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.

Чем отличается молекула кислорода от молекулы воды?

Чтой то такое мох ответьте пожалуйста

какие элементы культуры схожи у коренных народов Африки и Америки,и почему?(кратко)​

Проект «Основы исламской культуры» на тему (на выбор): Я и ислам.

Проект «Основы исламской культуры» на тему (на выбор):Как я понимаю ислам.Я и ислам.Главные обязанности мусульман.Паломничество в Мекку.Ислам в России … .Мусульманские святыни России.Что я знаю о пророке Мухаммаде.Благотворительность и милосердие в исламской культуре.Ислам как мировая религия, причины возникновения и особенности вероучения.Главные исламские праздники.Проект — творческая работа, может быть представлен в виде сочинения, эссе, статьи, репортажа, видео ролика, серии рисунков с пояснениями, коллажа с пояснениями, комикса, реферата, презентации и т.д — форму подачи выбирает ученик. В работе важно раскрыть выбранную тему, показать свое понимание изученного курса.Обращаем внимание:в работе важно соблюдать правила цитирования, неуникальные работы не могут быть оценены высоко.Не стоит углубляться в теорию: в проекте важно отразить свой жизненный опыт, свое отношение к теме.10 балов

прокурор района г. н не согласился с решением следователя о прекращении уголовного делла по основаниям п.2 ч.1 ст.24 упк рф и отменил его решение. сле … дователь обжаловао данное постановление прокурора прокурору н-ской области через руководителя следственного органа. дайте правовую оценку действиям следователя. о каком принципе организации и деятельности прокуратуры идет речь? очень срочно

Что такое централизация?Не отвечать с копий!Копия-Бан.​

7. Mahilig umawit ang magkaibigang Nery. Judy, at Marissa kaya naisipan nilangmagtatag ng isang samahan upang lalo pa nilang malinang ang kanilang tal … entAnong karapatan ang tinutukoy nito?A Likas na karapatanC. Karapatang PolitikalB. Karapatan ng nasasakdalD. Karapatang Siba​

относится к декоративно-прикладному искусству а )живопись б) ювелирное искусство с) скульптура​

Пожалуйста помогите срочно!!!!!! Оченньь сроооччно пж​

Почему в современном обществе невозможно понять, какое социальное положение занимает человек, только по экономическому критерию? Зачем необходимо знат … ь другие параметры — доступ к власти, образование, место жительства?

контрудар-13 — Перенесенная химия

которым предстоит вступить в связь.23 атомами бериллия и ни один атом не будет обделен. Ибо у обоих химически элементов по две “ответные части”.

Если же предстоит соединить трехвалентный элемент с пятивалентным, надо взять пять моль первого элемента и три моль второго. Потому что у 5 моль трехвалентного элемента столько же “концов”, сколько у 3 моль пятивалентного. Нетрудно догадаться, да?

А как же узнать, сколько весит один моль того или иного вещества?

Да легко: 12 грамм углерода — это 1 моль (так решил Авогадро — должен же быть эталон). Что, по сути, означает: молярная масса углерода — 12 грамм на моль. Атом углерода имеет атомную массу 12 (смотрим ее в таблице Менделеева). Если вещество, например, вдвое тяжелее углерода, ясно, что один моль такого вещества (такое же количество атомов) будет весить ровно вдвое больше. Несложно догадаться, что любое вещество имеет молярную массу, равную его атомной массе. А атомная масса указана в таблице Менделеева.23 атомов.

Взвешиваем сколько нужно моль одного вещества и другого. Производим реакцию. Вся любовь.

Если же в реакции участвуют молекулы, суммируем массы всех атомов, входящих в состав молекулы. Например, вода — h3O. Смотрим таблицу Менделеева: водород весит 1 а.е.м. (атомная единица массы), кислород — 16.

В молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. Суммируем:

1 а.е.м первого атома водорода +1 а.е.м. второго атома водорода +16 а.е.м. атома кислорода =18 а.е.м.

Сие означает: один моль воды весит 18 грамм. И эти 18 грамм содержат столько же “структурных единиц”, сколько эталон — 12 грамм углерода. Просто? Пожалуй. Понятно, что верно и обратное утверждение:

сколько весит (в граммах) один моль любого вещества, столько нуклонов содержится суммарно в его молекулах.

А если вещество — газ? Его как взвесить?

Никак. В этом нет необходимости. Ибо 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Прикольно, да? Одинаковое количество молекул любого газа в одинаковых условиях занимает одинаковый объем. А что есть “нормальные условия”? 0 градусов по Цельсию и 1 атмосфера. Или один килограмм на квадратный сантиметр, если угодно.

Из вышеприведенного видно, что если испарить 18 грамм (1 моль) воды, она займет объем 22,4 литра.

Если мы хотим взорвать гремучий газ — смесь кислорода с водородом — нужно 22,4 литра кислорода смешать с 44,8 литра водорода. Надеть каску и поднести спичку. Смесь сгорит (точнее, взорвется) без остатка.

В цилиндры двигателя внутреннего сгорания засасывается воздух и впрыскивается топливо. Топливо сгорает, выделяется тепло и совершается работа — перемещается поршень. Если мы хотим ехать помедленнее, подаем в цилиндры меньше топлива — убираем ногу с педали акселератора (в народе — педаль газа). В этом случае части молекул кислорода не достается топливо и эти молекулы выходят из цилиндра не среагировав с ним — в виде того же кислорода.

Если же нам нужно ускориться — давим на педаль — впрыскиваем больше топлива. Когда мы давим педаль «в пол», уже каждая молекула кислорода находит себе молекулы топлива для реакции, а значит газ в цилиндре нагревается (а значит — и расширяется, давя на поршень) сильнее.

Но больше определенного количества топлива в цилиндр подавать нет смысла — для его сгорания просто не хватит кислорода в цилиндре. То есть, части молекул топлива не достанется молекул кислорода, не сгоревшая часть топлива вылетит в выхлопную трубу. И никакой прибавки мощности мы не получим. Если прибавка мощности таки нужна, требуется двигатель либо с большим объемом цилиндров (чтобы больше воздуха влезало), либо в цилиндры воздух придется подавать под давлением — с турбины или компрессора. Только в этом случае каждая молекула топлива найдет себе молекулу кислорода для окисления (сгорания).

В этом смысл молярных расчетов.

Вообще, смесь горючих газов с кислородом взрывается только при определенном диапазоне их соотношений. Если одного из газов слишком много или мало, взрыва не будет. Максимальная же мощность при взрыве выделяется при правильном соотношении газов, когда на каждую молекулу одного газа приходится молекула второго газа-реагента (если их валентность одинакова). Если же валентность разная, то при правильном соотношении их объемов с учетом валентности:

Водородное топливо — Что такое Водородное топливо?

Lh3 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).

В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH

2).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂). 

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O). 

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества. 

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза. 

Есть другие технологии:

• использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы. 

Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.
Экологичность — важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее — по углеродному следу.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. 

Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н₂ + 0,5 О₂= Н₂О

после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии. 

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода. 
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

СН₄ + 2Н₂0 = CO₂ + 4Н₂ — 165 кДж

• 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → h3↑ + 2NaOH + Cl2

• 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

h3O + C ⇄ h3 + CO

• 3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

• 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
• 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

• 6.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

• 7.Гидролиз гидридов:

NaH + H₂O → NaOH + H₂↑

• 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ Zn + 2KOH + 2H₂O → K₂[Zn(OH)₄] + h3↑

• 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O⁺ + 2e^— → H₂↑ + 2H₂O

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства Газообразный водород может существовать в 2^х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна — Н_₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н₂=2Н — 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F₂+H₂=2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н₂ = Cu + Н₂0

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N₂ + 3H₂ → 2 NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ → CH₄

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ → Cu + H₂O Fe₂O₃ + 3H₂ → 2 Fe + 3H₂O WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:

•  для атомно-водородной сварки,
•  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
•  химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
•  в качестве ракетного топлива,

Энергетика

Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.
Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.
Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.
Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:

• более чистый производственный процесс, 
• нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии. 

Водород можно производить с помощью воды и электричества, а батареи часто зависят от токсичных материалов, таких как цинк, никель и марганец, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду при их добыче в открытых карьерах или на морском дне и после их утилизации.
При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.
Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ. 
Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

Основные физико-химические характеристики воды

Химически чистая вода h3O бесцветна, не имеет запаха и вкуса, в относительно толстом слое кажется окрашенной в голубоватый цвет.

Молекула воды состоит из двух одновалентных ионов водорода H+ и двухвалентного ионы кислорода О2—, которые расположены в вершинах равнобедренного треугольника. Угол у вершины треугольника, занятый ионом кислорода, равен 104,5°, длина связи О—Н равна 0,096 нм, расстояние между ионами Н+ равно 0,15 нм, размер молекулы воды считается близким к 0,28 нм (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Простейшая схема молекулы воды

Ближе к реальности представление молекулы h3O в форме пространственной фигуры — тетраэдра с двумя положительными вершинами на ионах водорода Н+ и двумя отрицательными вершинами на вытянутых электронных орбитах иона кислорода (рис. 1.2). Иногда упрощенно молекулы воды изображают в виде диполя (рис. 1.3), поскольку центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Рис. 1.2. Представление молекулы воды в виде тетраэдра Рис. 1.3. Представление молекулы воды в виде диполя

Особенностью молекул воды являются способность соединяться между собой в многозвенные ассоциаты за счет образования водородных связей (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема образования водородных связей между молекулами воды

Поскольку у молекулы имеются как бы четыре полюса электрических зарядов, то каждая молекула связывается с четырьмя другими молекулами, располагающимися также в вершинах тетраэдра (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Пространственный ассоциат в виде тетраэдра из молекул воды
Эти пятизвенные тетраэдры частично соединяются между собой, образуя более сложные пространственные структуры. Ассоциаты не являются устойчивыми постоянными пространственными элементами структуры воды. Вследствие теплового движения ориентация молекул изменяется, что приводит к распаду существующих ассоциатов и образованию новых. Продолжительность жизни ассоциатов предполагается близкой к 10—12—10—11 секунд. Столь быстрое установление и разрушение пространственных упорядоченных элементов делает структуру воды исключительно изменчивой («мерцающей»), а упорядочение носит статистический характер.

