Агрегатные состояния воды. Методические материалы

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы основной школы.

Компьютерная модель позволяет рассмотреть микроструктуру воды в различных агрегатных состояниях.

Краткая теория

Одно и то же вещество может находится в твердом, жидком и газообразном состояниях. Примером могут служить лед, вода и водяной пар. Эти состояния называют агрегатными.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела).

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей. Близко расположенные молекулы жидкости также могут образовывать упорядоченные структуры, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для кристаллических тел.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10^–8 м, то есть в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда.

Работа с моделью

Пользователь может выбрать одно из трех агрегатных состояний воды и наблюдать особенности микроструктуры вещества в выбранном состоянии. В твердой форме (лед) для молекул воды доступны лишь вращательные и колебательные движения, поступательные движения на заметные расстояния невозможны. Наблюдается четкая кристаллическая структура льда. Обратите внимание на ориентацию молекул (атомы водорода одних молекул направлены в сторону атомов кислорода других), каждая молекула воды соединена с четырьмя ближайшими к ней другими молекулами. Образуемые при этом пустоты в структуре льда приводят к уменьшению его плотности по сравнению с жидкой водой.

В жидкой форме вода все еще существует как единое целое (сохраняет объем), расстояния между молекулами по порядку величины совпадают с размерами самих молекул. Однако возможны далекие по сравнению с этими размерами смещения молекул от своих начальных положений, из-за этого не сохраняются ни взаимные ориентации молекул, ни форма жидкости как целого.

Наконец, в газе молекулы максимально обособлены друг от друга, и длина свободного пробега молекулы гораздо больше ее размеров.

Рекомендации по применению модели

Данная модель может быть применена в качестве иллюстрации на уроках изучения нового материала в 7 классе по теме «Агрегатные состояния вещества». На примере этой модели можно рассмотреть с учащимися характер движения и взаимного расположения молекул вещества в разных агрегатных состояниях на примере воды.

Пример планирования урока с использованием модели

Тема «Агрегатные состояния вещества»

Цель урока: ввести понятие агрегатное состояние вещества, определить в чем состоит сходство и отличия вещества в разных агрегатных состояниях с точки зрения макроскопических и микроскопических параметров.

№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы 1 Организационный момент 2 2 Проверка домашнего задания по теме «Взаимодействие молекул. Смачивание» 10 Индивидуальный опрос 3 Объяснение нового материала по теме «Агрегатные состояния вещества» с использованием компьютерной модели «Агрегатные состояния воды» 20 Объяснение нового материала с использованием компьютерной модели, работа с таблицей 4 Проверочный тест 10 5 Объяснение домашнего задания 3

Таблица 1.

Примерные вопросы для составления теста

• Выберите правильное утверждение.
  • Только твердые тела состоят из молекул.
  • Только жидкости состоят из молекул.
  • Только газы состоят из молекул.
  • Только жидкости и газы состоят из молекул.
  • Все тела состоят из молекул.
• Расстояния между молекулами воды в жидком состоянии…

  a)	много меньше размеров самих молекул;
  b)	значительно больше размеров самих молекул;
  c)	совпадает по порядку величины с размерами молекул.

  
  
• Длина свободного пробега молекул воды в газообразном состоянии…

  a)	много меньше размеров самих молекул;
  b)	значительно больше размеров самих молекул;
  c)	совпадает по порядку величины с размерами молекул.

  
  
• При переходе воды из жидкого в твердое состояние ее плотность…

  a)	увеличивается;
  b)	уменьшается;
  c)	не изменяется.

  
  
• Какое агрегатное состояние воды отличается наличием кристаллической решетки?
  • Твердая форма.
  • Жидкая форма.
  • Газ.
• Какое состояние воды соответствует приведенному рисунку?

  Рис. 1.

  • Твердая форма.
  • Жидкая форма.
  • Газ.
• Какое состояние воды соответствует приведенному рисунку?

  Рис. 2.

  • Твердая форма.
  • Жидкая форма.
  • Газ.
• Какое состояние воды соответствует приведенному рисунку?

  Рис. 3.

  • Твердая форма.
  • Жидкая форма.
  • Газ.

Различие в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов

Лед, вода и водяной пар — три состояния одного и того же вещества-воды. Значит, молекулы льда, воды и водяного пара не отличаются друг от друга.

Следовательно, эти три состояния различаются не молекулами, а тем, как молекулы расположены и как движутся. Как же расположены и как движутся молекулы газа, жидкости и твердого тела?

Газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Значит, в газах расстояния между молекулами большие, много больше размеров самих молекул. В среднем расстояния между молекулами газов в десятки раз больше размера молекул. На таких расстояниях молекулы очень слабо притягиваются друг к другу, Поэтому-то газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Нельзя наполнить газом, например, половину бутылки или стакана, так как, двигаясь во всех направлениях и почти не притягиваясь, друг к другу, молекулы быстро заполнят весь сосуд.

Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молекулами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше самой молекулы. На таких расстояниях притяжение молекул друг к другу уже значительно. Поэтому молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния и жидкость в обычных условиях, сохраняет свой объем. Однако притяжение молекул жидкостей еще не настолько велико, чтобы жидкость сохраняла свою форму. Этим объясняется, что жидкости принимают форму сосуда и их легко разбрызгать и перелить в другой сосуд.

Сжимая жидкость, мы сближаем ее молекулы настолько, что они начинают отталкиваться. Вот почему жидкость так трудно сжать.

Твердые тела в обычных условиях сохраняют и объем, и форму. Это объясняется тем, что притяжение между их частицами еще больше, чем у жидкостей.

Некоторые из твердых тел, например снежинки, имеют естественную правильную и красивую форму. Частицы (молекулы или атомы) большинства твердых тел, таких, как лед, соль, нафталин, металлы, расположены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя частицы этих тел и находятся в движении, но каждая из них движется около определенной точки, подобно маятнику часов, т. е. колеблется. Частица не может переместиться далеко от этой точки, поэтому твердое тело сохраняет свою форму.

На цветной вклейке I, в середине, показано расположение молекул одного и того же вещества — воды — в разных состояниях: а — твердом (лед), б—жидком (вода), в — газообразном (водяной пар). На вклейке II показано расположение частиц в кристалле золота.

Одним из основателей учения о молекулярном строении вещества был великий русский ученый М. В. Ломоносов. Вот как представлял себе М. В. Ломоносов строение газов: «Частицы газа сталкиваются с другими соседними в беспорядочной взаимности, отскакивают друг от друга и снова сталкиваются с другими, более близкими, снова отскакивают, так что стремятся рассыпаться во все стороны, постоянно отталкиваемые друг от друга такими очень частыми взаимными ударами».

На основе представлений о молекулах Ломоносов объяснял многие явления.

Вопросы. 1. Имеется ли отличие между молекулами льда, воды и водяного пара? 2. Как расположены молекулы газов? 3. Почему газы заполняют весь предоставленный им объем? 4. Чем объясняется очень малая сжимаемость жидкостей? Почему они не сохраняют свою форму? 5. Почему кристаллические твердые тела сохраняют свою форму и объем? 6. Кого из русских ученых считают основателем учения о строении вещества?

Строение молекулы, структура в жидком, твердом, газообразном виде

Содержание:

 

1. Современные представления о составе и структуре воды. Строение молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.
2. Структура воды. Водородные связи.
3. Структура воды в жидком  виде.
4. Особенности строения воды в твердом виде. Лед.
5. Особенности строения воды в газообразном виде. Пар.

 

1. Современные представления о составе и структуре воды. Строение молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.

• Опорные даты начала исследовании воды:
1781 г. — Вода впервые была синтезирована Г.Кавендишем при сгорании водорода;
1783 г. — Лавуазье предложил истинный состав воды как сложного соединения кислорода и водорода;
1800 г. — А.Карлейль и У.Никольсон с помощью тока, полученного в вольтовом столбе, разложили воду на кислород и водород;
1805 г. — Жозеф Луи Гей-Люссак и А.Гумбольдт, проведя совместные опыты, установили, что для образования воды необходимы 2 объема водорода и 1 объем кислорода;
1842 г. — Жан Батист Дюма установил весовое соотношение водорода и кислорода в воде как 2:16;
1860 г. — С.Канницаро предложил точную химическую формулу воды как h3O.
• К настоящему времени предложено более 100 моделей структуры воды, начиная с работ Дж. Бернала и Р. Фаулера.
 
Мы знаем, что вода существует в жидком, газообразном и твердом виде. Но возможны и субструктуры, отличающиеся по свойствам в рамках одного и того же агрегатного состояния. Посмотрите на общую фазовую диаграмму воды: римскими цифрами показаны различные структурные модификации льда.

 

Рисунок 1 — Фазовая диаграмма воды.
 
