. Как мы знаем, они по определению состоят только из углерода и водорода, связи между которыми неполярны. Если бросить в воду парафин (смесь твердых углеводородов, из которой делают свечи), он и не подумает там растворяться — ни при каких условиях.

А если налить в воду бензин (смесь жидких углеводородов, которая служит моторным топливом), то он, скорее всего, отслоится от нее, образовав четкую поверхность раздела. Вода как бы «выталкивает» эти вещества.

Если в формуле органического соединения есть кислород, то оно, скорее всего, гидрофильное, разве что там присутствует какая-нибудь совсем уж огромная углеводородная цепочка.

Гидрофильными бывают и некоторые бескислородные органические вещества — например, амины. В биохимии значение различий между гидрофильными и гидрофобными веществами без преувеличения грандиозно. Многие детали устройства клеток без учета этих различий просто невозможно понять. А все потому, что земная жизнь — водная.

Талассогены

А могут ли подойти для жизни какие-нибудь другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, углекислота (ее формула O=C=O, или просто CO₂) знакома людям прежде всего в виде углекислого газа, который мы выдыхаем, но она может и замерзать, образуя так называемый сухой лед. Проблема в том, что при нагревании в условиях, характерных для Земли, сухой лед сразу испаряется в газ, минуя жидкую фазу. Потому мы и не видим в быту жидкой углекислоты. Однако при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, углекислота может становиться жидкостью. И тогда она представляет собой хороший гидрофильный растворитель, аналогичный по свойствам воде (и легко смешивающийся с ней), в котором успешно идут многие биохимические реакции.

В этом растворителе могут жить даже земные микробы. Например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море исследователи-океанологи нашли целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии.

Некоторые исследователи считают, что океаны жидкой углекислоты могут существовать на так называемых суперземлях — планетах с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли. Суперземли — довольно многочисленная категория экзопланет, и возможность жизни на них сейчас активно обсуждается.

Другой перспективный кандидат на роль вмещающей среды для жизни — аммиак (NH₃). Это гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом (их разница в электроотрицательности для этого вполне достаточна, см. рис. 2). Неудивительно, что по своим физико-химическим свойствам аммиак напоминает воду. На более холодных планетах, чем Земля, он находится в жидком состоянии и вполне может быть основой жизни. Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами. Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть серьезные сомнения (см. главу 1), то углеродную жизнь, использующую не воду, а какой-нибудь другой растворитель, представить себе гораздо легче. Никакие фундаментальные законы не запрещают ей существовать.

Просто так уж сложилось, что на нашей планете из всех растворителей преобладает вода, ну а от добра добра не ищут, и земной жизни осталось лишь развиваться в этих относительно благоприятных условиях.

Еще один гидрофильный растворитель, в котором теоретически допускают возможность жизни, — метиловый спирт, или метанол (CH₃OH). Для человека это страшный яд, но тут все зависит от настройки биохимических систем. Вообще-то никакие законы природы не мешают «сконструировать» живой организм, для которого метанол будет совершенно безобиден, а то и полезен. Метанол — одно из самых простых органических веществ, и неудивительно, что образуется он очень легко. Его много в космосе, причем не только на планетах, но и в межзвездных газопылевых облаках. Некоторые ученые осмеливаются предполагать, что именно синтез метанола был ключевым химическим звеном на пути к возникновению земной жизни. Метанол очень гидрофилен и прекрасно образует водородные связи, примерно такие же, как в воде. Собственно, это и делает его хорошим гидрофильным растворителем. Как и аммиак, метанол замерзает при гораздо более низкой температуре, чем вода, и в принципе может быть средой для жизни на более холодных планетах, чем Земля. В Солнечной системе метанола хватает, например на Тритоне, крупнейшем спутнике Нептуна.

Опровергнута самая популярная теория строения воды

Учёные СФУ совместно с коллегами из Королевского института технологий Швеции опровергли самую популярную ныне кластерную теорию строения воды. В ходе работы исследователи предложили новую теорию, согласующуюся с результатами их эксперимента. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Вода — одно из самых распространённых, но в то же время необычных веществ на Земле. Она обладает рядом нетипичных свойств, объясняемых её особой структурой, например, высокой теплоёмкостью и низкой электропроводностью. Общепринято, что вода состоит из молекул Н₂О, объединённых в группы так называемыми водородными связями. Их наличие обусловлено притяжением между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. Свободные, не входящие в кластеры (группы молекул, связанных водородными связями) молекулы присутствуют лишь в небольшом количестве. Многие учёные считают, что вода — постоянно изменяющаяся смесь кластеров лёгкого и тяжёлого типов. В первом молекулы связаны друг с другом (как во льду), а во втором связи нарушены, благодаря чему такие системы более плотные. Наличие этих фаз можно обнаружить при помощи резонансного неупругого рассеяния рентгеновских фотонов водой. При этом виден переход, в котором электрон с занятой молекулярной орбитали заполняет дырку, на месте которой был выбитый ранее фотоном электрон. Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление резонанса на два пика. В научной литературе получившийся дублет приписывается кластерам лёгкого и тяжёлого типов.

Чтобы пролить свет на эту фундаментальную проблему, авторы работы провели эксперимент с парами воды, где нет водородных связей. В ходе исследования они измерили спектр резонансного неупругого рассеяния изолированной молекулы. Эксперименты привели к неожиданному результату и показали, что точно такое же расщепление резонанса на два пика присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе. Более того, выполненные теоретические расчёты однозначно объясняют расщепление на спектре сверхбыстрым распадом (диссоциацией) молекулы воды на ионы Н+ и ОН-. Таким образом, исследование свидетельствует о динамической природе расщепления резонанса и опровергает структурный механизм, тем самым демонстрируя, что структура воды однородна.

Второй не менее важный результат этой работы — получение детальной структурной информации о том, как влияют водородные связи на силу OH-связи. Колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия — общепринятый инструмент для исследования водородных связей в жидкостях. Но в них ИК-спектроскопия показывает лишь наиболее интенсивный переход в состояние с минимальной энергией колебаний, которое «слабо чувствует» межмолекулярное взаимодействие. Спектроскопия резонансного неупругого рассеяния воды качественно отличается от ИК-спектроскопии тем, что, получив энергию от рентгеновского фотона, электрон кислорода переходит с самой глубокой орбитали на первую незанятую. В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбуждённый электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяжённого набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние даёт уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи.

«Важно отметить, что, в отличие от изолированной молекулы воды с одной энергией взаимодействия О и Н, в жидкости имеется набор (распределение) таких энергий в силу многообразия ближайшего окружения молекулы воды. Таким образом, второй результат работы — измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей. На следующем этапе исследований необходимо выяснить, возможно ли из спектров резонансного неупругого рассеяния воды определить такой важный структурный параметр, как среднее число связей молекулы. Он определяет энергию взаимодействия последней с её окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и её теплоёмкость»,

— дополняет Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), старший научный сотрудник Сибирского федерального университета.

В работе также приняли участие учёные из Университета Потсдама (Германия), Университета Цюриха (Швейцария) и Университета Турку (Финляндия).