Степень ассоциированности зависит от температуры воды. Полностью все молекулы ассоциированы между собой в единую жесткую пространственную структуру только во льду, причем при температуре ниже —183° С. При более высокой температуре часть водородных связей разрушается; считается, что вблизи температуры плавления (0° С) разрушаются 9–16% общего количества водородных связей, а при 40° С — примерно половина. При переходе в газообразное состояние (в пар) разрушаются практически все водородные связи, очень небольшая часть молекул воды соединена в двойные агрегаты (дигидроли). Изменение степени ассоциированности оказывает столь заметное влияние на свойства воды, что, по мнению некоторых специалистов, воду при 25—75°С и воду вблизи 0°С можно рассматривать как два различных по своей природе растворителя. Жидкую воду можно представить состоящей из областей двух видов — «льдоподобных» с ассоциированными молекулами и «плотноупакованных» со свободными отдельными молекулами. Такие области, включающие 102–103 молекул, постоянно разрушаются и вновь возникают.

Энергия водородных связей составляет около 18,9 кДж/моль (4,5 ккал/моль), она значительно меньше энергии химической связи, составляющей более 100 кДж/моль. В то же время эта энергия превышает энергию вандервальсовых сил (9,6 кДж/моль) и энергию теплового движения молекул (около 2,5 кДж/моль при 27° С). Энергия образования молекул воды из водорода и кислорода представляет собой достаточно большую величину — 242 кДж/моль, что обусловливает высокую устойчивость молекул. Вода не изменяется под действием большинства соединений, которые растворяет, и считается инертным растворителем.

Вода имеет большую диэлектрическую проницаемость, кроме того ее молекулы представляют собой диполи, поэтому обладает высокой растворяющей способностью по отношению к полярным соединениям из-за снижения межатомных и межмолекулярных сил. Ионы растворенных веществ размещаются в структуре воды или в ее полостях, либо замещая молекулы Н2О. В любом случае они вызывают изменение структуры воды: во-первых, из-за несовпадения размеров иона и молекулы h3O, во-вторых, из-за изменения ориентации молекул Н2О вследствие влияния иона. Крупные слабозаряженные ионы разрушают структуру воды. Небольшие высокозаряженные ионы способствуют структурообразованию в воде, правда, эти структуры могут отличаться от характерной для воды льдоподобной структуры. Однако все эти эффекты справедливы до температуры 40—50°С, при более высокой температуре все ионы способствуют упрочнению структуры воды.

Эффект разрушения — упрочнения структуры сказывается на таких параметрах, как вязкость, диффузия и, соответственно, зависящих от них явлений очистки воды (коагуляция, осаждение и т.д.)

Образование структур из дипольных молекул воды вокруг ионов растворимых веществ или других заряженных частиц носит название гидратации. Чем выше заряд иона и чем меньше его размеры, тем сильнее он гидратируется, тем большее количество молекул воды входит в гидратную оболочку иона. Катионы, как правило, гидратируются сильнее, чем анионы.

Образование водородных связей и структурирование обусловливают многие исключительные свойства воды, отличающие ее от водородных соединений соседних элементов (аномалии воды). Ниже приводятся основные параметры воды.

Кислород, водород и их соединения

    В приведенных структурных формулах стрелками на черточках связей условно показано смещение пар электронов, образующих ковалентную связь, вследствие различной электроотрицательности атомов. В метане такое смещение в связи Н- С невелико, поскольку электроотрицательность углерода (2,6) лишь незначительно превышает электроотрицательность водорода (2,2). При этом молекула метана симметрична. В молекуле же спирта связь 0электронную пару поэтому атом водорода, соединенный с атомом кислорода, приобретает большую подвижность, т. е. легче отрывается в виде протона. [c.558]
    Горение и взрыв. Горением называют химические реакции окисления, сопровождающиеся свечением и значительным выделением тепла к ним относятся, например, реакции соединения углерода с кислородом, водорода с кислородом или хлором и т. д. [c.12]

    С кислородом водород образует два соединения воду и пероксид водорода, в которых кислород, проявляя одинаковую валентность, имеет разную степень окисления, соответственно —2 и — 1. [c.131]

    До сих пор я рассказывал только о таких органических соединениях, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода, галогенов и кислорода. Этих соединений оказалось много и они очень разнообразны — от бензина до масляной краски. Рассказ о них заполнил целую книгу, и здесь нужно остановиться. [c.205]

    Гидрирование соединений с карбонильными группами (альдегиды и кетоны). При гидрировании двойной связи С=0 образуются первичные спирты — в случае альдегидов, и вторичные — в случае кетонов/ При замещении карбонильного кислорода водородом образуются углеводороды. [c.232]

    В целом кислотность обнаруживает тенденцию к возрастанию с увеличением формального заряда на центральном атоме. Чем больше формальный положительный заряд на центральном атоме, тем больше такой центральный атом оттягивает к себе электроны от связанных с ним атомов кислорода. Это приводит к ослаблению связи кислород—водород и способствует более легкому отрыву протона Н , а следовательно, означает повышение силы кислоты. Влияние формального заряда центрального атома на кислотность родственных соединений иллюстрируется данными табл. 11-1 даже небольшое возрастание отрицательного заряда на атоме, к которому присоединен протон, очень сильно понижает кислотность соединения. [c.487]

    Для вычисления эквивалента элемента нет необходимости получать соединения этого элемента с водородом. Достаточно иметь соединение с любым другим элементом, эквивалент которого известен. Кислород имеет соединения со многими элементами, поэтому, зная его эквивалент, удобно находить эквиваленты других элементов исходя из кислородных соединений. [c.11]

    Мольные или атомные объемы составляют водорода — 1,98, воздуха —20,1, кислорода в соединениях — 5,48, углерода — 16,5, оксида углерода— 18,9, шестичленного кольца в органических соединениях — минус 20,0. [c.310]

    Водородно-кислородная горелка. — Схема стандартной установки показана на рисунке 2. Установка состоит из трех частей распылительная горелка, камера сгорания и абсорбер с брызгоуловителем. В месте соединения горелки и камеры сгорания желательна установка искрогасителя. Остальная часть установки -стальной стенд с необходимыми игольчатыми вентилями и реометрами для точного регулирования потоков воздуха, кислорода, водорода и вакуума. [c.28]

    К началу 1941 г. мощность электростанций в СССР возросла в И раз, а выработка электрической энергии — в 25 раз. Это-и явилось основной предпосылкой для создания в СССР мощной электрохимической промышленности. За эти годы возник ряд новых крупных электрохимических производств алюминия, магния, натрия и некоторых других легких и редких металлов, цинка, кадмия марганца, а также водорода, кислорода, перекисных соединений и т. д., получили развитие процессы рафинирования свинца, никеля, серебра и других металлов, были значительно усовершенствованы существовавшие в дореволюционной России процессы рафинирования меди, получения хлора, производство свинцовых аккумуляторов. [c.10]

    Поскольку атомные массы элементов числяли из экспериментальных данных по весовым отношениям в различных соединениях, а кислород образует соединения с гораздо большим числом элементов по сравнению с водородом, то в последующие Годы, вплоть до 1961 г., в качестве единицы атомной массы была принята Vie часть массы атома кислорода. Эта относительная единица меры массы атомов была названа кислородной единицей (к. е.). [c.22]

    Важнейшими неорганическими соединениями являются соединения элементов с кислородом, водородом, галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом, а также кислоты, основания и соли. [c.83]

    Водородная связь проявляется в том, что атом водорода может связывать два других атома, являясь мостиком между ними. Например, существует ион НРг. В воде атом водорода, соединенный с атомом кислорода электронной парой, может притягивать и другой соседний атом кислорода из другой молекулы воды. Благодаря этому в юде такие связи распространяются во всех трех измерениях, и при этом образуются как бы бесконечные цепи и кольца, подобные полимерам. Такое строение воды обусловливает ряд ее аномальных свойств (например, максимум плотности при 4°С). Существование водородной связи объясняется весьма малым размером атома водорода. Поэтому его положительно заряженное ядро —протон — отличается исключительно большим электростатическим полем. Воздействие этого поля приводит к притяжению атомов с избытком электронов и возбуждению временных диполей в нейтральных атомах. [c.158]

    На холоду сера сравнительно инертна (энергично соединяется только с фтором), но при нагревании становится весьма химически активной— реагирует с хлором и бромом (но не с иодом), кислородом, водородом и металлами. В результате реакций последнего типа образуются соответствующие сернистые соединения, например  [c.312]

    Однако при установлении атомных весов других элементов встретились затруднения. Известные данные, что водород соединяется с кислородом в весовом отношении 1 8, оказались недостаточными для установления атомного веса кислорода — необходимо было еще знать, сколько атомов водорода и кислорода образуют частицу воды. Если принять, что в воде один атом водорода соединен с одним атомом кислорода, то атомный вес кислорода будет равен 8 если на один атом водорода приходится два атома кислорода — 4 если на два атома водорода приходится один атом кислорода — 16 и т. д. Не имея возможности решить этот вопрос, Дальтон принял самое простое допущение, а именно, что вода состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода. Отсюда вытекало, что атомный вес кислорода оказывался равным 8. Около этого времени — в 1814 г. — Берцелиусом были введены сокращенные обозначения химических элементов начальными буквами их латинских названий. В соответствии с предположением Дальтона вода обозначалась формулой НО.  [c.20]

    Параметры Веселовского подобраны не совсем удачна. Так, бензол и триметилантрацен имеют различную степень конденсированности, хотя соотношение углерода и водорода в них одинаковое. Степень окисленности не учитывает характера связи кислорода в соединениях. Поэтому совершенно различные вещества, например графит, углеводы, уксусная кислота и другие, имеют одинаковую степень окисленности, равную нулю. [c.131]

    Помимо прямого соединения с кислородом водород способен отнимать его от окислов многих элементов Си, РЬ, Н и др. В результате из окисла получается свободный элемент, например  [c.116]