В «тройной» точке на диаграмме может одновременно существовать вода во всех трех агрегатных состояниях.

 

В «критической» точке все свойства жидкости и пара (энергия, плотность, структура, характер движения частиц и т.п.) становятся равны. При более высоком давлении и/или температуре агрегатное состояние воды называют «сверхкритическим».

 

В молекуле воды три атома: два водорода и один кислород. Между собой они соединены ковалентной связью. Молекула является двойным симметричным донором и акцептором протонов. Атом кислорода имеет две неподеленные пары электронов. Это определяет структуру воды и ее строение в виде равнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, а в основании — два водорода (рисунок 2).

 

Рисунок 2 — Электронная и геометрическая модель структуры молекулы воды.

  

В стабильном энергетическом состоянии молекула воды имеет тетраэдрическую пространственную структуру. При изменении агрегатного состояния воды длина сторон и угол между ними меняются. Если бы мы увидели молекулу воды, то обнаружили, что она имеет сфероидальную форму с двумя выпуклостями (рисунок 3).

 
Рисунок 3 — Локальное распределение некомпенсированных зарядов в молекуле воды.
 
Молекула воды полярна, т.е. один ее конец имеет частичный положительный заряд, а другой — отрицательный. Это объясняется тем, что две пары электронов в ней —  общие у двух атомов водорода и атома кислорода, а две другие пары неподеленных электронов собраны с противоположной стороны кислорода. Поэтому на атомах водорода проявляются частично нескомпенсированные положительные заряды, а на кислороде — отрицательные.

 
Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар обуславливает возникновение водородных связей, что способствует ассоциации молекул воды в группы.

 
Обладая значительным дипольным моментом, молекулы воды также сильно взаимодействуют с полярными молекулами других веществ.

  

Идеально чистую воду практически невозможно получить. По факту, мы всегда будем иметь дело хоть и с очень разбавленными, но растворами.

  

Кроме известной нам «легкой» воды ¹H₂¹⁶O (где надстрочный индекс — атомная масса элемента), существует еще 8 изотопологов, в которых вместо обычного водорода и кислорода содержатся их изотопы: ¹HD¹⁶O (D-дейтерий или ²H), D₂¹⁶O, ¹H₂¹⁷O, ¹HD¹⁷O, D₂17O, ¹H₂18O, ¹HD¹⁸O, D2¹⁸O (самая «тяжелая» вода).

 
В природе на 1 000 000 молекул воды в среднем приходится:
— 997 284 молекул легкой воды ¹H₂¹⁶O;
— 311 молекул ¹HD¹⁶O;
— 390 молекул ¹H₂¹⁷O;
— 2005 молекул ¹H₂¹⁸O.

 
Если из глубинной океанической воды, отвечающей стандарту SMOW (Standard Mean Ocean Water) удалить все тяжелые изотопы и заменить их на ¹H₂¹⁶O, то масса 1 л такой воды станет меньше на 250 мг, т.е. на четверть.

 

2. Структура воды. Водородные связи.

Структура — есть конкретное пространственное расположение атомов, ионов или молекул в соответствии с особенностями их взаимодействия между собой.

 
Существует несколько базовых гипотез строения воды. Две основных:
• Гипотеза Уайтинга (1883). Вода в жидком виде состоит из гидролей, а точнее из смеси моногидроля H₂O, дигидроля (H₂O)2, и тригидроля (H₂O)3. Основной строительной единицей здесь является дигидроль. Отметим, что по этой гипотезе пар состоит преимущественно из моногидроля, а лед — из тригидроля.
• Гипотеза О.Я. Самойлова, Дж. Попла, Г.Н. Зацепиной (XX век). Вода, пар или лед состоят из простых молекул H₂O, объединенных в группы или агрегаты с помощью водородных связей (Дж. Бернал, Р. Фаулер 1933).
Последователей второй гипотезы значительно больше, поэтому остановимся на ней подробнее.
Электронная конфигурация молекулы H₂O позволяет ей быть одновременно и донором и акцептором электронов. Этот факт является важной предпосылкой к образованию разветвленной сети водородных связей (рисунок 4), как уже было упомянуто ранее. Лед в этом отношении совершенен.

  

  
Рисунок 4 — Образование водородных связей между молекулами воды. Сплошные линии — ковалентные связи, точечные — направленные водородные связи.
 