Рисунки

• A) Молекула воды, поглотив фотон, возбуждается из основного состояния (0) в высоковозбуждённое диссоциативное состояние (с), где атом водорода быстро покидает точку равновесия. В процессе диссоциации возбуждённая молекула возвращается в основное (0) или конечное состояние (f) испуская другой фотон и формируя спектр вблизи 535 эВ и 526 эВ, соответственно.
• Б) рентгеновский спектр поглощения воды.
• B) Спектры испускания c→f и c→0 вблизи 526 эВ и 535 эВ, соответственно. Эмиссионный спектр c→f вблизи 525 эВ показывает динамическое формирование (в процессе диссоциации) дублета с расщеплением Δ (см. панель A). При возвращении молекулы в основное состояние c→0 в процессе диссоциации заселяются высокие колебательные уровни, что формирует протяжённую колебательную прогрессию в районе 535 эВ.
• Г) В работе решена обратная задача восстановления из колебательной прогрессии распределения OH-потенциалов воды в жидкой фазе.

Пресс-служба РНФ, пресс-служба СФУ,

15 апреля 2019 г.

Два водорода и один кислорода – Наука – Коммерсантъ

В начале своей научной карьеры Авогадро занимался в первую очередь физикой. В 1804 году он был удостоен звания члена-корреспондента, представив исследование, посвященное поведению проводников и диэлектриков в электрическом поле. В дальнейшем Авогадро регулярно публиковал свои работы, посвященные электрическим явлениям. Некоторые открытия Авогадро повлияли на других знаменитых физиков, среди которых был, например, Анри-Мари Ампер, которого Авогадро в дальнейшем назвал «одним из самых искусных физиков наших дней».

Авогадро также занимался выявлением связи между электрическими и химическими явлениями, вопросами теплового расширения тел и теплоемкости. В молодости он испытал влияние французского ученого Жозефа-Луи Гей-Люссака, известного своими экспериментами в области изучения газов и бесчисленными своими полетами на воздушном шаре. В 1808 году Гей-Люссак сформулировал уравнение идеального газа, которое устанавливало зависимость межу давлением, объемом и абсолютной температурой идеального газа. После серии экспериментов Гей-Люссак обнаружил, что 100 объемных частей кислорода и 200 объемных частей водорода образуют воду.

Хорошо знакомый с исследованиями Гей-Люссака и активно занимающийся собственными, Авогадро в 1811 году публикует «Очерк метода определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, согласно которым они входят в соединения». В этой работе ученый делает вывод: поскольку объемы водорода и кислорода, образуя при соединении друг с другом воду, находятся в соотношении 2 к 1, то молекула водорода состоит из двух атомов, а не из одного, а значит, формула воды — Н2О, а не HO, как было принято считать раньше. Кроме того, Авогадро установил, что равные объемы любых газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное число молекул. Как правильно полагал Авогадро, только тогда, когда в опытах Гей-Люссака газы занимали одинаковый объем, молекулы одного газа и молекулы другого газа реагировали между собой без остатка. Впоследствии гипотеза о равном числе молекул в одинаковых объемах газов подтвердилась многочисленными экспериментами. Так был сформулирован закон, справедливо названный впоследствии законом Авогадро.

Авогадро понимал, что для идеального соотношения газов важен еще и фактор массы веществ, которые вступают в соединение друг с другом. Авогадро был одним из первых, кто стал проводить различие между молекулами и атомами вещества, между молекулярной и атомной массой. Так как масса мельчайших неделимых частиц чрезвычайно мала, то легче измерять массу атомов не в граммах, а в своеобразных «атомных упаковках» – молях (устаревшее название – «грамм-молекула»). Так же, как при одинаковых температуре-давлении газы имеют один и тот же объем, в котором содержится одно и то же число молекул, один моль вещества при равнозначных температуре-давлении имеет один и тот же объем и количество молекул. Ученый эмпирически установил, что моль одного вещества составляет 22,4 литра, а количество молекул в моле любого вещества составляет 6,02 * 10 (в степени 23). Если представить атом вещества в виде горошины, то можно представить, что количества молекул, содержащихся в одном моле, достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность Земли 100-метровым слоем этих горошин.

Увы, результаты работ Авогадро по молекулярной теории не были оценены при жизни ученого, а были признаны лишь в 1860 г. на I Международном конгрессе химиков в Карлсруэ.

Даниил Казбеков

Опровергнута самая популярная теория строения воды — Газета.Ru

Ученые Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Королевского института технологий Швеции опровергли самую популярную ныне кластерную теорию строения воды. В ходе работы исследователи предложили новую теорию, согласующуюся с результатами их эксперимента. Работа опубликована в журнале

Nature Communications. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Вода обладает рядом нетипичных свойств, объясняемых ее особой структурой, например, высокой теплоемкостью и низкой электропроводностью. Общепринято, что вода состоит из молекул Н2О, объединенных в группы так называемыми водородными связями. Их наличие обусловлено притяжением между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. Свободные, не входящие в кластеры молекулы присутствуют лишь в небольшом количестве. Mногие ученые считают, что вода – постоянно изменяющаяся смесь кластеров легкого и тяжелого типов. В первом молекулы связаны друг с другом (как во льду), а во втором связи нарушены, благодаря чему такие системы более плотные. Наличие этих фаз можно обнаружить при помощи резонансного неупругого рассеяния рентгеновских фотонов водой. При этом виден переход, в котором электрон с занятой молекулярной орбитали заполняет дырку, на месте которой был выбитый ранее фотоном электрон. Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление резонанса на два пика. В научной литературе получившийся дублет приписывается кластерам легкого и тяжелого типов.

Чтобы пролить свет на эту фундаментальную проблему, авторы работы провели эксперимент с парами воды, где нет водородных связей. В ходе исследования они измерили спектр резонансного неупругого рассеяния изолированной молекулы. Эксперименты показали, что точно такое же расщепление резонанса на два пика присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе. Более того, выполненные теоретические расчеты однозначно объясняют расщепление на спектре сверхбыстрым распадом (диссоциацией) молекулы воды на ионы Н+ и ОН-. Таким образом, исследование свидетельствует о динамической природе расщепления резонанса и опровергает структурный механизм, тем самым демонстрируя, что структура воды однородна.

Второй не менее важный результат этой работы – получение детальной структурной информации о том, как влияют водородные связи на силу OH-связи. Колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия – общепринятый инструмент для исследования водородных связей в жидкостях. Но в них ИК-спектроскопия показывает лишь наиболее интенсивный переход в состояние с минимальной энергией колебаний, которое «слабо чувствует» межмолекулярное взаимодействие. Спектроскопия резонансного неупругого рассеяния воды качественно отличается от ИК-спектроскопии тем, что, получив энергию от рентгеновского фотона, электрон кислорода переходит с самой глубокой орбитали на первую незанятую. В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбужденный электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяженного набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние дает уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи.

«Важно отметить, что, в отличие от изолированной молекулы воды с одной энергией взаимодействия О и Н, в жидкости имеется набор (распределение) таких энергий в силу многообразия ближайшего окружения молекулы воды. Таким образом, второй результат работы – измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей. На следующем этапе исследовании? необходимо выяснить, возможно ли из спектров резонансного неупругого рассеяния воды определить такой важный структурный параметр, как среднее число связей молекулы. Он определяет энергию взаимодействия последней с ее окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и ее теплоемкость», – дополняет Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), старший научный сотрудник Сибирского федерального университета.

Красноярские физики исследовали сверхбыстрый распад молекулы воды — Сибирь

МОСКВА, 15 октября. /ТАСС/. Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) совместно с коллегами из Швеции описали распад молекулы воды при воздействии на нее рентгеновского излучения. Полученные данные в дальнейшем можно использовать для создания материалов с заданными свойствами, сообщила в понедельник пресс-служба СФУ.