    Малая плотность льда связана с наличием значительных пустот в его кристаллической структуре. Последняя образована молекулами воды, соединенными друг с другом посредством водородных связей. Каждый атом кислорода связан с двумя своими атомами водорода [на расстоянии (НО) = 1,00 А] и двумя чужими [ (НО) = 1,76 А]. В свою очередь атом водорода соединен валентной связью [ (Н0)= 1,00 А] со своим атомом кислорода и водородной связью [ (Н0)= 1,76 А] с чужим . Таким образом, на каждую молекулу воды приходится четыре водородные связи (рис. IV-22), которые и обеспечивают устойчивость структуры льда. Схема расположения кислородных атомов в этой структ ре показана на рис. 1У-23, а атомы [c.140]

    Как уже отмечалось ( 4), характер электролитической диссоциации той или иной молекулы в значительной степени предопределяется полярностями ее валентных связей. Но полярность связи между какими-нибудь элементами не является неизменным их свойством, а более или менее сильно зависит также от других элементов, соединенных с каждым из данных. Например, полярность связи водорода с кислородом в соединениях типа ROH существенно зависит от химической природы атома или радикала R. Если последний характеризуется сильно выраженными металлическими свойствами, связь между ним и кислородом резко полярна (до перехода в ионный тип), тогда как связь О—Н в этом случае малополярна. Наоборот, если атом или радикал R обладает резко выраженными металлоидными свойствами, связь между ним и кислородом малополярна, а связь О—Н становится резко выраженной полярной. Грубо говоря, характер каждой из обеих связей определяется относительной легкостью оттягивания кислородом электронов от R и от Н. [c.172]

    Водородной связью называется связь между атомом водорода, соединенным ковалентной связью с атомом одной молекулы, и наиболее электроотрицательными атомами (фтором, кислородом, азотом, хлором, серой), принадлежащими другой молекуле. Эта особенность атома водорода связана с тем, что он после отдачи своего единственного электрона для ковалентной связи представляет собой атомное ядро, полностью лишенное электронной оболочки. Атомное ядро водорода Н+ способно своим положительным зарядом довольно прочно связаться с отрицательными атомами, в результате чего образуется водородная связь, называемая также водородным мостиком. Для амидных группировок капрона эта связь осуществляется между водородом и кислородом (обозначена точками) [c.189]

    Формально в их строении имеется сходство и в том и в другом соединении есть водород, связанный с углеродом, и водород, соединенный с кислородом. Но углеродный атом муравьиной кислоты, кроме того, связан двойной связью с еще одним кислородом. Последний же резко влияет на все другие атомы. Так, в муравьиной кислоте водород, связанный с кислородом, во много раз легче, чем в метиловом спирте, замещается металлом, а в водных растворах уже отщепляется в виде иона водород же при углеродном атоме, так же как в метиловом спирте, не замещается на металл, но зато гораздо легче, чем в метиловом спирте, окисляется. [c.22]

    Ассоциация молекул спиртов, так же как и воды, происходит благодаря возникновению так называемых водородных связей. Водородная связь — особый вид связи она осуществляется между двумя электроотрицательными атомами (О, Ы, Р) водородом, соединенным с одним из них ковалентной связью (стр. 26). У молекул воды водородные связи образуются между атомами кислорода. [c.106]

    Назначение. Улучшение качества дистиллятов путем удаления серы, азота, кислорода, смолистых соединений, непредельных соединений в среде водорода на катализаторах. При этом осуществляется ряд параллельных и последовательных реакций каталитического гидрогенолиза сераорганических и азотистых соединений, гидрирования ароматических и олефиновых углеЕОДоро-дов, гидроизомеризации, гидрокрекинга и др. [c.136]

    Гниение происходит в стоячей воде при полной изоляции от кислорода воздуха. Для этого процесса характерно преобладание восстановительных процессов, приводяших к образованию твердых продуктов, называемых сапропелем или гнилостным илом. На поверхности стоячих вод часто образуются скопления микроорганизмов, главным образом одноклеточных водорослей, называемых планктоном. При отмирании этих организмов они оседают на дно и здесь подвергаются разложению без доступа воздуха, образуя различные газообразные богатые водородом соединения (СН4, НгЗ, МНз), свободный водород и твердый остаток, который представляет собой сапропель. [c.42]

    Приемлемые продукты были получены из коксового дистиллята после двухстадийной гидроочистки. На первой стадии в мягких условиях происходит гидрирование олефинов, восстановление кислород содержащих соединений и удаляется некоторое ксличество серы. На этой стадии условия процесса следующие средняя температура 245°С, давление 35 атм, объемная часовая скорость подачи жидкости 0,89 при циркуляции водорода около 2,3 моля на 1 моль дистиллята. Процесс проводился на предварительно осерненном алюмо- [c.247]

    Как отмечает В. И. Кузнецов [17] Даже при беглом в гляде на состав химических соединений мы убеждаемся, что атомность только в исключительных случаях, прежде всего для кислорода, водорода и фтора, неизменна. Элементарные атомы часто проявляют к положительным элементам другую атомность, чем к отрицательным . Это очень важное замечание. Оно побуждает к иному объяснению природы валентности, так как взаимодействуют не только положительный атом с отрицательным атомом. Взаимодействуют друг с другом и однознаковые атомы, что, казалось бы, ломает все предписанные им Периодической системой правила поведения . Э го кажущееся противоречие снимается, как только мы переходим к рассмотрению химической связи на электронном уровне. Решающим фактором здесь является относительная электронодонорность атомов, участвующих во взаимодействии. При взаимодействии двух однозначных атомов в каче-стие положительного будет выступать тот, электронодонорность которого вьш1е, т. е. электроны внешнего слоя (слоев) подвижнее. А это, в свою очередь, зависит от типа внешнего слоя (слоев) в структуре электронной оболочки, что и является нсриопричиной структуры системы химических элемен-юн. [c.175]

    Кристаллическая решетка различных глинистых минералов построена из одних и тех же элементарных структурных единиц, состоящих из атомов кремния и кислорода, а также из атомов алюминия, кислорода и водорода. Кроме перечисленных выше элементов в состав глинистых минералов могут входить Ре, М , К, Мп и др. В подавляющем большинстве глинистые минералы имеют слоистое строение и относятся к слоистым силикатам. Как показали новейшие рентгенографические и электронографические исследования, слои глинистых минералов состоят из сочетания кремнекислородных и кислород-гидроксилалюминиевых соединений. [c.37]

    Как видно, в молекуле ортофосфорной кислоты каждый атом водорода соединен с атомом кислорода. Все эти атомы водорода способны замещаться атомами металлов поэтому h4PO4 трехосновна. В молекуле фосфористой кислоты только два атома водорода непосредственно связаны с атомами кислорода и способны [c.99]

    Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, неона и аргона. С большинством элементов он взаимодействует непосредственно (кроме галогенов, золота и платины). Скорость взаимодействия кислорода как с простыми, так и со сложными веществами зависит от природы вещества и от температуры. Некоторые вещества, например оксид азота (II), гемоглобин крови, уже при комнатной температуре соединяются с кислородом воздуха со значительной скоростью. Многие реакщ1и окисления ускоряются катализаторами. Например, в присутствии дисперсной платины смесь водорода с кислородом воспламеняется при комнатной температуре. Характерной особенностью многих реакций соединения с кислородом является выделение теплоты и света. Такой процесс называется горением. [c.455]

    Водородная связь. В тех случаях, когда водород соединен с сильно электроотрицательным элементом, он может образовать водородную связь, которая является промежуточной между химической и меж-молекулярной. Эта связь обусловлена тем, что смещение электрона от атома водорода превращает его в частицу, не имеющую электронов, не отталкивающуюся электронами других частиц, т. е. испытывающую только притяжение. Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше электроотрицательность атома-партнера и чем меньше его размеры, поэтому она характерна для соединений фтора и кислорода, в меньшей степени — для азота и еще в меньшей степени — для хлора и серы. Соответственно меняется и энергия водородной связи. Благодаря водородным связям молекулы объединяются в димеры, полимеры и ассоциаты. Ассоциация приводит к повышению температуры плавления и температуры кипения, изменению растворяющей способности и т. д. Водородная связь образуется очень часто, и объясняется это тем, что молекулы воды встречаются повсеместно. Каждая из них, имея в своем составе два атома водорода и две необобществленные электронные пары, может образовать четыре водородные связи. [c.237]

    Экспериментальная величина Яр — Я с включает погрешность измерения молекулярной массы, что надо учитывать при сравнении ее с аддитивной. Аддитивные же величины молекулярной дисперсии для различных классов кислородных соединений можно установить на основании следующих соображений. Если в молекуле исследуемого соединения содержится один атом кислорода, то при данной молекулярной массе она должна содержать шесть атомов углерода (100 14 — 1 = 6). Такое соединение предельного ряда должно было бы иметь брутто-формулу СвНуО, а непредельного — СвН(20 или СвНюО или с еще меньшим количеством водорода. Соединение приблизительно такой же молекулярной массы, но содержащее два атома кислорода, должно было бы иметь соответственно формулы С5Н12О2, С5Н10О2 и т. д. Аддитивные величины молекулярных дисперсий, соответствующие возможным брутто-формулам предельных, моно-олефиновых, диолефиновых и ацетиле- [c.203]

    Лерекись водорода — соединение неустойчивое, оно постепенно разлагается на воду и атомарный кислород  [c.167]

    При нагревании Т1, 2г, НГ становятся реакционноспособными и интенсивно реагируют с О2 (с образованием ЭО2), Га ОГ4), N2 (ЭN), С ОС), 5 (Т152, ХгЗг) и другими веществами. Соединения этих металлов с кислородом, водородом, азотом, углеродом, кремнием, бором и рядом других элементов имеют переменный состав (приводимые формулы этих соединений часто условны). Титан и цирконий взаимодействуют также с расплавленными щелочами  [c.490]

    Атомы кислорода в соединениях проявляют главным образом степень окисления, равную —2 (во фторокислороде OF2 и пероксидах МгОа степень окисления кислорода равна — -2 и —1). Для водорода характерная степень окисления -fl, но встречается и —1 (в гидридах активных металлов, например NaH или СаНа). [c.57]