Расчетами установлено, что в любом объеме воды всегда найдется, по крайней мере, одна сплошная цепочка из водородных связей, пронизывающая весь объем. Если представить в виде этого объема мировой океан, то, согласно этого постулата, в нем точно найдется одна гигантская ассоциация молекул воды, опоясывающая земной шар. Известен афоризм И. Ленгмюра: «Океан — одна большая молекула». Сегодня достоверно установлено, что из каждых 10 молекул воды 8 по прежнему окружены соседями.

 
В ходе современных физико-химических исследований были выявлены характерные структурные агрегаты воды, формирующиеся с помощью водородных связей.

 
Для формирования трехмерных структур необходимо, кроме способности молекул создавать водородные связи, выполнение еще двух условий. Этих связей должно быть не менее четырех на одну молекулу и геометрические размеры молекулы не должны противоречить оптимальным направлениям водородных связей. Вода удовлетворяет этим требованиям. Так, нагревая лед мы получаем смесь жидкой воды и кристаллов льда, температура которой останется неизменной до тех пор, пока все кристаллики не расплавятся. Это говорит о том, что подводимое нами тепло будет расходоваться в первую очередь на разрушение водородных связей льда.
 

3. Структура воды в жидком  виде.

  

 

Жидкость, как известно, отличается от других агрегатных состояний вещества своей текучестью, т.е. способностью неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, сохраняя при этом объем. Жидкость способна течь даже под свей неподвижной поверхностью. Молекулы жидкости не имеют своего строго определенного места, но, все же, им недоступна полная свобода перемещения, как в паре.

 

Структура жидкости есть статистическая закономерность межмолекулярных расстояний и ориентаций, характерных для плотно упакованных систем.
 
Согласно одной из первых моделей воды Бернала и Фаулера, основанной на рентгеноструктурном анализе, существует три формы расположения молекул в жидкой воде:
•    При температуре ниже 4^о С — льдоподобная структура тридимита;
•    При обыкновенной температуре — кварцеподобная структура;
•    При высоких температурах — плотнейшая структура.

 

Эта теория оказалась верной лишь методологически, многие ее детали на практике не подтвердились. Однако, главное ее достижение — идея о наличии тетраэдрической сетки.

 
В 1951 г. Дж. Попл предложил модель воды в виде непрерывной сетки (рисунок 5), отличной от модели Бернала и Фаулера. Отличия заключались в том, что сетка была случайной, связи в ней искривлены и имеют различную длину.

 

 
Рисунок 5 — Модель жидкой воды Дж.Попла.
 
Попл объяснял уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Однако, данная модель не могла объяснить нелинейность зависимости свойств воды от температуры и давления.

 
Почти одновременно с идеей Попла возникли кластерные и клатратные модели, которые можно обозначить как «смешанные».

 
Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры из молекул, связанных водородными связями, плавающих в объеме свободных молекул. В группе кластерных моделей выделяется теория Г.Немети и Х.Шераги (рисунок 6). Отметим, что в данной модели разрушение одной водородной связи приводит к разрушению всего кластера. Разрушение и образование кластеров происходит постоянно.

 

  

Рисунок 6 — Кластерная модель Г.Немети и Х.Шераги.
 
Кластерная модель не говорит о расположении молекул в гроздьях, но авторы предполагают наличие отдельных «роев». При этом постулируется тот факт, что большинство молекул должно быть тетракоординировано. Состояние молекул будет определяться количеством водородных связей, которые она образует (0-5).

 
Удар по кластерной теории наносят исследования Г.Стэнли на основе теории перколяции (протекания). Г.Стэнли доказывает невозможность существования в воде изолированных кластеров.

 
Клатратная модель говорила о воде как о непрерывной сетке-каркасе связанных молекул, внутри которого содержались пустоты со свободными молекулами.

 
Первую модель клатратного типа предложил О.Я.Самойлов в 1946 году. В ее основе лежало представление о жидкой воде как о испорченной, размытой структуре льда Ih с частичным заполнением полостей мономерами. В процессе движения молекул решетка постоянно перестраивается. Настройкой свойств и концентраций микрофаз, а также параметрами пустот легко можно было объяснить все закономерности свойств воды.

  

Сегодня существует еще много вопросов о воде в метастабильных состояниях, в частности — аморфных. Дальнейшее исследование структуры воды продолжается на основе компьютерного моделирования и численных экспериментов. Сегодня на эту тему опубликовано несколько тысяч работ, среди которых оригинальными являются работы Г.Г. Маленкова. В работах по моделированию воды используется 2 критерия: геометрический и энергетический.