Ученые изучают молекулярную структуру вещества с помощью спектроскопии. Для этого молекулы облучают мощным пучком рентгеновского излучения, создаваемым на синхротроне. Рентгеновские лучи, проходя через вещество, рассеиваются и регистрируются специальным детектором, спектрометром. При этом рассеяние происходит на электронной части молекулы — «облаке» электронов. Согласно принципу Франка — Кондона, возбуждение «облака» электронов в молекуле происходит мгновенно. Поэтому молекула, как принято было считать, не успевает изменить свою конфигурацию при распаде.

«Ученые из СФУ совместно с коллегами из Швеции описали распад молекулы воды при воздействии на нее рентгеновского излучения. Они показали, что атомы в ней разделяются очень быстро и это движение можно заметить по изменению спектра излучения. Таким образом, доказывается, что в молекуле воды, которая состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, приближение Франка — Кондона нарушается за счет сверхбыстрого отделения атома водорода в ходе диссоциации, то есть распада молекулы», — говорится в сообщении СФУ.

По словам ученых, результаты исследования, которое выполнено при поддержке Российского научного фонда, в дальнейшем можно использовать для изучения свойств конкретных материалов на молекулярном уровне, в частности, для управления различными химическими реакциями и для создания материалов с заданными свойствами.

«Данные о параметрах и механизмах процессов, происходящих при отрыве атома водорода от молекулы, очень важны для применения и в химии, и в физике, хотя полученные теоретические выкладки еще предстоит проверить экспериментально», — сказал российский физик-теоретик, ведущий научный сотрудник СФУ, профессор Стокгольмского королевского университета Фарис Гельмуханов, слова которого приводятся в сообщении.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

Молекула воды имеет угловое строение: ядра, входящие в ее состав, образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине — ядро атома кислорода. Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии sp³— гибридизации. Поэтому валентный угол HOH (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Отличие валентного угла HOH от тетраэдрического (например, HCH в молекуле метана объясняется асимметрией электронных облаков атомов кислорода: из 4-х электронных пар гибридных орбиталей только две осуществляют ковалентную связь с атомами водорода, а две остаются неподеленными. В молекуле же метана все электроны валентного энергетического уровня атома углерода участвуют в образовании связи. Таким образом, дипольный момент молекулы воды возникает по двум причинам: а) каждая из связей O-H полярна и на том ее конце, где находится ядро водорода имеется избыток положительного заряда, а на «кислородном» конце — избыток отрицательного; б) неподеленные электронные пары атома кислорода создают дополнительную плотность отрицательного заряда на атоме кислорода. Эти особенности строения молекул воды имеют следующие следствия:

а) большой дипольный момент является причиной возникновения диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий в водных растворах;

б) молекула воды образует водородные связи с электроотрицательными атомами других молекул, в том числе других молекул воды;

в) неподеленные электронные пары позволяют молекуле воды образовывать соединения по донорно-акцепторному механизму (например, с катионами металлов). В газообразном состоянии состоит из отдельных молекул. В жидком и твердом состоянии молекулы образуют ассоциаты с помощью водородных связей. Кристаллическая решетка — молекулярная.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Вода — жидкость без цвета, запаха, вкуса. В толстых слоях голубого цвета, так как поглощает красную часть спектра, а синюю отражает. Вода обладает рядом аномальных физических свойств по сравнению с соединениями аналогичного состава. Температуры, при которых вода кипит и замерзает, приняты за эталон, соответственно, 100 °C и 0 °C (при P=1 атм.). Вода обладает большой удельной теплоемкостью, также принятой за эталон (1 кДж/кг*град.). Благодаря этому, водная оболочка Земли (гидросфера), смягчая температурные перепады в атмосфере, в значительной степени определяет климат на нашей планете. Для воды характерны высокие удельные теплоты испарения и плавления, коэффициент поверхностного натяжения, диэлектрическая проницаемость. Если сравнить температуры кипения и плавления воды и аналогичных по составу веществ (водородные соединения элементов главной подгруппы VI группы -H₂S, Н₂Se, H₂Te), то видно, что вода выпадает из общей закономерности. Если для этих соединений с уменьшением порядкового номера элемента IV группы эти величины плавно уменьшаются, то для воды наблюдается скачок изменения физических свойств (температура кипения не 0 °C, а 100 °C; температура плавления не 100 °C, а 0 °C). Аномально изменяется и плотность воды с изменением температуры. Вначале так же, как и у других веществ, с понижением температуры она увеличивается, но достигнув максимума при 4 °C, начинает уменьшаться. Поэтому более тяжелая вода с температурой 4 °C перемещается в глубину, а лед остается на поверхности и изолирует из-за своей плохой теплопроводности воду от дальнейшего замерзания. «Аномальное» поведение воды объясняется ее способностью образовывать ассоциаты за счет водородных связей, на разрыв которых требуется дополнительная энергия. При образовании ассоциатов между молекулами воды образуются «пустоты». Ниже 4 °C их количество уже приводит к тому, что плотность начинает уменьшаться. У льда, в котором каждая молекула воды связана водородными связями с четырьмя другими, размеры «пустот» превышают размеры молекул воды и плотность его небольшая. При плавлении водородные связи разрушаются, «пустоты» заполняются «одиночными» и «сдвоенными» молекулами воды — плотность возрастает. Электроотрицательности S, Se, Te меньше, чем у кислорода; поэтому эффективные заряды в их соединениях меньше и водородных связей они не образуют. Их температуры плавления и кипения растут с ростом молекулярной массы, а соответствующие температуры для воды, молекулярная масса которой меньше — выше. Высокая полярность молекул воды обуславливает также ее большую диэлектрическую проницаемость и способность растворять полярные вещества («подобное в подобном»).

ПОЛУЧЕНИЕ:

Наиболее чистая вода получается при сгорании водорода в кислороде. Однако практически и в лабораторных, и в промышленных условиях чистую воду получают путем перегонки (дистилляции) или пропуская ее через колонки с ионообменной смолой. Эти способы применяются для очистки воды от растворимых солей.

---

Почему снежинка шестиугольная

— Я слышал этот вопрос миллион раз, и он каждый раз вызывает у меня недоумение. Люди это рассматривают как какой-то таинственный парадокс снежинок. Не знаю, кто его придумал, но с какой стати все кристаллы льда должны быть одинаковыми?

Разве что-то во Вселенной бывает абсолютно одинаковым? Не бывает двух одинаковых кристаллов соли, двух одинаковых отпечатков пальцев или двух одинаковых цветочков ромашки. Там, где растет один кристалл и где другой, могут быть разные температурные режимы, разные течения питающего раствора. Они абсолютно одинаковыми и не должны быть. Но они могут быть очень похожими.

— Что еще можно добавить о снежинках из научно-популярных фатов?

— Очень часто, даже как правило, снежинки являются так называемыми скелетными кристаллами. Это само по себе достаточно необычно. Большинство веществ образуют кристаллы, являющиеся выпуклыми многогранниками. А снежинки являются не выпуклыми многогранниками, а, наоборот, выпирают наружу ребра и вершины, а грани являются как бы вдавленными внутрь.

Обычная снежинка выглядит подобно ветке дерева: от ствола отходят ветки, а от них — еще более мелкие ветки. Это фрактальная структура, если хотите. Почему же так происходит в случае снежинок? Обычно скелетные кристаллы образуются при быстрой кристаллизации из сильно пересыщенных растворов или переохлажденных расплавов и газов. То есть такие скелетные формы образуются, когда кристалл растет быстро и пытается дотянуться до максимального количества питательной среды. Если бы кристаллы льда — снежинки — образовывались в более равновесных условиях, то они бы выросли как выпуклые многогранники (и такие кристаллы тоже известны). Но интересно, что в атмосфере, когда идет образование снега, условия не такие — они далеки от равновесных.