    Молекула воды из-за sp -гибридизации (см. гл. VII, 4) орбита лей атома кислорода имеет угловую конфигурацию (рис. 55, а), а атомы водорода, соединенные с сильноэлектроотрицательным атомом кислорода, определяют ее способность к установлению Н-связей (см. гл. IV, 5) с соседними молекулами. [c.214]

    Молекула воды из-за зр -габридизации (см. гл. 7 7.4) орбиталей атома кислорода имеет угловую конфигурацию (рис. 56, а), а атомы водорода, соединенные с сильноэлёктро-отрицательным атомом кислорода, определяют ее способность [c.284]

    По этому поводу В. Оствальд говорил Всеми признано, что если возникают сомнения в выборе единицы для атомных весов, то выбор может быть произведен только между нислородом и водородом для этой цели, как указывает история химии, никогда не предлагался какой-либо другой элемент. Дальтон выбрал за единицу водород на том основании, что его атомный вес наименьший в то же время Берцелиус, который гораздо тщательнее Дальтона определял относительные весовые величины атомов, перешел к кислороду. Этот переход был обусловлен не столько тем центральным положением, которое занимал этот элемент среди других, сколько чисто практическим требованием кислород образует соединения цочти со всеми другими элементами, и веса, в которых опи соединяются, можно в большипстве случаев определить непосредственным опытом… Мариньяк, а особенно Стас значительно подняли точность определений атомных весов… Оба исследователя вычисляли свои атомные веса па 0= 16 .  [c.296]

    Каков xн иIчe кнii характер связи серы с кислородом, водородом, углеродом и металлами в соединениях 50.2, КаЗ, СЗ , НгЗ, Со5 и чем это обусловлено  [c.135]

---

Физические и химические свойства воды

Дата публикации: 16.10.2020
Дата обновления: 23.05.2021

Кузьминчук Анна

аспирант кафедры ТНВ,В и ОХТ НТУУ «КПИ»

В блоге мы часто ссылаемся на определенные свойства воды, но редко раскрываем их суть. Сегодня попробуем побыть Википедией и окунуться в курс физики и химии воды, и простым языком рассказать о том, почему же она не только “источник жизни на земле”, а и поистине особенное химическое вещество.

Физические свойства воды

Чистая вода не имеет вкуса и запаха, при нормальной температуре (20^оС) находится в жидком виде.

“Вода” — это тривиальное название, химическое соединение называют оксидом водорода. Из названия можно понять, что в ее составе содержатся ионы водорода и кислорода, которые связаны между собой так называемой ковалентной связью.

Атом водорода имеет валентность (способность образовать связи) 1, а атом кислорода — 2. Благодаря этому формула воды именно H₂O.

Также каждая молекула воды способна образовывать до четырех водородных связей (2 из них водород, 2 кислород). Все аномалии физических свойств воды связаны именно с ними — у воды довольно высокая температура кипения (100^оС). Если бы не существовало водородных связей, то вода кипела бы при температуре -80 ^оС, а замерзала бы при -100^оС. Такое строение позволяет нам видеть воду в трех агрегатных состояниях (лед, жидкость, газ) в окружающей нас естественной среде. Тут кратко описаны физические свойства воды, а вот детальнее о том, как кипит и замерзает вода, чем и почему отличается тяжелая вода, мы писали ранее.

Химические свойства воды

Тут мы детальнее поговорим о том, какие химические свойства может проявлять вода, и как они связаны с показателями воды на Земле.

Если рассматривать воду, как компонент реакций, то основные химические свойства H₂O, которые нужно знать, чтобы понимать процессы в окружающей среде, можно описать небольшим списком.

Взаимодействие воды с простыми веществами

С щелочными и щелочноземельными металлами взаимодействие происходит довольно бурно с выделением тепла, а иногда даже света, например, натрий, калий, кальций способны двигаться и даже “прыгать” по воде.

2Na + 2H₂O = H₂ + 2NaOH.

Менее активные металлы реагируют либо при нагревании, либо не реагируют совсем, например железо:

3Fe + 4H₂O = 4H₂+ Fe₃O₄ (только при нагревании)

Эти реакции в естественной среде не происходят, а вот реакция коррозии, когда к воде присоединяется воздух, очень даже распространена:

4Fe + 3O₂ + 6H₂O ➝ 4Fe(OH)₃.

Это уравнение описывает формирование ржавчины на железных поверхностях. Подобные процессы могут происходить также с медью, цинком и их сплавами.

Реакции с неметаллами происходят исключительно при нагревании или других типах воздействия. Они также не принципиальны для изучения свойств воды.

Реакции с оксидами неметаллов

Очень часто вода в природе встречается с углекислым газом, а также оксидами серы и азота, которые являются компонентами выхлопных газов, по такому механизму:

SO₂ + H₂O = H₂SO₄.

В результате именно этих процессов образуются кислотные дожди.

Фотосинтез

Эта уникальная реакция позволяет растениям под воздействием солнечного излучения из углекислого газа и воды синтезировать питательные вещества: крахмал и глюкозу.

6nCO₂ + 5nH₂O = (C₆H₁₀O₅)n + 6n O₂

Это, пожалуй, все реакции, которые могут быть интересны в отношении воды, как отдельного элемента.

Вода — идеальный растворитель

Вода является идеальным растворителем, поэтому много процессов происходит невидимо для нашего глаза. Вот они – как раз, и наиболее интересны. В природе не существует воды, которая не содержит примесей. В воде всегда растворены неорганические соли, газы, а при антропогенном влиянии еще и огромный ассортимент органических веществ.

Например, природная жесткость воды обусловлена тем, что в момент ее движения через породы, она насыщается минералами. В зависимости от состава пород, их растворимости, температуры окружающей среды определенные их концентрации способны растворяться в воде. Преимущественно такие породы представлены карбонатами, сульфатами, нитратами кальция, магния, натрия, калия и пр. катионов. Пожалуй, основными минералами, которые составляют базис жесткости, являются гипс (CaSO₄), доломит (CaCO₃•MgCO₃), известняки (CaCO₃).

Что касается растворенного железа и марганца, то они характерны преимущественно для природных скважинных вод, так как растворимые соли железа обычно “обитают” в пространстве с недостатком воздуха. Источниками их являются преимущественно магнитный, бурый, красный железняки, магнезит и пр.

Сероводород также хранится глубже грунтовых вод, как продукт химических изменений органических веществ. На воздухе тоже склонен окисляться до элементарной серы и выпадать в осадок (обычно невидимый человеческим глазом).

В природных поверхностных водах всегда содержится растворенный кислород и азотсодержащие компоненты, которые получаются как следствие жизнедеятельности микроорганизмов — это аммоний, нитриты, нитраты, которые с легкостью преобразуются друг в друга. Также в водоемах всегда есть белки и аминокислоты.

Что же касается антропогенной нагрузки, то именно благодаря ей в воду вносятся самые токсичные загрязнители:

• соли тяжелых металлов;
• промышленные органические продукты;
• нитраты и фосфаты применяемые в качестве удобрений.

В воде постоянно происходят какие-то реакции. Это и обменные процессы, которые вызывают, например, осаждение известкового налета состоящего из карбоната кальция. И окислительно восстановительные, из-за которых в скважинной воде появляется рыжеватая железная муть или осадок на стенках. Вода — это сложная химическая система, и каждый элемент всегда имеет свой источник.

Почему при объединении водорода и кислорода обычно образуется вода, а не перекись водорода?

Химики Джоэл Розенталь и Дэниел Г. Ночера из Массачусетского технологического института дают такой ответ.

Когда молекулярный водород (H ₂ ) и кислород (O ₂ ) объединяются и дают возможность взаимодействовать вместе, высвобождается энергия, и молекулы водорода и кислорода могут объединяться с образованием воды или перекиси водорода. Эти два процесса представлены двумя химическими уравнениями, показанными справа.Химики используют окислительно-восстановительные полуреакции для описания термодинамических процессов, подобных тем, которые воплощаются в таких уравнениях. Для обеих показанных реакций молекулы водорода окисляются, а атомы кислорода восстанавливаются. Соответственно, каждая из приведенных ниже реакций описывается комбинацией двух полуреакций — одна соответствует химическому окислению, а другая — восстановлению.

Редокс-полуреакция окисления водорода относительно проста и показана в левой части схемы ниже.В этом окислении молекула газообразного водорода ионизируется до двух электронов и двух протонов. Записать полуреакцию восстановления кислорода сложнее, поскольку кислород может быть восстановлен одним, двумя или четырьмя электронами, как показано квадратной схемой окислительно-восстановительного потенциала справа внизу. В большинстве химических реакций молекулярный кислород восстанавливается по красным и синим путям, выделенным на этой окислительно-восстановительной схеме. Полное восстановление O ₂ четырьмя электронами (4e ^— + 4H ⁺ , синий горизонтальный путь) генерирует два эквивалента воды, тогда как соответствующее двухэлектронное восстановление (2e ^— + 2H ⁺ , красный диагональный путь) дает перекись водорода.Как двух- (G¿ = -0,695 В), так и четырехэлектронного (G¿ = -1,229 В) восстановления O ₂ энергетически падают, но в первой реакции тратится более половины вольта энергии. . Соответственно, биологические процессы, связанные с восстановлением O ₂ , такие как клеточное дыхание, являются высокоселективными для полного пути 4e ^— + 4H ⁺ , чтобы максимизировать энергию, доступную для синтеза АТФ. Селективное восстановление кислорода до воды в таких биологических системах имеет решающее значение не только для максимизации энергии, производимой для клеточного метаболизма, но также потому, что перекись водорода является мощным окислителем и цитотоксином, который вредит живым клеткам.