 
Пустоты в воде по результатам моделирования имеют тенденцию объединяться друг с другом, образуя еще более крупные пустоты, как показано на рисунке 7.
  

 

Рисунок 7 — Размещение пустот в пространстве (3456 молекул при температуре 300К).
 
По результатам компьютерного моделирования структуры воды можно сделать однозначные выводы, что в ней существует трехмерная сетка из молекул, соединенных водородными связями.  Сетка структурно и динамически неоднородна, не похожа на структуру кристаллов. Время жизни водородной связи в сетке составляет несколько пикосекунд (10^-12 с). На рисунке 8 представлена принципиальная схема эволюции кластера.

  

  
Рисунок 8 — Эволюция кластеров из молекул воды в рамках модели числового моделирования.
 
Рассмотрим кластерную и клатратную модели строения жидкой воды подробнее.
  

3.1 Кластерная модель строения жидкой воды.

  

Согласно квантово-химическим расчетам большей устойчивостью обладают линейного «открытого» димера воды, по сравнению с циклическими формами. В случае цикла выгодными являются трех-четырех- и пятичленные образования, в которых водородные связи имеют одинаковое направление. Для шестичленного цикла выгодным становится структура типа «кресло».

 
Одно из первых изображений формирования циклических кластеров воды приведено на рисунке 9.

  

  
Рисунок 9 — Формирование циклического кластера воды.
 
Большой вклад в возможность формирования и устойчивость кластеров воды во времени внесли работы Г.А.Домрачева и Д.А. Селивановского. Они доказывали существование механохимических реакций радикальной диссоциации воды. Доказательство основывалось на том, что вода, по их мнению, представляет собой динамически нестабильную полимероподобную систему и по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механическом воздействии на воду поглощенная водой энергия используется для разрыва химических связей H-OH. Реакция разрыва связи может выглядеть так:
 

(H₂O)_n(H₂O…H-|-OH)(H₂O)_m + e(H₂O)_n+1(H) + (OH)(H₂O)_m

 
где: е — неспаренный электрон.
 
Рассчитав эффективность механодиссоциации воды, авторы пришли к выводу, что кислород на Земле появился при диссоциации воды.

 
Итак, вода, по мнению Г.А.Домрачева и Д.А. Селивановского — это громадный полимер из молекул воды, связанных водородными связями. Интересно, что в молекуле классического полимера атомы объединены ковалентными связями. При этом установлено, что водородная связь между молекулами воды во льду имеет на 10% ковалентный характер.

 
В 1993 г. К.Джордан предложил свои варианты устойчивых «ассоциатов воды», которые состоят из 6 молекул (рисунок 10).

  

  
Рисунок 10 — Образование ассоциатов воды по К.Джордану.
 
По Джордану кластеры могут объединяться и друг с другом, и со свободными молекулами воды за счет водородных связей, формируя более крупные ассоциаты. Такие кластеры могут объединяться как друг с другом, так и со свободными молекулами воды.

 
Квантово-химические расчеты нанокластеров с общей формулой (H₂O)_n с n=6-20 показали, что самые устойчивые структуры образуются посредством взаимодействия тетрамерных и пентамерных кольцевых структур (рисунок 11). На рисунке ниже показаны возможные структуры конформации кластеров воды.

  

  
Рисунок 11 — Возможные структуры и конформации кластеров воды (a-h) состава (H₂O)_n, где n=5-20: a,b — 6, d — 10, e — 12, f — 8, g — 15, h — 20.

 
Считается, что тетрагональная структура льда разрушается при плавлении с образованием смеси, состоящей из три-, тетра-, пента-, гексамеров воды и свободных молекул.
 
В 1999 г. Р.Секайли удалось расшифровать строение тримера воды, а в 2001 г. — тетрамера, пентамера и гексамера, структуру клетки:
  

  

Рисунок 12 — Строение тримера, тетрамера, пентамера и гексамера-кластера воды по Р.Сейкалли.
 
Оригинальной кластерной моделью является теория С.В.Зенина. Согласно модели С.В.Зенина вода представляет собой иерархию геометрически правильных объемных структур «ассоциато». Согласно его теории элементарной структурной ячейкой воды являются тетраэдры, в которых может содержаться 4 (простой тетраэдр) или 5 (объемно-центрированный тетраэдр) молекул воды. При этом у каждой молекулы воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, благодаря чему создаются более сложные структуры, как показано на рисунке 13.

  

  
Рисунок 13 — Формирование сложных ассоциатов из молекул воды по С.В.Зенину.
 