— Со снежинками современной науке все предельно ясно и понятно? Ими уже никто не занимается?

— Есть много людей, которые занимаются льдом. Лед вызывает большой интерес у людей, там интересная физика. Про лед можно долго рассказывать — у него есть много полиморфных модификаций, которые образуются, в частности, при высоких давлениях. Там много интересных явлений, таких как аморфизация, вызванная давлением. Если вы берете обычный лед и сдавливаете его при низкой температуре, он вдруг превращается в стеклообразный лед без кристаллической структуры. Это само по себе интересно и не до конца еще понято.

Есть люди, которые всю свою жизнь занимаются льдом и про лед знают всё. Я касался темы льда всего лишь несколько раз в своей жизни. Но мне никогда не было интересно посвящать свою жизнь одному конкретному соединению.

— В недавнем интервью вы сказали: «Я всегда делаю такие вещи, которые делать не принято, в науке занимаюсь задачами, которые считались нерешаемыми». Что вы имели в виду?

— В науке есть модные темы. И когда они возникают, в эти темы идет огромное число исследователей. Это неплохо само по себе, потому что модными темы становятся не просто так, а потому, что они интересны и многообещающи. Но я всегда сторонился модных тем, если только не видел, что могу в этой моде стать законодателем. Я люблю заниматься теми задачами, где нет толкучки и суеты, и при этом знаю, что могу сдвинуть гору и завтра эта тема станет модной. Как правило, темы, которыми я занимаюсь, вчера еще не были модными, а сегодня или завтра вдруг становятся популярными. Но мне удается избежать толкучки, потому что в этой теме я имею фору по времени.

— Назовите, пожалуйста, сами темы, чтобы было понятно, чем занимается кристаллограф. 

— Кристаллографы изучают расположение атомов в структуре вещества и то, как оно предопределяет свойства материалов. Это очень широкая и междисциплинарная область. Список тем, которыми занимаюсь я, таков: предсказание кристаллических структур, предсказание материалов с требуемыми свойствами, химия наночастиц, химия высоких давлений (новые типы соединений и высокотемпературная сверхпроводимость под давлением, химия планетных недр). В этих темах есть много задач, которые «спали», а мы их «разбудили» — и они теперь стали интересны большому кругу ученых.

Мы, ученые, все разные, и это очень хорошо. Мне кажется, что это и в науке, и в жизни очень важно — быть самим собой. Люди, как правило, сильно недооценивают и не вполне понимают этот принцип. Есть люди, которые считают, что быть собой — это ходить в трусах по улице и красить волосы в фиолетовый цвет, они так самовыражаются. А кто-то считает, что надо быть как другие и не высовываться. Я думаю, оба эти подхода неправильные. Мой принцип такой: знать себя, стараться понять себя и мир, в котором ты живешь, и следовать своим лучшим инстинктам. Развиваться, искать себя, не пытаться кого-то копировать, а стремиться найти свой путь и быть честным по отношению к себе и другим. Это применимо и к науке. Не нужно делать то, что делают все вокруг тебя. Жизнь пройдет, и ты так и не узнаешь, зачем ты ее прожил. Ученый не может себе позволить копировать других. Если ты всегда остаешься самим собой, то и научные задачи у тебя будут свои, и результаты будут свои. Когда человек остается самим собой, он незаменим. Когда же он копирует других, он по определению заменим и не уникален.

    

Источник: naukatv.ru

BIOdotEDU

Кислород электроотрицательный Молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентными связями с одним и тем же атомом кислорода. Атомы кислорода электроотрицательны и притягивают общие электроны своими ковалентными связями.Следовательно, электроны в молекуле воды проводят немного больше времени вокруг атомного центра кислорода и меньше времени вокруг атомных центров водорода. Следовательно, ковалентные связи полярны, а атомы кислорода имеют небольшой отрицательный заряд (из-за наличия дополнительной доли электронов), в то время как атомы водорода слегка положительны (из-за дополнительных ненейтрализованных протонов). Водородные связи Противоположные заряды притягиваются друг к другу.Небольшие положительные заряды на атомах водорода в молекуле воды притягивают небольшие отрицательные заряды на атомах кислорода других молекул воды. Эта крошечная сила притяжения называется водородной связью . Эта связь очень слабая. Водородные связи легко образуются, когда две молекулы воды сближаются, но легко разрываются, когда молекулы воды снова расходятся. Они составляют лишь небольшую часть силы ковалентной связи, но их много, и они придают некоторые очень особенные свойства веществу, которое мы называем водой. Вода — жидкость при комнатной температуре Более трех четвертей планеты Земля покрыто водой. Жизнь, вероятно, зародилась в такой жидкой среде, и вода является основным компонентом живых существ (люди на 60 процентов состоят из воды). При комнатной температуре (от нуля до 100 градусов по Цельсию) вода находится в жидком состоянии.Это происходит из-за крошечных слабых водородных связей, которые миллиардами удерживают молекулы воды вместе в течение небольших долей секунды. Молекулы воды постоянно находятся в движении. Если они двигаются достаточно быстро, они превращаются в газ. Газ — это физическое состояние вещества, в котором молекулы находятся далеко друг от друга и движутся очень быстро. Но из-за водородных связей, когда молекулы воды собираются вместе, они прилипают друг к другу на небольшой, но значительный промежуток времени. Это замедляет их и прижимает ближе друг к другу.Они становятся жидкостью; другое состояние вещества, в котором молекулы ближе и медленнее, чем в газе. Следовательно, молекулярная вода является жидкостью при комнатной температуре, и этот факт имеет огромное значение для всего живого на этой планете. Вода — универсальный растворитель Все растворяется в воде.Камень, железо, кастрюли, сковороды, тарелки, сахар, соль и кофейные зерна растворяются в воде. Растворяющиеся вещества называются растворенными веществами , а жидкость, в которой они растворяются, называется растворителем . Сильно полярные вещества (вещи с положительным и / или отрицательным зарядом) легко притягивают молекулы воды. Молекулы воды окружают заряженное растворенное вещество; положительные атомы водорода, близкие к отрицательным зарядам, и отрицательные атомы кислорода, близкие к положительным зарядам молекулы растворенного вещества.Все это взаимодействие задерживает молекулу растворенного вещества в море молекул воды; легко диспергируется и растворяется. Неравное распределение Электроны в связях между идентичными атомами (H-H) распределяются равномерно, поэтому электроны проводят равное количество времени вокруг каждого атомного центра. Эти ковалентные связи неполярные .Электроны разделены между непохожими атомами не делятся поровну, один атом получает больше обычных электронов и, таким образом, имеет слегка отрицательный заряд. Остальные атомы получают меньше, чем полную долю электронов, и поэтому заряжены слегка положительно. Вещества, которые легко и быстро растворяются в воде (сахар, соль и т. Д.), Называются водолюбивыми или гидрофильными веществами. С другой стороны, некоторые растворенные вещества неполярны и не имеют положительных или отрицательных зарядов.Молекулы воды не притягиваются к этим типам молекул (а иногда даже отталкиваются ими). Хотя крошечные количества этих веществ (пластик, масло и т. Д.) Растворяются и растворяются в воде, большинство их молекул просто образуют границу, когда вступают в контакт с водой, и остаются отдельными объектами. Вещества, которые плохо растворяются в воде, называются водобоязненными или гидрофобными веществами. BIO dot EDU © 2003, профессор Джон Бламир

15.1. Структура воды — Chemistry LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Структура воды
2. Резюме
3. Авторы и атрибуция

В своем известном стихотворении «Иней древнего мореплавателя» Сэмюэл Кольридж написал: «Вода, вода везде, ни капли для питья.»Кольридж говорил о том, что был в океане, но не имел воды, потому что он убил альбатроса (очевидно, что принесло неудачу всем на корабле). Примерно \ (75 \% \) поверхности Земли составляет вода. Основной составляющей человеческого тела (более \ (60 \% \)) является вода. Эта простая молекула играет важную роль во всех видах процессов.