Учитывая энергетику, представленную выше, существует сильная термохимическая предвзятость для производства воды по перекиси водорода, когда H ₂ и O ₂ взаимодействуют вместе. Например, когда газообразный водород сжигается в присутствии кислорода, выделяется большое количество энергии, и в качестве основного продукта образуется вода. Однако в случаях, когда реакция является более контролируемой, например, потребление водорода и кислорода в топливном элементе, механизм и кинетика процесса восстановления O ₂ могут значительно усложнить проблемы.Например, доставка протонов и электронов, образующихся в результате ионизации водорода (см. Полуреакцию окислительно-восстановительного потенциала выше), к молекуле кислорода должна точно контролироваться с помощью процесса, известного как перенос электронов с протонной связью, чтобы гарантировать, что доминирует полное четырехэлектронное восстановление O ₂ . Металлическая платина может служить катализатором, обладающим исключительной селективностью для четырехэлектронного восстановления кислорода до воды, и, соответственно, лежит в основе конструкции и функционирования топливных элементов.Учитывая, что платина редка и чрезвычайно дорога, текущие исследования направлены на разработку структурных и функциональных моделей активации кислорода и его восстановления до воды посредством протонно-связанного переноса электронов. Аналогичные стратегии также используются для запуска энергетически активной обратной реакции, в которой водород производится из воды с использованием солнечной энергии. Успех обеих этих областей работы может в конечном итоге оказаться решающим для развития и устойчивости глобальной водородной экономики.

6.1 Крот | Основы общей, органической и биологической химии

Цель обучения

1. Определите единицу моль.

Рисунок 6.1 «Молекулы воды» показывает, что нам нужны 2 атома водорода и 1 атом кислорода, чтобы образовать 1 молекулу воды. Если мы хотим получить 2 молекулы воды, нам понадобится 4 атома водорода и 2 атома кислорода. Если мы хотим получить 5 молекул воды, нам нужно 10 атомов водорода и 5 атомов кислорода. Соотношение атомов, которые нам понадобятся для образования любого количества молекул воды, одинаково: 2 атома водорода на 1 атом кислорода.

Рисунок 6.1. Молекулы воды. Соотношение атомов водорода и кислорода, используемых для образования молекул воды, всегда 2: 1, независимо от того, сколько молекул воды производится.

Однако у нас есть одна проблема в том, что чрезвычайно сложно, если не невозможно, организовать атомы по одному. Как сказано во введении, мы имеем дело с миллиардами атомов одновременно. Как мы можем отслеживать так много атомов (и молекул) одновременно? Мы делаем это, используя массу, а не подсчитывая отдельные атомы.

Атом водорода имеет массу примерно 1 ед. Атом кислорода имеет массу примерно 16 ед. Следовательно, отношение массы атома кислорода к массе атома водорода составляет примерно 16: 1.

Если у нас есть 2 атома каждого элемента, соотношение их масс составляет примерно 32: 2, что сокращается до 16: 1 — такое же соотношение. Если у нас есть 12 атомов каждого элемента, отношение их общих масс будет приблизительно (12 × 16) 🙁 12 × 1), или 192: 12, что также уменьшается до 16: 1. Если у нас есть 100 атомов каждого элемента, соотношение масс составляет примерно 1600: 100, что снова уменьшается до 16: 1.Пока у нас равное количество атомов водорода и кислорода, соотношение масс всегда будет 16: 1.

Такая же последовательность наблюдается при сравнении соотношений масс других элементов. Например, отношение масс атомов кремния к равному количеству атомов водорода всегда составляет примерно 28: 1, в то время как отношение масс атомов кальция к равному количеству атомов лития составляет примерно 40: 7.

Итак, мы установили, что массы атомов постоянны по отношению друг к другу, пока у нас одинаковое количество атомов каждого типа.Рассмотрим более макроскопический пример. Если образец содержит 40 г Ca, этот образец имеет такое же количество атомов, как и образец из 7 г Li. Итак, нам нужно число, которое представляет удобное количество атомов, чтобы мы могли соотносить макроскопические количества веществ. Ясно, что даже 12 атомов — это слишком мало, потому что сами атомы такие маленькие. Нам нужно число, представляющее миллиарды и миллиарды атомов.

Химики используют термин моль для обозначения большого количества атомов или молекул.Подобно тому, как дюжина подразумевает 12 вещей, моль (моль) представляет 6.022 × 10 ²³ вещей. Число 6,022 × 10 ²³ , названное числом Авогадро в честь химика XIX века Амедео Авогадро, — это число, которое мы используем в химии для обозначения макроскопических количеств атомов и молекул. Таким образом, если у нас есть 6,022 × 10 ²³ атомов O, мы говорим, что у нас есть 1 моль атомов O. Если у нас есть 2 моля атомов Na, у нас будет 2 × (6,022 × 10 ²³ ) атомов Na, или 1,2044 × 10 ²⁴ атомов Na.Точно так же, если у нас есть 0,5 моль молекул бензола (C ₆ H ₆ ), мы имеем 0,5 × (6,022 × 10 ²³ ) C ₆ H ₆ молекул, или 3,011 × 10 ²³ C ₆ H ₆ молекул.

Примечание

Моль представляет собой очень большое число! Если бы 1 моль четвертей уложить в столбик, он мог бы растянуться между Землей и Солнцем 6,8 миллиарда раз.

Обратите внимание, что мы применяем мольную единицу к различным типам химических соединений.В этих примерах мы указали молей атомов и молей молекул. Слово моль представляет ряд вещей — 6,022 × 10 ²³ из них — но само по себе не определяет, что такое «они». Это могут быть атомы, формульные единицы (ионных соединений) или молекулы. Эту информацию еще нужно уточнить.

Поскольку 1 молекула H ₂ содержит 2 атома H, 1 моль H ₂ молекул (6.022 × 10 ²³ молекул) содержит 2 моля атомов H.Используя формулы для обозначения количества атомов каждого элемента в веществе, мы можем связать количество молей молекул с количеством молей атомов. Например, в 1 моль этанола (C ₂ H ₆ O) мы можем построить следующие зависимости (Таблица 6.1 «Молекулярные отношения»):

Таблица 6.1 Молекулярные отношения

1 Молекула C 2 H 6 O Имеет	1 моль C 2 H 6 O Имеет	Молекулярные отношения
2 атома углерода	2 моль атомов углерода	[латекс] \ frac {2 \, моль \, C \, атомы} {1 \, mol \, C_2H_6O \, молекулы} [/ латекс] или [латекс] \ frac {1 \, mol \, C_2H_6O \, молекулы} {2 \, моль \, C \, атомы} [/ латекс]
6 атомов H	6 моль атомов H	[латекс] \ frac {6 \, моль \, H \, атомы} {1 \, mol \, C_2H_6O \, молекулы} [/ латекс] или [латекс] \ frac {1 \, mol \, C_2H_6O \, молекулы} {6 \, моль \, H \, атомы} [/ латекс]
1 атом кислорода	1 моль атомов O	[латекс] \ frac {1 \, моль \, O \, атомы} {1 \, моль \, C_2H_6O \, молекулы} [/ латекс] или [латекс] \ frac {1 \, mol \, C_2H_6O \, молекулы} {1 \, моль \, О \, атомы} [/ латекс]

В следующем примере показано, как мы можем использовать эти отношения в качестве коэффициентов пересчета.

Пример 1

Если образец состоит из 2,5 моль этанола (C ₂ H ₆ O), сколько молей атомов углерода, атомов водорода и атомов кислорода в нем?

Решение

Покажи ответ

Используя соотношения в Таблице 6.1 «Молекулярные отношения», мы применяем соответствующий коэффициент преобразования для каждого элемента:

Обратите внимание, как единица моль молекул C2H6O уравновешивается алгебраически. Аналогичные уравнения можно составить для определения количества атомов H и O:

[латекс] 2.5 \, \ rlap {{———————}} моль \, C_2H_6O \, молекулы \, × \, \ frac {6 \, моль \, H \, атомы} {1 \, \ rlap { {—————————}} моль \, C_2H_6O \, молекулы} \, = \, 15 \, моль \, H \, атомы [/ латекс]

[латекс] 2,5 \, \ rlap {{————————}} моль \, C_2H_6O \, молекулы \, × \, \ frac {1 \, моль \, O \, атомы} {1 \ , \ rlap {{————————}} моль \, C_2H_6O \, молекулы} \, = 2,5 \, моль \, O \, атомы [/ латекс]

Упражнение по развитию навыков

1. Если образец содержит 6,75 моль Na ₂ SO ₄ , сколько молей атомов натрия, серы и атомов кислорода в нем?

Тот факт, что 1 моль равен 6.022 × 10 ²³ элементов также можно использовать в качестве коэффициента пересчета.

Пример 2

Сколько формульных единиц содержится в 2,34 моль NaCl? Сколько ионов в 2,34 моль?

Решение

Обычно в подобной проблеме мы начинаем с того, что нам дано, и применяем соответствующий коэффициент преобразования. Здесь нам дано количество 2,34 моль NaCl, к которому мы можем применить определение моля в качестве коэффициента преобразования:

[латекс] 2,34 \, \ rlap {{———-}} моль \, NaCl \, × \, \ frac {6.24 \, ионы [/ латекс]

в образце.

Упражнение по развитию навыков

1. Сколько молекул содержится в 16,02 моль C ₄ H ₁₀ ? Сколько атомов в 16,02 моль?

Ответ

Покажи ответ

1. Родинка — 6.022 × 10 ²³ шт.

Ключевые вынос

• Родинка — это 6.022 × 10 ²³ шт.

Упражнения

1. Сколько десятков в 1 моль? Выразите свой ответ в правильной научной записи.

2. Брутто — это дюжина или 144 штуки. Сколько брутто в 1 моль? Выразите свой ответ в правильной научной записи.

3. Сколько молей каждого типа атомов содержится в 1,0 моль C ₆ H ₁₂ O ₆ ?

4. Сколько молей каждого типа атомов содержится в 1,0 моль K ₂ Cr ₂ O ₇ ?

5. Сколько молей каждого типа атомов в 2.58 моль Na ₂ SO ₄ ?

6. Сколько молей каждого типа атомов содержится в 0,683 моль C ₃₄ H ₃₂ FeN ₄ O ₄ ? (Это формула гема, компонента гемоглобина.)

7. Сколько молекул содержится в 16,8 моль H ₂ O?

8. Сколько формульных единиц содержится в 0,778 моль нитрата железа (III)?