Кластеры, содержащие 20 молекул воды (додэкаэдры) более стабильны. Схема их образования показана на рисунке 14.

  

  

Рисунок 14 — Формирование кластеров воды из 20 молекул.
 
Из четырех таких образований возникают энергетически выгодные «кванты» — тетраэдрические додекаэдры (рисунок 15).

  

  

Рисунок 15 — Модель ассоциата воды из 57 молекул — «квант» (тетраэдр из четырех додекаэдров).
 
Из 57 молекул такого образования 17 составляют гидрофобный каркас с полностью насыщенными связями, а по 10 молекул на поверхности каждого додекаэдра формируют центры образования водородных связей.

 
Методами жидкостной хроматографии было подтверждено существование пяти- и шестиквантовых структур типа «четырехконечной звезды» и «шестилучевой снежинки».

 
При взаимодействии двух пятиквантовых фракций и одной шестиквантовой образуется кластер — ромбический куб с ребром 2,9 нм и острым углом в 60^о (рисунок 16).

  

  
Рисунок 16 — Принципиальная модель кластера воды из 912 молекул (16 «квантов» воды).
 
На каждой грани такого куба существует уже по 24 центра образования водородных связей. Такой 16 квантовый куб с 912 молекулами, по Зенину, является наиболее устойчивым образованием в воде, причем их доля в структуре воды превалирует — около 80%. Еще 15% — это додекаэдрические тетраэдры, а 3-5% — неассоциированные молекулы воды. Данные цифры были подтверждены экспериментально.
 
На уровне 24 центров связывание по водородным связям практически прекращается ввиду того, что поверхность образований становится насыщенной (нейтральной).
 
Кластеры почти не взаимодействуют между собой, а скользят друг по другу, поэтому вода не отличается высокой вязкостью. В таком «режиме» из кластеров формируются метастабильные структуры, пример которых показан на рисунке 17 (микроизображение в режиме фазового контраста).

  

  
Рисунок 17 — Микроизображение объемной структуры воды.
 
Теория Зенина хорошо объясняет электропроводные свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо согласуется с большими значениями коэффициента самодиффузии и малым временем диэлектрической релаксации.
 
Интересно, что по мнению Зенина, если степень возмущения структурных элементов воды недостаточна для перестройки всей структуры, то после снятия возмущения система релаксирует 30-40 минут до возвращения в исходное состояние. Если же переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то оказанное воздействие отразится на новом состоянии.
 
Альтернативную, но похожую теорию выдвинул М.Чаплин. В его теории структурные элементы — это икосаэдры. По результатам расчетов Лободы и Гончарука кластеры показывают повышение устойчивости в ряду (H₂O)₂₀ < (H₂O)₁₀₀ < (H₂O)₂₈₀. Кластеры из 100 молекул могут образовывать цепочки с уменьшенными напряжением и степенью деформации водородных связей. В дальнейшем теоретически формируются сети, как показано на рисунке 18.

  

  

Рисунок 18 — Формирование упорядоченной сети кластерных образований икосаэдрической формы, формирующих структуру воды. Компьютерные расчеты. Показаны только атомы кислорода.
 
Однако практически существование регулярных матриц в воде маловероятно. Кластеры из 280 молекул также могут формировать цепочки, но с более напряженными водородными связями.

 
Кластеры могут разрастаться в суперкластеры (гигантские икосаэдры), примеры которых приведены на рисунке 19.

  

  
Рисунок 19 — Гигантсские икосаэдры из молекул воды по М.Чаплину.
 
В 2002 Беркли методом рентгеноструктурного анализа показала, что молекулы воды действительно способны образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул.
 
А.Н.Смирновым в бидистиллированной воде и некоторых растворах методами акустической эмиссии, лазерной интерферометрии и термического анализа удалось визуализировать надмолекулярные образования с размерами частиц от 1 до 100 мкм, распределенных в водной среде (рисунок 20). Свойства таких частиц были сходны со свойствами частиц, образующих эмульсию, поэтому они были названы «эмулонами».

  

  
Рисунок 20 — Влияние температуры на структуру воды по данным лазерной интерферометрии: а — температура 4^о С, б — 20^о С, в — 75^о С. Микроизображения 2х2 мм.
 
Размеры и пространственная организация эмулонов зависят от состава водного раствора, температуры и предыстории раствора. Наибольшее число фракций имеют размеры 30, 70 и 100 мкм.