Структура воды

Вода — это простая молекула, состоящая из одного атома кислорода, связанного с двумя разными атомами водорода. Из-за более высокой электроотрицательности атома кислорода связи являются полярными ковалентными ( полярных связей ).3 \) гибридизированная атомная орбиталь.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): молекула воды, визуализированная тремя различными способами: модель шара и ручки, модель заполнения пространства и структурная формула с частичными зарядами.

Изогнутая форма молекулы воды имеет решающее значение, потому что полярные связи \ (\ ce {O-H} \) не компенсируют друг друга, а молекула в целом полярна. На рисунке ниже показана чистая полярность молекулы воды. Кислород — это отрицательный конец молекулы, а область между атомами водорода — положительный конец молекулы.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Вода — полярная молекула, так как большая электронная плотность находится вокруг более электроотрицательного атома кислорода.

Полярные молекулы притягиваются друг к другу диполь-дипольными силами, так как положительный конец одной молекулы притягивается к отрицательному концу соседней молекулы. В случае воды высокополярные связи \ (\ ce {O-H} \) приводят к очень низкой электронной плотности вокруг атомов водорода. Каждый атом водорода сильно притягивается к неподеленной паре электронов на соседнем атоме кислорода.Они называются водородными связями и сильнее обычных диполь-дипольных сил.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Водородная связь — это притяжение между неподеленной парой электронов на атоме кислорода одной молекулы и электронодефицитным атомом водорода соседней молекулы.

Поскольку каждый атом кислорода имеет две неподеленные пары, он может образовывать водородные связи с атомами водорода двух отдельных других молекул. На рисунке ниже показан результат — приблизительно тетраэдрическая геометрия вокруг каждого атома кислорода, состоящая из двух ковалентных связей и двух водородных связей.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): В результате двух ковалентных связей и двух водородных связей геометрия вокруг каждого атома кислорода приблизительно тетраэдрическая.

Резюме

• Вода — это молекулярное соединение, состоящее из полярных молекул, имеющих изогнутую форму.
• Атом кислорода приобретает частичный отрицательный заряд, а атом водорода — частичный положительный заряд.

Авторы и авторство

• Фонд CK-12 Шэрон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

Учебник по химии

Учебник по химии Химия воды Полярность воды Вода имеет простую молекулярную структуру. Он состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Каждый атом водорода ковалентно связан с кислородом через общую пару электронов. Кислород также имеет две неподеленные пары электронов.Таким образом, есть 4 пары электронов, окружающих атом кислорода, две пары, участвующие в ковалентных связях с водородом, и две неподеленные пары на противоположная сторона атома кислорода. Кислород — это «электроотрицательный» или «любящий электроны» атом по сравнению с водородом. Вода — это «полярная» молекула, что означает неравномерное распределение. электронной плотности. Вода имеет частичный отрицательный заряд () вблизи атома кислорода из-за неподеленных пар электронов и частичного положительные заряды () рядом атомы водорода. Электростатическое притяжение между частичным положительным зарядом около атомов водорода и частичный отрицательный заряд вблизи кислорода приводит к образованию водородной связи, как показано на иллюстрацию. Способность ионов и других молекул растворяться в воде обусловлена ​​полярностью. Например, на иллюстрации ниже хлорид натрия показан в его кристаллической форме и растворен в воде. Многие другие уникальные свойства воды связаны с водородными связями. Например, ледяные поплавки потому что водородные связи удерживают молекулы воды в твердом теле больше, чем в жидкости, где на молекулу приходится на одну водородную связь. Уникальные физические свойства, включая высокую теплоту испарения, сильное поверхностное натяжение, высокую удельную теплоемкость и почти универсальные растворяющие свойства воды. также связаны с водородными связями.Гидрофобный эффект или исключение соединений, содержащих углерод и водород (неполярные соединения) — еще одно уникальное свойство воды, обусловленное водородными связями. Гидрофобный эффект особенно важен в формировании клеточных мембран. Лучшее описание — сказать, что вода «сжимает» неполярные молекулы вместе. Кислоты и основания, ионизация воды Выделение кислоты H + Основания принимают H + Мы определяем pH раствора как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. при pH 7,0, раствор нейтральный при более низком pH (1-6) раствор кислый при более высоком pH (8-14) раствор щелочной Биологический проект Кафедра биохимии и молекулярной биофизики Университет Аризоны Исправлено: 28 января 2003 г. Связаться с командой разработчиков http: // www.biology.arizona.edu Авторские права на все содержание принадлежат © 1997-2003. Все права защищены.

Вода — полярная молекула | Глава 5: Молекула воды и растворение

Покажите студентам примеры притяжения молекул воды друг к другу.

Напомните учащимся, что в главах 1 и 2 они исследовали поведение воды при различных температурах и исследовали изменения состояния воды.Многие объяснения основывались на идее, что молекулы воды притягиваются друг к другу. Напомните студентам, что в главе 4 они рассмотрели ковалентную связь между кислородом и водородом, которая создает молекулу воды. Теперь студенты будут более внимательно изучать детали ковалентных связей в молекуле воды, чтобы понять, почему молекулы воды притягиваются друг к другу.

Спроектируйте видео «Водный шар».

Это видео было показано в Главе 1, Урок 1, чтобы показать, что молекулы воды притягиваются друг к другу.

Спроектировать видео Фонтан.

Укажите, что вода может оставаться вместе в этих дугах, потому что молекулы воды очень притягиваются друг к другу.

Покажите анимацию молекулярной модели, показывающую, почему молекулы воды притягиваются друг к другу.

Спроектируйте анимацию «Полярная молекула воды».

Первый кадр анимации

Электроны разделены между атомами ковалентной связью.

Напомните студентам, как общие электроны в молекуле воды притягиваются к протонам как в атомах кислорода, так и в атомах водорода. Эти притяжения удерживают атомы вместе.

Молекулы воды нейтральны.

Убедитесь, что учащиеся осознают, что протоны или электроны не приобретаются и не теряются. В молекуле воды всего 10 протонов и 10 электронов (8 от атома кислорода и по 1 от каждого из двух атомов водорода). Поскольку в ней одинаковое количество протонов и электронов, молекула воды нейтральна.

Нажмите «Играть»

Модель электронного облака показывает, где находятся электроны в молекуле.

Скажите студентам, что еще один способ увидеть разницу в том, где находятся электроны, — это использовать модель электронного облака. Напомните учащимся, что невозможно узнать точное местоположение электрона, поэтому иногда области, занятые электронами, отображаются в виде «облаков» вокруг ядра в атоме или молекуле.

Неравное распределение электронов делает воду полярной молекулой.

Скажите студентам, что атом кислорода притягивает электроны немного сильнее, чем водород. Таким образом, даже несмотря на то, что электроны от каждого атома притягиваются как кислородом, так и водородом, электроны немного больше притягиваются к кислороду. Это означает, что электроны проводят немного больше времени на кислородном конце молекулы. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным. Поскольку электронов не так много около водородного конца, этот конец немного положительный.Когда ковалентно связанная молекула имеет больше электронов в одной области, чем в другой, ее называют полярной молекулой.