9. Проба золота содержит 7 штук.02 × 10 ²⁴ атомов. Сколько это молей золота?

10. Колба с ртутью содержит 3,77 × 10 ²² атомов. Сколько молей ртути в колбе?

11. Внутривенный физиологический раствор может содержать 1,72 моль хлорида натрия (NaCl). Сколько атомов натрия и хлора присутствует в растворе?

12. Смертельная доза мышьяка составляет 1,00 × 10 ²¹ атомов. Сколько это молей мышьяка?

ответы

Покажи ответ

1.5,018 × 10 ²² десятков

3. 6.0 моль атомов C, 12.0 моль атомов H и 6.0 моль атомов O

5. 5,16 моль атомов Na, 2,58 моль атомов S и 10,32 моль атомов O

7. 1.012 × 10 ²⁵ молекул

9. 11,7 моль

11. 1,04 × 10 ²⁴ атомов Na и 1,04 × 10 ²⁴ атомов Cl

Что происходит при объединении водорода и кислорода?

Водород — топливо с высокой реакционной способностью.Молекулы водорода бурно реагируют с кислородом, когда существующие молекулярные связи разрываются и между атомами кислорода и водорода образуются новые. Поскольку продукты реакции имеют более низкий уровень энергии, чем реагенты, в результате происходит взрывное выделение энергии и образование воды. Но водород не реагирует с кислородом при комнатной температуре, нужен источник энергии для воспламенения смеси.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Водород и кислород образуют воду, выделяя при этом много тепла.

Смесь водорода и кислорода

Газообразный водород и кислород смешиваются при комнатной температуре без химической реакции. Это связано с тем, что скорость молекул не обеспечивает достаточной кинетической энергии для активации реакции во время столкновений между реагентами. Образуется смесь газов, способная бурно вступить в реакцию, если в смесь будет введена достаточная энергия.

Энергия активации

Введение искры в смесь приводит к повышению температуры некоторых молекул водорода и кислорода.Молекулы при более высоких температурах движутся быстрее и сталкиваются с большей энергией. Если энергии столкновения достигают минимальной энергии активации, достаточной для «разрыва» связей между реагентами, то следует реакция между водородом и кислородом. Поскольку водород имеет низкую энергию активации, требуется лишь небольшая искра, чтобы вызвать реакцию с кислородом.

Экзотермическая реакция

Как и все виды топлива, реагенты, в данном случае водород и кислород, находятся на более высоком уровне энергии, чем продукты реакции.Это приводит к чистому высвобождению энергии из реакции, и это известно как экзотермическая реакция. После того, как один набор молекул водорода и кислорода прореагировал, высвободившаяся энергия заставляет молекулы в окружающей смеси реагировать, высвобождая больше энергии. Результатом является взрывная, быстрая реакция, которая быстро высвобождает энергию в виде тепла, света и звука.

Электронное поведение

На субмолекулярном уровне причина разницы в уровнях энергии между реагентами и продуктами кроется в электронных конфигурациях.Атомы водорода имеют по одному электрону. Они объединяются в молекулы из двух, так что у них может быть два электрона (по одному на каждый). Это связано с тем, что самая внутренняя электронная оболочка находится в более низком энергетическом состоянии (и, следовательно, более стабильна), когда она занята двумя электронами. Атомы кислорода имеют по восемь электронов каждый. Они объединяются в молекулы по две, разделяя четыре электрона, так что их самые внешние электронные оболочки полностью заняты восемью электронами каждая. Однако гораздо более стабильное выравнивание электронов возникает, когда два атома водорода делят электрон с одним атомом кислорода.Требуется лишь небольшое количество энергии, чтобы «вытолкнуть» электроны реагентов «со своих орбит», чтобы они могли перестроиться в более энергетически стабильном выравнивании, образуя новую молекулу h3O.

Продукты

После электронной перестройки между водородом и кислородом для создания новой молекулы продуктом реакции являются вода и тепло. Тепло можно использовать для работы, например, для работы турбин, нагревая воду. Продукты производятся быстро из-за экзотермической природы этой химической реакции, связанной с цепной реакцией.Как и все химические реакции, эта реакция не является легко обратимой.

Уровни энергии, электроны и ковалентные связи | Глава 4: Периодическая таблица и связь

Покажите анимацию, чтобы представить процесс ковалентного связывания.

Задайте вопрос, который студенты будут изучать на этом уроке:

Если в атомах одинаковое количество протонов и электронов, почему атомы связываются с другими атомами? Почему бы им просто не остаться отдельно?

Начните отвечать на этот вопрос на примере водорода.

Спроектировать анимацию Ковалентная связь в водороде.

Убедитесь, что учащиеся видят, что каждый атом водорода имеет 1 протон и 1 электрон. Напомните учащимся, что электрон и собственный протон притягиваются друг к другу. Объясните: если атомы подойдут достаточно близко друг к другу, электрон от каждого атома водорода почувствует притяжение со стороны протона другого атома водорода (показано двусторонней стрелкой). Укажите студентам, что притяжения недостаточно сильны, чтобы полностью оттолкнуть электрон от собственного протона.Но притяжение достаточно сильное, чтобы притягивать два атома достаточно близко друг к другу, так что электроны ощущают притяжение обоих протонов и разделяются обоими атомами. В конце анимации объясните, что отдельные атомы водорода теперь связаны в молекулу H ₂ . Этот тип связи называется ковалентной связью. В ковалентной связи электроны от каждого атома притягиваются или «разделяются» обоими атомами.

Обсудите условия, необходимые для ковалентного связывания, и стабильную молекулу, которая образуется.

Спроецировать изображение Ковалентная связь в водороде.

Подробнее о связывании читайте в разделе «Дополнительная информация о учителе» в конце этого урока.

Примечание. Эта модель ковалентной связи для молекулы водорода (H ₂ ) начинается с двух отдельных атомов водорода. На самом деле атомы водорода никогда не разделены. Они всегда связаны с чем-то другим. Чтобы упростить процесс, эта модель не показывает, что атомы водорода разрывают свои связи с другими атомами.Он фокусируется только на процессе образования ковалентных связей между двумя атомами водорода.

• Два атома водорода находятся рядом друг с другом.
• Когда два атома водорода подходят достаточно близко друг к другу, их электроны притягиваются к протону другого атома.
• Поскольку существует достаточно сильное притяжение между атомами и место для электронов на внешнем энергетическом уровне обоих атомов, атомы имеют общие электроны. Это образует ковалентную связь.

Скажите студентам, что существует две основные причины, по которым два атома водорода соединяются вместе, образуя одну молекулу водорода:

• Между электронами каждого атома должно быть достаточно сильное притяжение к протонам другого атома.
• На внешнем энергетическом уровне обоих атомов должно быть место.

После связывания молекула водорода более стабильна, чем отдельные атомы водорода. Объясните студентам, что, будучи частью ковалентной связи, электрон от каждого атома водорода оказывается рядом с двумя протонами, а не только с одним протоном, с которого он начинался.Поскольку электроны ближе к большему количеству протонов, молекула из двух связанных атомов водорода более стабильна, чем два отдельных несвязанных атома водорода.

Вот почему очень редко можно найти атом водорода, не связанный с другими атомами. Атомы водорода связываются с другими атомами водорода, образуя газообразный водород (H ₂ ). Или они могут связываться с другими атомами, такими как кислород, чтобы образовать воду (H ₂ O) или углерод, чтобы образовать метан (CH ₄ ) или многие другие атомы.

Покажите студентам, что когда два атома водорода соединяются вместе, внешний энергетический уровень становится полным.

Попросите учащихся взглянуть на свою Периодическую таблицу уровней энергии для элементов 1–20, представленную в уроке 3.

Объясните, что два электрона в молекуле водорода (H ₂ ) можно рассматривать как «принадлежащие» каждому атому. Это означает, что каждый атом водорода теперь имеет два электрона на первом уровне энергии.Первый энергетический уровень на внешнем энергетическом уровне для водорода и может принимать или «удерживать» только два электрона. Атомы будут продолжать ковалентно связываться, пока их внешние энергетические уровни не заполнятся. На этом этапе дополнительные атомы не будут ковалентно связываться с атомами в молекуле H ₂ .

Попросите учащихся описать ковалентные связи в молекуле водорода в своей таблице действий, а затем просмотреть свои ответы.

Раздайте каждому учащемуся рабочий лист.

Попросите учащихся написать короткие подписи под каждой картинкой, чтобы описать процесс ковалентной связи и ответить на первые три вопроса. Остальная часть листа деятельности будет заполнена в классе, в группах или индивидуально, в зависимости от ваших инструкций.

Спросите студентов:

Что вы написали для второй и третьей картинок ковалентной связи?

Рисунок в центре: когда два атома водорода подходят достаточно близко, их электроны притягиваются к протону другого атома.

Последний рисунок: Это сближает атомы достаточно близко друг к другу, так что они разделяют электроны.

Какие два условия должны иметь атомы, чтобы образовывать ковалентные связи друг с другом?

Между атомами существует достаточно сильное притяжение, и на внешнем энергетическом уровне обоих атомов есть место для электронов.

Почему молекула водорода (H ₂ ) более стабильна, чем два отдельных атома водорода?

В молекуле водорода электроны от каждого атома могут находиться рядом с двумя протонами, а не только с одним протоном, с которого они начинались.Когда отрицательные электроны находятся рядом с дополнительными положительными протонами, расположение более стабильно.

Почему третий атом водорода не присоединяется к молекуле H ₂ и не образует H ₃ ?

Когда два атома водорода делятся электронами друг с другом, их внешние энергетические уровни заполняются.

Вы можете объяснить студентам, что при заполнении внешних энергетических уровней разделения электронов с другим атомом не произойдет по двум основным причинам:

1. Электрон от нового атома должен был бы присоединиться к атому в молекуле h3 на следующем энергетическом уровне, дальше от ядра, где он не будет ощущать достаточно сильного притяжения.
2. Электрон от атома, уже находящегося в молекуле H ₂ и близкого к ядру, должен будет отодвинуться дальше, чтобы разделить с новым атомом.