  

Температурная динамика структуры эмулонов имеет следующие отсечки:
•    При 4^о С комплексы плотно упакованы и напоминают паркет. При этой температуре вода имеет наибольшую плотность.
•    При 20^о С количество свободных эмулонов становится наибольшим.
•    При 36^о С часть эмулонов разрушается, наблюдается минимальная теплоемкость воды.
•    При 63^о С еще большая часть эмулонов разрушается, наблюдается минимальная сжимаемость воды
•    К 75^о С максимальное число эмулонов разрушается, наблюдается максимальная скорость звука в воде.
 
Таким образом, с рассмотренной точки зрения жидкая вода — это дисперсная система, каждая форма которой существует в определенном температурном диапазоне.
 

3.2 Клатратная модель строения жидкой воды.

   

Как уже упоминалось ранее, наряду с кластерной развивалась клатратная теория, основоположником которой в 1946 году стал О.Я.Самойлов. Он представлял структуру жидкой воды льдоподобной, полости которой частично заполнены мономерами (одна полость — одна молекула воды). Каркас структуры нарушен тепловым движением молекул.
 
Клатраты в целом (не только вода) делятся на два класса, зависящие от соединения-хозяина. Молекулярные клатраты образуются «хозяевами», имеющими внутримолекуярные полости. Такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Если «хозяин» способен образовывать только межмолекулярные или кристаллические полости, то из него получаются решетчатые клатраты (рисунок 21), устойчивые лишь в твердом состоянии.

  

  

Рисунок 21 — Гидрат метана  — пример решетчатого клатрата.
 
В поздних модификациях клатратной модели воды допускается образование водородных связей между молекулами в каркасе и молекулами в пустотах. При этом сами молекулы в обеих микрофазах соединены водородными связями.
 
В заключение отметим, что существует целый ряд воздействий, которые могут приводить к определенному структурированию воды:
• Сверхкритические температуры и давления;
• Магнитные и электромагнитные поля, акустические и вибрационные воздействия с определенными характеристиками;
• Растворение электролитов, образующих при диссоциации ионы с относительно малым радиусом и большим зарядом;
• Растворение неэлектролитов, вызывающих явление гидрофобной гидратации;
• Длительный контакт с поверхностью нерастворимых в воде минералов, таких, как кварц.
 
Возможность такого рода воздействий обуславливается тем, что вода — очень чувствительная система множества метастабильных состояний. Вода, по сути, может откликаться на воздействия практически любой природы.

 
Более подробно структурирование воды под воздействием внешних сил будет рассмотрено в отдельной статье.

 

4. Особенности строения воды в твердом виде. Лед.

  

  

•    Всего насчитывается около 15 структурных модификаций льда (рисунок 22).

  

  
Рисунок 22 — Фрагмент фазовой диаграммы воды.
 
• Основные вехи в раннем исследовании льда:
1912 г. — Джонстон определил электропроводность льда.

1918 г. — А.Джоном получены первые результаты по рентгеноструктурному исследованию льда. Джон отметил, что лед собран из прямых треугольных призм.

1921 г. — Д.Деннисон уточняет это предположение.

1922 г. У.Г.Брэгг в статье «Кристаллическая структура льда» пытается выяснить причины возможных ошибок при расшифровке положений ядер кислорода. Он убежден, что ни Джон, ни Деннисон не смогли найти истинного расположения ядер кислорода в структуре льда. Брэгг сделал важное замечание: каждый атом кислорода в структуре льда должен быть окружен четырьмя другими. Атом же водорода располагается между двумя кислородами как бусинки на нитке. При этом, что важно, бусинки сдвинуты, смещены, относительно центра льда. Т.е. ядра водорода расположены асимметрично.

1929 г. — В.Варне обнаружил, что молекулы во льду полностью ионизированы, а каждый водород находится на равном расстоянии между двумя соседними ядрами кислорода. Он заявил о трехмерности каркаса льда, который должен иметь форму тетраэдра. В нем каждый атом кислорода окружен еще четырьмя, т.е молекула воды имеет четырех соседей. Однако. ни Брэгг ни Бранс не предполагали, что пространственная структура льда (как и жидкой воды) обуславливается распределением зарядов в молекулах воды.

1924, 1952, 1953 гг. — Исследована диэлектрическая постоянная льда Эррером, Оти и Коулом, Хамбеллом. Установлена ее анизотропия при 0^о С.