Модель электронного облака может показать неравное распределение электронов.

Укажите, что электронное облако вокруг кислорода темнее электронного облака вокруг водорода. Это показывает, что электроны больше притягиваются к кислородному концу молекулы, чем к водородному концу, что делает молекулу воды полярной.

Нажмите «Далее»

Цвет может быть добавлен к модели электронного облака, чтобы показать, где электроны с большей или меньшей вероятностью могут находиться.

Скажите студентам, что это еще одна модель молекулы воды. В этой модели цвет используется для отображения полярных областей молекулы воды. Отрицательная область около атома кислорода — красная, а положительная область около атомов водорода — синяя.

Совместно спроектируйте анимацию «Полярная вода».

Спросите студентов:

Что вы замечаете в ориентации молекул воды?

Красная (кислородная) область одной молекулы воды находится рядом с синим (водородным) концом другой молекулы воды.

Почему молекулы воды так притягиваются друг к другу?

Поскольку кислородный конец молекулы воды слегка отрицателен, а водородный конец слегка положителен, логично, что молекулы воды притягиваются друг к другу.

Раздайте каждому учащемуся лист с упражнениями.

Учащиеся запишут свои наблюдения и ответят на вопросы о деятельности в листе действий. «Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполняться в классе, в группах или индивидуально, в зависимости от ваших инструкций.Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

Покажите студентам, что связи между атомами в молекуле отличаются от полярного притяжения между молекулами.

Спроецируйте изображение Аттракционы разных уровней.

Студенты могут быть сбиты с толку относительно связей внутри молекулы воды и притяжения между молекулами воды.

Связи внутри молекул и полярное притяжение между молекулами.

Объясните студентам, что взаимодействие между кислородом одной молекулы воды и водородом другой молекулы отличается от разделения электронов между кислородом и атомами водорода внутри самой молекулы воды.

Это все о влечении между положительным и отрицательным.

Укажите учащимся, что влечение между положительным и отрицательным работает на трех разных уровнях.

1. Одиночный атом остается вместе из-за притяжения между положительно заряженными протонами и отрицательно заряженными электронами.
2. В молекуле два или более атома остаются вместе из-за взаимного притяжения между положительно заряженными протонами одного атома и отрицательно заряженными электронами другого атома. Это вызывает ковалентную или ионную связь, которая удерживает атомы или ионы вместе.
3. Две или более молекулы воды остаются вместе, потому что положительная и отрицательная части молекул притягиваются друг к другу.

Попросите учащихся отметить положительные и отрицательные области на молекуле воды, обозначив их модели мячей из пенополистирола цветом.

материалов для каждой группы

• Модели молекул воды из пенополистирола из главы 2, урок 2 (по две на каждого учащегося)
• Перманентные маркеры (синий и красный)

Процедура

1. Нарисуйте синий «+» на каждом из атомов водорода.
2. Нарисуйте два красных «-» внизу атома кислорода.
3. Повторите это для другой молекулы воды.
4. Расположите молекулы воды так, чтобы противоположные заряды находились рядом друг с другом.

Спросите студентов:

Как ваши модели молекул воды из пенополистирола соотносятся с цветной моделью плотности заряда, показанной на анимации?

Разные цвета показывают, что вода — полярная молекула.

Что означают красные знаки «-» на атоме кислорода?

Красный знак «-» обозначает область, где больше электронов.

Что означают синие знаки «+» на атомах водорода?

Синие знаки «+» обозначают область, где меньше электронов.

Поскольку молекулы воды полярны, как они располагаются в жидкой воде?

Положительная область одной молекулы воды притягивается к отрицательной области другой молекулы воды.

Попросите учащихся разработать тест для сравнения скорости испарения воды и спирта.

Напомните студентам, что молекулы воды очень полярны.Сильное притяжение между молекулами воды влияет на поверхностное натяжение воды, температуру кипения и скорость испарения. Скажите студентам, что они проведут эксперимент, чтобы сравнить скорость испарения воды и другой жидкости, которая не является такой полярной.

Спросите студентов:

Как вы думаете, такое вещество, как вода, с полярными молекулами, будет испаряться быстрее или медленнее, чем такое вещество, как спирт, с молекулами, которые не столь полярны?

Более полярные молекулы будут больше слипаться и, вероятно, будут испаряться медленнее, чем менее полярные.Менее полярные молекулы должны испаряться быстрее, потому что они не так притягиваются друг к другу.

Как вы могли бы разработать быстрый и простой тест на испарение, чтобы сравнить скорость испарения воды и спирта?

• Какие материалы вам понадобятся?
• Следует ли использовать одинаковое количество воды и алкоголя?
• Как узнать, испаряется ли один быстрее другого?
• Есть способ сделать это, чтобы это не заняло много времени?

Студенты должны сказать, что им потребуется такое же небольшое количество воды и спирта.Эти жидкости следует одновременно класть на поверхность, например оберточное бумажное полотенце, чтобы учащиеся могли определить, когда каждая жидкость испаряется.

Попросите учащихся выполнить следующую процедуру, чтобы сравнить скорость испарения воды и спирта.

Вопрос для расследования

Вода испаряется быстрее или медленнее, чем менее полярный спирт?

материалов для каждой группы

• Изопропиловый спирт (70% или выше)
• Вода
• Полотенце коричневое
• Капельницы

Процедура

1. Одновременно нанесите 1 каплю воды и 1 каплю спирта на коричневое бумажное полотенце.Наблюдать.

Ожидаемые результаты

Темное пятно на бумажном полотенце, сделанное спиртом, станет светлее быстрее, чем темное пятно, оставленное водой. Это указывает на то, что спирт испаряется быстрее, чем вода.

Подробнее о подсчете молекул читайте в разделе «Информация для учителя».

Примечание. Этот тест подходит для учащихся средней школы, но в нем есть что-то, что не делает его полностью справедливым.В капле воды намного больше молекул воды, чем молекул спирта в капле спирта. Тест будет более справедливым, если на бумажное полотенце поместить одинаковое количество молекул воды и спирта. Для этого нужен способ «подсчитать» молекулы. Определение количества частиц в образце является базовой концепцией химии, но выходит за рамки химического раздела средней школы. Даже если бы в этом занятии использовалось одинаковое количество молекул воды и спирта, спирт испарялся бы быстрее.

Обсудите наблюдения студентов и опишите различия в полярности между молекулами воды и спирта.

Спросите студентов:

Что быстрее испаряется, вода или спирт?

Спирт испаряется быстрее.

Спроецируйте изображение молекул воды и спирта.

Скажите студентам, что понимание полярности может помочь объяснить, почему вода испаряется медленнее, чем спирт.

Напомните студентам, что связи кислород-водород (O – H) в воде делают ее полярной молекулой. Эта полярность заставляет молекулы воды притягиваться друг к другу.

Объясните, что связь кислород-водород (O – H) в молекуле спирта также полярна. Но связи углерод-водород (C – H) в остальной части молекулы спирта неполярны. В этих связях электроны распределяются более или менее равномерно.

Поскольку в молекуле спирта есть как полярные, так и неполярные области, они несколько меньше притягиваются друг к другу, чем молекулы воды друг к другу.Это облегчает расщепление молекул спирта и их перемещение в воздух в виде газа. Вот почему спирт испаряется быстрее, чем вода.

Попросите учащихся подумать, как полярность может повлиять на температуру кипения воды и спирта.

Вы знаете, что вода и спирт имеют разные характеристики из-за молекул, из которых они сделаны, и того, как эти молекулы взаимодействуют друг с другом.

Спроецировать изображение Кипение воды и спирта.