Обе эти возможности сделали бы молекулу менее стабильной, но этого не произойдет.

Обсудите процесс ковалентной связи в молекуле воды.

Спроектируйте анимацию Ковалентная связь в воде.

Перед тем, как нажать кнопку «Играть», укажите на атом кислорода и два атома водорода.

Спросите студентов:

Есть ли что-нибудь, что могло бы притягивать эти атомы друг к другу?

Студенты должны предположить, что электроны каждого атома притягиваются к протонам других атомов.

Воспроизведите анимацию, чтобы показать притяжение между протонами кислорода для электрона от каждого из атомов водорода, притяжение протона от атомов водорода к электронам кислорода и сближение атомов.

Объясните, что электроны разделяют атомы кислорода и водорода, образуя ковалентную связь. Эти связи удерживают атомы кислорода и водорода вместе и образуют молекулу h3O. Причина, по которой атомы могут связываться, заключается в том, что притяжения достаточно сильны в обоих направлениях, и на внешнем энергетическом уровне атомов есть место для электронов.

Электрон от каждого атома водорода и электроны от атома кислорода становятся рядом с большим количеством протонов, когда атомы связаны вместе как молекула, чем когда они разделены как отдельные атомы.Это делает молекулы связанных атомов кислорода и водорода более стабильными, чем отдельные отдельные атомы.

Объясните студентам, что два электрона в связи между атомом водорода и атомом кислорода можно рассматривать как «принадлежащие» каждому атому. Это дает каждому атому водорода два электрона на его внешнем энергетическом уровне, который заполнен. Он также дает кислороду 8 электронов на внешнем энергетическом уровне, который также заполнен.

Спроецировать изображение Ковалентная связь в воде.

Повторите со студентами процесс ковалентного связывания, описанный в анимации.

Попросите учащихся описать ковалентные связи в молекуле воды в своих рабочих листах.

Попросите учащихся написать короткую подпись рядом с каждой картинкой, чтобы описать процесс ковалентной связи в молекуле воды.

• Два атома водорода и один атом кислорода находятся рядом друг с другом.
• Когда два атома водорода подходят достаточно близко к одному из атомов кислорода, их электроны притягиваются к протону другого атома.
• Поскольку существует достаточно сильное притяжение между атомами и место для электронов на внешних энергетических уровнях атомов, они разделяют электроны. Это образует ковалентную связь.

Примечание. Эта модель ковалентной связи для молекулы воды начинается с 2 отдельных атомов водорода и 1 атома кислорода. На самом деле эти атомы никогда не разделены.Они всегда связаны с чем-то другим. Чтобы упростить процесс, эта модель не показывает, что атомы водорода и кислорода разрывают свои связи с другими атомами. Он фокусируется только на процессе образования ковалентных связей для образования воды.

Спросите студентов:

Почему третий атом водорода не может присоединиться к молекуле воды (H ₂ 0), чтобы образовать H ₃ O?

Когда два атома водорода и атом кислорода делят свои электроны друг с другом, их внешние энергетические уровни заполнены.

Предложите учащимся использовать электричество для разрыва ковалентных связей в молекулах воды.

Сообщите студентам, что электрическая энергия может использоваться для разрыва ковалентных связей в молекулах воды с образованием атомов водорода и кислорода. Затем два атома водорода связываются с образованием газообразного водорода (H ₂ ), а два атома кислорода связываются с образованием газообразного кислорода (O ₂ ).

Вы можете выполнить это задание в качестве демонстрации или показать видео «Электролиз».

Вопрос для расследования

Что образуется при разрыве ковалентной связи в молекулах воды?

Материалы для каждой группы

• Аккумулятор 9 В
• 2 провода с зажимами типа «крокодил» на обоих концах
• 2 карандаша с заточкой с двух сторон
• Вода
• Соль Эпсома (сульфат магния)
• Стакан прозрачный пластиковый
• Лента

Процедура

1. Поместите батарейку между двумя карандашами.Убедитесь, что батарея заряжена более чем наполовину.

2. С помощью напарника оберните изолентой карандаши и батарею, как показано на рисунке.

3. Налейте воду в прозрачный пластиковый стаканчик примерно на ½.
4. Добавьте примерно ½ чайной ложки английской соли в воду и перемешивайте, пока соль не растворится.
5. Подсоедините один зажим типа «крокодил» к одной клемме аккумулятора.
6. Другим проводом подсоедините один зажим типа «крокодил» к другому выводу аккумулятора.
7. Подсоедините один конец стержня карандаша к зажиму типа «крокодил» на конце одного из проводов.
8. Используя другой провод, подсоедините один конец другого стержня карандаша к зажиму типа «крокодил» на конце провода.
9. Опустите концы карандаша в воду, как показано.

Ожидаемые результаты

Пузыри образуются и поднимаются сначала из одного грифеля карандаша. Вскоре сформируются пузыри и поднимутся из другого. Учащиеся должны видеть, что одного газа больше, чем другого.Газ, образующий первые пузырьки, — это водород. Другой газ, который образует более крупные пузырьки и немного отстает, — это кислород.

Примечание. Когда на стержнях карандаша образуются газообразные водород и кислород, будут пузыриться. Убедитесь, что учащиеся не ошибочно считают, что пузырьки, которые они видят, означают, что вода кипит. При кипении связи, удерживающие атомы вместе в молекулах воды, не распадаются. В процессе электролиза связи, удерживающие атомы вместе, распадаются.

Обсудите наблюдения студентов.

Спросите студентов:

Из чего сделаны пузыри в упражнении?

Газообразный водород (H ₂ ) и газообразный кислород (O ₂ )

Почему было произведено больше газообразного водорода, чем газообразного кислорода?

Каждая молекула воды распадается на 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Затем два атома водорода связываются с образованием газообразного водорода (H ₂ ), а 2 атома кислорода связываются с образованием газообразного кислорода (O ₂ ).Каждая молекула воды имеет все атомы, необходимые для образования 1 молекулы газообразного водорода. Но имея только 1 атом кислорода, молекула воды содержит только половину того, что необходимо для образования 1 молекулы газообразного кислорода. Итак, 2 молекулы воды произведут 2 молекулы газообразного водорода, но только 1 молекулу газообразного кислорода.

Помогите студентам понять, как атомы соединяются, образуя молекулы кислорода, метана и углекислого газа.

Напомните студентам, что на этом уроке они изучали ковалентные связи в молекулах водорода и в молекулах воды.Скажите им, что они будут изучать ковалентные связи в трех других распространенных веществах.

Спроецируйте анимацию «Двойная связь кислорода».

Объясните студентам, что молекулы кислорода, присутствующие в нашем воздухе, состоят из 2 атомов кислорода. Эта анимация покажет им, на что похожа ковалентная связь между двумя атомами кислорода. Расскажите анимацию, указав, что каждый атом кислорода имеет 6 валентных электронов. Когда атомы кислорода сближаются, притяжение ядер обоих атомов притягивает внешние электроны.В этом случае используются 2 электрона от каждого атома. Это называется двойной связью.

• Каждый атом кислорода имеет 6 валентных электронов на внешнем энергетическом уровне
• Когда два атома кислорода сближаются, притяжение ядер обоих атомов притягивает внешние электроны.
• В этом случае два электрона от каждого атома являются общими. Это называется двойной связью.

Спроецируйте изображение двойной связи кислорода II.

Спроецируйте фотографии до и после Ковалентное связывание метана.

Спросите студентов:

Кратко опишите процесс ковалентной связи между углеродом и четырьмя атомами водорода с образованием молекулы метана. Не забудьте упомянуть притяжение между электронами и протонами и количество электронов на внешнем энергетическом уровне для атомов в конечной молекуле.

Убедитесь, что учащиеся осознают, что протоны каждого атома притягивают электроны других атомов, что сближает атомы.Атомы продолжают связываться с другими атомами, пока их внешние энергетические уровни не заполнятся.

Проецируйте фотографии до и после Ковалентное связывание углекислого газа.

Спросите студентов:

Кратко опишите процесс ковалентной связи между углеродом и двумя атомами кислорода с образованием молекулы диоксида углерода. Не забудьте упомянуть притяжение между электронами и протонами и количество электронов на внешнем энергетическом уровне для атомов в конечной молекуле.

Убедитесь, что учащиеся осознают, что протоны каждого атома притягивают электроны других атомов, что сближает атомы. Атомы продолжают связываться с другими атомами, пока их внешние энергетические уровни не заполнятся.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

фактов о водороде | Живая наука

Водород, самый распространенный элемент во Вселенной, также является многообещающим источником «чистого» топлива на Земле.

Названный в честь греческих слов hydro для «воды» и гена для «формирования», водород составляет более 90 процентов всех атомов, что составляет три четверти массы Вселенной, согласно Лос-Аламосская национальная лаборатория.По данным Королевского химического общества, водород необходим для жизни, и он присутствует почти во всех молекулах живых существ. Этот элемент также встречается в звездах и питает Вселенную через протон-протонную реакцию и цикл углерод-азот. Согласно Лос-Аламосу, процессы синтеза звездного водорода выделяют огромное количество энергии, поскольку они объединяют атомы водорода в гелий.

Чистый газообразный водород редко встречается в атмосфере Земли, и любой водород, который действительно попадает в атмосферу, быстро ускользает от земной гравитации, согласно Королевскому обществу.На нашей планете водород встречается в основном в сочетании с кислородом и водой, а также в органических веществах, таких как живые растения, нефть и уголь, сообщает Лос-Аламос.

Только факты

• Атомный номер (количество протонов в ядре): 1
• Атомный символ (в Периодической таблице элементов): H
• Атомный вес (средняя масса атома): 1.00794
• Плотность : 0,00008988 граммов на кубический сантиметр
• Фаза при комнатной температуре: газ
• Точка плавления: минус 434.7 градусов по Фаренгейту (минус 259,34 градуса Цельсия)
• Точка кипения: минус 423,2 F (минус 252,87 C)
• Количество изотопов (атомы одного элемента с разным числом нейтронов): 3 общих изотопа, в том числе 2 стабильных
• Самый распространенный изотоп: 1H, естественное содержание 99,9885 процентов

Открытие водорода

Роберт Бойль произвел водородный газ в 1671 году, когда экспериментировал с железом и кислотами, но только в 1766 году Генри Кавендиш распознал его как отдельный элемент , согласно Jefferson Lab.Элемент был назван водородом французским химиком Антуаном Лавуазье.

Водород имеет три общих изотопа: протий, который представляет собой обычный водород; дейтерий, стабильный изотоп, открытый в 1932 году Гарольдом К. Юри; и тритий, нестабильный изотоп, открытый в 1934 году, согласно Jefferson Lab. Разница между тремя изотопами заключается в количестве нейтронов у каждого из них. У водорода вообще нет нейтронов; По данным Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, у дейтерия есть один, а у трития — два нейтрона.По данным Лос-Аламоса, дейтерий и тритий используются в качестве топлива в термоядерных реакторах.

Водород соединяется с другими элементами, образуя ряд соединений, включая обычные, такие как вода (H ₂ O), аммиак (NH ₃ ), метан (CH ₄ ), столовый сахар (C _12). H ₂₂ O ₁₁ ), перекись водорода (H ₂ O ₂ ) и соляная кислота (HCl), согласно Jefferson Lab.

Водород обычно получают путем нагревания природного газа паром с образованием смеси водорода и монооксида углерода, называемой синтез-газом, которая затем разделяется для получения водорода, согласно Королевскому обществу.

Водород используется для производства аммиака для удобрений в процессе, называемом процессом Габера, в котором он реагирует с азотом. Согласно Jefferson Lab, этот элемент также добавляют в жиры и масла, такие как арахисовое масло, в процессе, называемом гидрогенизацией. Другие примеры использования водорода включают ракетное топливо, сварку, производство соляной кислоты, восстановление металлических руд и наполнение баллонов, согласно Лос-Аламосу. Исследователи работают над разработкой технологии водородных топливных элементов, которая позволяет получать значительные объемы электроэнергии с использованием газообразного водорода в качестве экологически чистого источника энергии, который можно использовать в качестве топлива для автомобилей и других транспортных средств.

По данным Королевского общества, водород также используется в стекольной промышленности в качестве защитной атмосферы для изготовления плоских стеклянных листов, а в электронной промышленности он используется в качестве промывочного газа в процессе производства кремниевых чипов.

Это смоделированный вид Юпитера в истинных цветах состоит из 4 изображений, сделанных космическим кораблем НАСА «Кассини» 7 декабря 2000 года. Разрешение составляет около 89 миль (144 километра) на пиксель. (Изображение предоставлено НАСА / Лаборатория реактивного движения / Университет Аризоны)

Этот смоделированный в истинных цветах вид Юпитера состоит из 4 изображений, сделанных космическим кораблем НАСА Кассини 7 декабря 2000 года.Разрешение составляет около 144 километров на пиксель. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения / Университет Аризоны

Кто знал?

• Согласно Лос-Аламосу, водород является основным компонентом Юпитера и других газовых планет-гигантов.
• По данным Национального музея воздушных шаров, первый полет на воздушном шаре был запущен в Париже в 1783 году, и в нем использовался водород. По данным Королевского общества, его использование для заправки дирижаблей прекратилось, когда загорелся «Гинденбург».
• НАСА использует водород в качестве ракетного топлива для доставки экипажа в космос.
• Сжиженный водород очень холодный и может вызвать сильное обморожение при контакте с кожей.
• Согласно «Принципам химии» водород примерно в 14 раз легче воздуха.
• Лавуазье, французский химик, давший название водороду, до Французской революции был финансистом и государственным администратором и, согласно Британской энциклопедии, был казнен во время революции.
• По данным Лос-Аламоса, в США ежегодно производится около 3 миллиардов кубических футов водорода.
• По данным Королевского общества, водород имеет самую низкую плотность среди всех газов.
• Водород — единственный элемент, три общих изотопа которого — протий, дейтерий и тритий — получили разные названия, сообщает Лос-Аламос.

Текущие исследования

Исследователи изучали водород с большим интересом в течение многих лет из-за его потенциала в качестве экологически чистого топлива.«Водород — это энергоноситель без углерода, поэтому, когда вы его сжигаете, вы производите только воду», что делает его чистым топливом без каких-либо выбросов, — сказал Ричард Шахин, директор Исследовательского института водорода при университете. Квебека в Труа-Ривьер в Канаде. Однако с водородным топливом есть большая проблема: оно дороже газа. Фактически, в прошлом году старший вице-президент Toyota Боб Картер объявил, что, по оценкам Министерства энергетики, полный бак сжатого водорода будет первоначально стоить около 50 долларов, Ecomento.com сообщил. В целом, затраты, связанные с технологией водородного топлива, являются «очень серьезным препятствием, потому что на данный момент люди предпочли бы иметь более совершенные технологии по текущей цене», — сказал Шахин Live Science.

Еще одна проблема, связанная с водородным топливом, заключается в том, что сам процесс производства водорода не так уж чист и не загрязняет окружающую среду. «На сегодняшний день большая часть производимого водорода поступает из природного газа», — сказал Шахин, в результате чего образуется двуокись углерода (CO ₂ ).

Поэтому исследователи искали альтернативные и более экологически безопасные способы производства водорода, которые в идеале исключали бы выбросы CO ₂ в процессе. Например, в прошлом году ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали небольшой «наноразмерный генератор водорода» — устройство, которое производит чистый водород с использованием света и графена и без сжигания ископаемого топлива. Текущая версия генератора действительно мала, но если окажется, что ее можно расширить, она может позволить ученым производить достаточно водорода для топлива для автомобилей и генераторов.

Другой способ производства водорода, называемый «биологическим расщеплением воды», предполагает использование определенных фотосинтезирующих микробов, которые используют световую энергию для производства водорода из воды в рамках своих метаболических процессов, по данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии, в которой работают исследователи. в настоящее время расследует этот процесс. Другой потенциальный метод производства водорода включает ферментацию возобновляемых материалов биомассы, сообщает NREL. Исследователи из NREL также работают над преобразованием сельскохозяйственных остатков (таких как скорлупа арахиса) и бытовых отходов (таких как пластмассы и отработанные смазки) в жидкий продукт, называемый бионефть, компоненты которого затем можно разделить на топливо, включая водород.Однако самый чистый способ производства водорода — расщепление воды на водород и кислород с помощью солнечного света, сообщает NREL.

Дополнительные ресурсы

Следите за Live Science @livescience , Facebook и Google+ .

Могут ли водород и кислород образовать воду?

---

Водородный топливный элемент можно использовать для объединения водорода и кислорода для получения воды без взрыва.

Джон Брхел | Автор

ВОПРОС : Почему мы не можем объединить водород и кислород для получения воды?

ОТВЕТ : Мы можем объединить водород и кислород для получения воды. И мы даже можем получить энергию из процесса, которую мы могли бы использовать для освещения дома или вождения автомобиля. Но, конечно, есть некоторые детали, которые усложняют задачу.

Прежде всего, если мы просто смешаем емкость с газообразным кислородом с емкостью с газообразным водородом при комнатной температуре и давлении, то ничего (или немногое) не произойдет.Молекулы кислорода и водорода были бы «счастливее» соединиться вместе, чтобы образовать воду, но им нужно немного поднять, прежде чем эта реакция произойдет. Используя несовершенную аналогию, вы можете представить себе молекулу водорода как два магнита, соединенных вместе, а молекулу кислорода как два магнита разной формы, соединенных вместе. Более плотно упакованный магнит можно сформировать, соединив водородный и кислородный магниты в водяной магнит, но этого не произойдет, если они не столкнутся друг с другом достаточно быстро. Химики говорят, что для возникновения реакции необходима энергия активации.

Эту энергию активации можно подать искрой. Но тогда, как вы могли догадаться, бабах! Если магниты перестраиваются в более плотно упакованную молекулу воды, теперь остается энергия, которая делает воду (на самом деле пар) горячей. Основываясь на моих расчетах, если мы объединим типичный баллон с водородом под давлением 2500 фунтов на квадратный дюйм с аналогичным баллоном с кислородом, полученный водяной пар нагреется на несколько тысяч градусов по Фаренгейту. Вот почему НАСА использует жидкий водород и кислород в большом оранжевом внешнем топливном баке, который помогает космическому шаттлу выйти на орбиту.

Итак, мы можем смешать газообразный кислород и водород, чтобы получить горячий водяной пар, но, вероятно, это не было целью этого вопроса. Можем ли мы смешать их, чтобы получилась вода без взрыва? Да, если мы будем использовать так называемый водородный топливный элемент. Водородный топливный элемент похож на батарею, которой требуется постоянный ввод водорода и газообразного кислорода для выработки электроэнергии, а единственным выходом является вода. Например, Toyota Mirai — один из первых автомобилей с водородным топливным элементом, который вы можете купить.Топливный элемент не идет наперекосяк (надеюсь!), Потому что он предназначен для извлечения электроэнергии из реакции, которую можно использовать для управления цепью, и выделяет только пятую часть тепла. Топливный элемент содержит для этого и другие компоненты, о которых у меня нет места для обсуждения.

Итак, вполне возможно, что мы могли бы использовать топливный элемент для выработки электроэнергии и подачи воды. Тем не менее, есть проблемы. Мы производим водород наиболее эффективно и дешево, нагревая природный газ до высокой температуры с водой в реакции, в которой также образуется окись углерода.Итак, мы будем использовать воду для производства газообразного водорода, а затем для производства воды. Другие компоненты топливных элементов могут сделать воду небезопасной для питья. Многие химики, физики и инженеры активно работают над этими проблемами, чтобы создать более эффективные и практичные топливные элементы, которые однажды могут обеспечить нас дешевой и питьевой водой.

Спроси ученого проходит по воскресеньям. На вопросы отвечают преподаватели Бингемтонского университета. Учителей в районе Большого Бингемтона, желающих участвовать в программе, просят написать по адресу Ask a Scientist, через Бингемтонский университет, Управление коммуникаций и маркетинга, PO Box 6000, Binghamton, N.