На этом рисунке показано, что спирт кипит при более низкой температуре, чем вода.

• Вода кипит при 100 ° C
• Спирт кипит при 82,5 ° C

Спросите студентов:

Зная, что вы делаете с полярностью воды и спирта, объясните, почему спирт кипит при более низкой температуре, чем вода.

Полярная характеристика молекул воды заставляет их хорошо притягиваться друг к другу.Менее полярные молекулы спирта не притягиваются друг к другу так сильно, как молекулы воды. Для того, чтобы вода закипела, требуется больше энергии, чем для закипания спирта. Другими словами, спирт кипит при более низкой температуре, чем вода.

Конфигурация молекулы воды

Конфигурация молекулы воды

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Одно-единственное электронное кольцо вокруг ядра каждого атома водорода имеет только один электрон.Отрицательный заряд электрона уравновешивается положительным зарядом одного протона в ядре водорода. Электронное кольцо водорода на самом деле предпочло бы иметь два электрона для создания стабильной конфигурации. Кислород, с другой стороны, имеет два электронных кольца с внутренним кольцом, имеющим 2 электрона, что является холодным, потому что это стабильная конфигурация. Внешнее кольцо, с другой стороны, имеет 6 электронов, но хотелось бы иметь еще 2, потому что во втором электронном кольце 8 электронов являются стабильной конфигурацией.Чтобы уравновесить отрицательный заряд 8 (2 + 6) электронов, ядро ​​кислорода имеет 8 протонов. Водород и кислород хотели бы иметь стабильные электронные конфигурации, но не как отдельные атомы. Они могут выйти из этого затруднительного положения, если согласятся делиться электронами (своего рода энергетический «договор»). Итак, кислород разделяет один из своих внешних электронов с каждым из двух атомов водорода, и каждый из двух атомов водорода разделяет один и единственный электрон с кислородом. Это называется ковалентной связью. Каждый атом водорода думает, что у него два электрона, а атом кислорода думает, что у него 8 внешних электронов.Все счастливы, не так ли?

Рисунок 1. Молекула воды

Источник: Морин Фейнман

Однако оба атома водорода находятся по одну сторону от атома кислорода, так что положительно заряженные ядра атомов водорода остаются открытыми, так сказать, оставляя этот конец молекулы воды со слабым положительным зарядом. Между тем, на другой стороне молекулы избыточные электроны атома кислорода придают этому концу молекулы слабое отрицательное изменение.По этой причине молекула воды называется «диполярной» молекулой. Вода является примером полярного растворителя (одного из лучших), способного растворять большинство других соединений из-за неравномерного распределения заряда молекулы воды. В растворе слабая положительно заряженная сторона одной молекулы воды будет притягиваться к слабой отрицательно заряженной стороне другой молекулы воды, и две молекулы будут удерживаться вместе так называемой слабой водородной связью. В температурном диапазоне морской воды слабые водородные связи постоянно разрушаются и реформируются.Это придает воде некоторую структуру, но позволяет молекулам легко скользить друг по другу, превращая воду в жидкость.

Часто задаваемые вопросы по химии воды

Что такое вода?

Вода — очень важное вещество, так как составляет большую часть организма. Но что такое вода? Внутри человеческого тела находится скелет, который делает ваше тело прочным и гарантирует, что вы сможете встать, не развалившись. Вода — тоже своего рода скелет. Он состоит из крошечных частиц, атомов, как и любое другое вещество на Земле.Один из этих атомов называется водородом, а другой — кислородом. Как вы, наверное, знаете, воздух, которым мы дышим, также содержит кислород. Одна частица воды называется молекулой. Когда множество молекул воды сливаются вместе, мы можем видеть воду и пить ее или использовать, например, для смыва туалета.

Как устроена молекула воды?

Молекула воды состоит из трех атомов; атом кислорода и два атома водорода, которые связаны вместе, как маленькие магниты.Атомы состоят из вещества, в центре которого находится ядро. Разница между атомами выражается атомными номерами. Атомный номер атома зависит от количества протонов в ядре атома. Протоны — это небольшие положительно заряженные частицы. У водорода в ядре один протон, у кислорода восемь. В ядре также есть незаряженные частицы, называемые нейтронами. Помимо протонов и нейтронов, атомы также состоят из отрицательно заряженных электронов, которые можно найти в электронном облаке вокруг ядра.Количество электронов в атоме равно количеству протонов в ядре. Притяжение между протонами и электронами — вот что удерживает атом вместе.

Сколько весит молекула воды?

Вес молекулы определяется атомными массами атомов, из которых она построена. Атомная масса атома определяется сложением количества протонов и нейтронов в ядре, потому что электроны почти ничего не весят.Когда атомные массы отдельных атомов известны, нужно просто сложить их, чтобы найти общую атомную массу молекулы, выраженную в граммах на моль. Моль — это выражение молярной массы молекулы, производное от массы молекулы водорода, которая составляет 1 моль.
Водород имеет относительную атомную массу 1 г / моль, а кислород имеет относительную атомную массу 16 г / моль. Вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Это означает, что масса молекулы воды составляет 1 г + 1 г + 16 г = 18 г / моль.
Если известно количество молей воды, можно рассчитать, сколько это граммов веса, используя молярный вес воды.

Молярную массу отдельных атомов можно найти в периодической таблице Менделеефа.

В каких состояниях (фазах) может находиться вода?

Вода существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. При нормальной температуре около 25 ^o C он жидкий, но ниже 0 ^o C он замерзнет и превратится в лед.Вода может находиться в газообразном состоянии при температуре выше 100 ^o ° C, это называется точкой кипения воды, при которой вода начинает испаряться. Вода превращается в газ, после чего не имеет запаха и цвета.
Скорость испарения воды зависит от температуры; при высокой температуре вода испарится быстрее.

Что произойдет, если вода сменит фазу?

Фазовые изменения воды

Переходы из жидкости в твердое тело или в газ называются фазовыми изменениями.Когда вещество, такое как вода, меняет фазу, изменяется его внешний вид, но не химические свойства. Это потому, что химическая структура остается той же, но молекулы, из которых она состоит, будут плавать немного дальше друг от друга. В твердом состоянии молекулы воды расположены довольно близко друг к другу, но в жидком состоянии они немного дальше друг от друга. Вода становится жидкой в ​​результате расставания молекул. Когда вода переходит из жидкости в газ, молекулы расходятся еще дальше, поэтому мы не можем это обнаружить.

Почему лед плавает на воде?

Когда вещества замерзают, молекулы обычно сближаются. У воды есть аномалия: она замерзает ниже 0 ^o C, но когда температура опускается ниже 4 ^o C, вода снова начинает расширяться, и в результате плотность становится ниже. Плотность вещества означает вес в килограммах кубического метра вещества. Когда два вещества смешиваются, но не растворяются друг в друге, вещество с наименьшей плотностью плавает на другом веществе.В данном случае это лед из-за меньшей плотности воды.

Почему не все вещества растворимы в воде?

Полярность определяет, растворяется ли вещество в воде. Полиэфирное вещество — это вещество, которое имеет два типа «полюсов», как в магните. Когда другое вещество также является полярным, полюса веществ притягиваются друг к другу, и в результате вещества смешиваются. Затем вещество растворяется в воде.
Вещества, не содержащие полюсов, называются эфирными веществами.Например, масло — это непрозрачное вещество, поэтому масло не растворяется в воде. На самом деле он плавает по воде, как лед, из-за его меньшей плотности.

Что такое жесткая вода?

Когда воду называют «жесткой», это просто означает, что она содержит больше минералов, чем обычная вода. Это особенно минералы кальций и магний. Степень жесткости воды тем выше, чем больше растворяется кальция и магния.
Магний и кальций — положительно заряженные ионы.Из-за их присутствия другие положительно заряженные вещества хуже растворяются в жесткой воде, чем в воде, не содержащей кальция и магния. Это причина того, что мыло не растворяется в жесткой воде.

Для получения дополнительной информации о жесткой воде ознакомьтесь с часто задаваемыми вопросами по умягчителю.

Каковы физические и химические свойства?

Физические свойства вещества — это свойства, которые имеют прямое отношение к внешнему виду вещества.Химические свойства — это свойства, которые часто используются в химии для определения состояния вещества. Физические и химические свойства могут кое-что сказать нам о поведении вещества в определенных обстоятельствах.

Какими физическими и химическими свойствами обладает вода?

Есть несколько различных физических и химических свойств, которые часто используются попеременно. Можно назвать следующие:
— Плотность. Плотность воды означает вес определенного количества воды.Обычно выражается в килограммах на кубический метр. (физические)
— Тепловые свойства. Это относится к тому, что происходит с водой, когда она нагревается; при какой температуре он становится газообразным и тому подобное. (физический)
— Электропроводность. Это означает количество электричества, которое может проводить вода. Выражается в химической величине. (физический)
— Поглощение света. Это количество света, которое определенное количество воды может поглотить с течением времени. (химический)
— Вязкость. Это означает сиропность воды и определяет ее подвижность.Когда температура повышается, вязкость ухудшается; это означает, что вода будет более подвижной при более высоких температурах. (физический)
— pH. У pH есть собственная шкала от 1 до 14. pH показывает, является ли вещество кислотным (pH 1-6), нейтральным (pH 7) или основным (pH 8-14). Количество атомов водорода в веществе определяет pH. Чем больше в веществе атомов водорода, тем ниже будет pH. Вещество, содержащее много атомов водорода, является кислотой. Мы можем измерить pH, окунув в вещество специальную красящую бумагу, цвета которой показывают, какой pH имеет вещество.(химический)
— Щелочность. Это способность воды нейтрализовать кислоту или основание, так что pH воды не изменится. (химический)

Щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию о химическом составе воды

Для получения информации о терминологии по воде ознакомьтесь с нашим Глоссарием по воде или вернитесь к обзору часто задаваемых вопросов по воде

Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас есть другие вопросы

Почвенная вода: от Молекулярная структура к поведению

Бахманн, Дж. И ван дер Плоег, Р.R. Обзор недавних разработки в теории удержания влаги в почве: межфазное натяжение и температурные эффекты. Дж. Плант Нутр . 165 , 468-478 (2002).

Brantley, S. L., Kubicki, J. D. & White, A. F. eds. in Кинетика взаимодействия воды и породы . Springer, 2008.

Brutsaert, W. Hydrology: An Introduction . 605 Cambridge University Press, 2005.

Берджесс, Дж. Ионы металлов в растворе . 1-е изд. Wiley, 1978.

Кэмпбелл, Г. С. и Норман, Дж. М. Введение в биофизику окружающей среды . Vol. второй 286 Springer-Verlag, 1998.

Эйзенберг Д. и Каузманн В. Структура и свойства воды . 296 Oxford University Press, 1969.

Эссингтон М.Э. Химия почвы и воды: комплексный подход . CRC Press, 2004.

Фалькенмарк, М. и Рокстрём Дж. Новая парадигма голубой и зеленой воды: ломка Новая основа для планирования и управления водными ресурсами. Журнал планирования и управления водными ресурсами 132 , 129-132 (2006).

Фортес, А.Д. и др. . Нет доказательств крупномасштабного протонного упорядочения в антарктическом льду по данным порошковой дифракции нейтронов. Журнал химической физики 120 , 11376-11379 (2004).

Фортуна А. Почвенная биота. Знания в области естественного просвещения 3 , 1 (2012).

Франк, Х.С. в Вода: всеобъемлющий трактат Vol.1 (под ред. Ф. Франкса), гл. 14, 515-543 Пленум, 1972.

Franks, F. Вода: матрица жизни . 225 Королевское химическое общество, 2000.

Хастед, Дж. Б. в Вода: всеобъемлющий трактат Vol. 1 (под ред. Ф. Франкса) гл. 7, 255-309 Пленум, 1972 г.,

Хэвлин, Дж. Л., Битон, Дж. Д., Тисдейл, С. Л. и Нельсон, В. Л. Плодородие почвы и удобрения . 7-е изд. Прентис Холл, 2005.

Гилель Д. Физика почв окружающей среды .770 Academic Press, 1998.

ИЮПАК. Сборник химической терминологии («Золотая книга») . 2-е изд. Научная публикация Блэквелла, 1997.

Ives, D. J. G. & Lemon, T. H. Структура и свойства воды Королевский институт химии Обзоры 1 (1968).

Джеймс, Т., Уэльс, Д. Дж. И Эрнандес-Рохас, Дж. Глобальные минимумы для водных кластеров (H ₂ O) _n , n ≤ 21, описываемые пятиузловым эмпирическим потенциалом. Chem Phys Lett 415 , 302-307 (2005).

Джури, У. А. и Хортон, Р. Физика почвы . 6-е изд. 370 Wiley, 2004.

.

Киркхэм, М. Б. Принципы водных отношений между почвой и растением . Эльзевир, 2005.

Линдси, В. Л. Химические равновесия в почвах . 449 Wiley, 1979.

.

Ловли, Д. Р. Микробное восстановление железа, марганца и других металлов. Достижения в области агрономии 28 , 175-231 (1995).

Майер Р. М., Пеппер И. Л. и Герба К. П. Экологическая микробиология . 2-е изд. Эльзевир, 2008.

Манахан С.Э. Химия окружающей среды . 8-е изд. CRC Press, 2004.

Marais, D. J. D. и др. . Дорожная карта астробиологии НАСА Astrobiology 8 , 715-730 (2008).

Макнер-младший, Д. Х. Ризосфера — корни, почва и все остальное Между Знания в области естественного образования 4 , 1 (2013).

Мосс, Б. Экология пресных водоемов: взгляд на XXI век . 4-е изд. Wiley, 2010.

.

Национальная инженерная академия. Грандиозные вызовы инженерии. (Национальная академия наук, Вашингтон, округ Колумбия, 2008 г.).

О’Гин, А. Т. Динамика почвенных вод. Знания в области естественного образования 4 , 9 (2013).

Полинг Л. Общая химия . 3-е изд. 992 Dover Publications, 1988.

Пьерзинский, Г. М., Симс, Дж. Т. и Вэнс, Г. Ф. Почвы и качество окружающей среды . 3-е изд. Тейлор и Фрэнсис, 2005.

Соломон, С. Вода: эпическая борьба за богатство, власть и цивилизацию . 624 Харпер, 2011.

Спаркс, Д. Л. Химия почв в окружающей среде . 2-е изд. Academic Press, 2003.

.

Sposito, G. Химия почв . Oxford University Press, 2008.

Спозито, Г. в Почва под ногами: бесконечные возможности для конечного ресурса (ред.Черчман и Э. Р. Ланда) CRC Press, 2013.

Штумм В. и Морган Дж. Дж. Водная химия . 3-е изд. Wiley, 1996.

.

Томпсон, А. и Гойн, К. В. Введение в сорбцию химических компонентов в почвах. Знания о естественном образовании 4 , 7 (2012).

Уэльс, Д. Дж. и др. . Кембриджская кластерная база данных (2013).

.