  

Кристаллическая решетка льда называется ажурной (рисунок 23). Паутина связей между молекулами воды во льду содержит много крупных пустот, больших по размеру, чем сами молекулы. Именно поэтому лед более легкий, чем жидкая вода. При плавлении льда водородные связи начинают разрушаться и в пустотах оставшихся ассоциатов поместиться освободившиеся молекулы воды.

  

  

Рисунок 23 — Тетраэдрическое окружение молекул воды в кристалле льда.
 
•    При давлении в 2 ГПа можно получить лед со структурой VI (горячий лед), который не будет плавиться даже при 80^о С.
•   При очень высоких давлениях внутри нанотрубок с диаметром от 1,35 до 1,90 нм вода может кристаллизоваться в форме двойных спиралей (рисунок 24).

  

  

Рисунок 24 — Изображение структуры льда в нанотрубках.
 
•    Современные представления о структуре льда говорят о наличии кластерного строения. Чем ниже температура, тем крупнее кластеры. Наиболее устойчивы кластеры из 8, 12, 24, 36 молекул.
  

5. Особенности строения воды в газообразном виде. Пар.

  

  

В паре водородные связи на 99% разорваны. При этом в нем сохраняется до 1% димеров. Полностью разорвать все связи в паре можно лишь при температура 600^о С.

 
Расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул. При этом сами молекулы хаотично двигаются, сталкиваются со стенками сосуда, в котором заключены, и между собой. Скорость их тем выше, чем выше температура системы.

 
Вода может длительное время находиться и в перегретом состоянии до 200^о С. При введении пузырька воздуха в такую перегретую воду она мгновенно вскипает и ее температура падает до 100^о С.

  

Читайте так же:

 

Физические и химические свойства воды. Факты о воде и аномалиях ее поведения.

  

Оцените статью. Всего 1 клик!

Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО «НПП Электрохимия». Любое копирование информации возможно только с разрешения владельца сайта с обязательной ссылкой на первоисточник https://zctc.ru/

Структура воды в жидком состоянии

    Особенности жидкой воды как растворителя зависят от строения ее молекул. Структуры льда и воды в значительной степени определяются водородными связями. В жидком состоянии вода ассоциирована в большей степени, чем другие гидриды, например, аммиак, фторово-дород, сероводород. Жидкая вода имеет квазикристаллическую структуру. Каждая молекула воды окружена четырьмя другими молекулами, располагающимися по вершинам тетраэдра. Ядра кислорода находятся в центрах этих тетраэдров. Расстояния между ближайшими молекулами 2,76 А. Образование водородных связей объясняет аномальные свойства воды. [c.38]
    Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар от атомов водорода к атому кислорода обусловливает образование водородных связей между кислородом и водородом. Водородные связи обусловливают ассоциацию молекул воды в жидком состоянии и некоторые ее аномальные свойства, в частности, высокие температуры плавления и парообразования, высокую диэлектрическую проницаемость, максимальную плотность при 4°С, а также особую структуру льда. В кристаллах льда молекула воды образует четыре водородные связи с соседними молекулами, что приводит к возникновению тетраэдрической кристаллической структуры. Расположение молекул в таком кристалле отличается от плотной упаковки молекул, в решетке много свободных мест, поэтому лед имеет относительно невысокую плотность. [c.83]

    Жидкое состояние характеризуется плотной молекулярной упаковкой. Свободный объем в жидкости много меньше свободного объема в газах. Для многих жидкостей характерно наличие областей упорядоченной структуры. Так, для воды характерным является наличие областей с льдоподобным каркасом, пустоты которого заполнены молекулами воды. Области упорядоченной структуры возникают и разрушаются в результате теплового движения молекул. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул в жидкости, как и в газах, равна ЯТ, следовательно, и средние скорости поступательного движения молекул в жидкости равны средним скоростям движения таких же молекул в газовом состоянии при той же температуре. [c.592]

    Структура жидкой воды. Для объяснения аномальных свойств воды в жидком состоянии учеными созданы различные модели ее структуры. В основе многочисленных моделей жидкая вода рассматривается как кристаллическое вещество (жидкие кристаллы). Упорядоченное (кристаллическое) расположение частиц воды в жидком состоянии доказано экспериментально. Полагают, что прн плавлении льда его решетка частично разрушается и эти пустоты и ажурная структура льда заполняются освободившимися молекулами воды. Плотность жидкой воды вследствие этого увеличивается. Учеными подсчитано, что в жидкой фазе при 0°С несвязанные, заполняющие пустоты молекулы составляют около 16% от их общего количества. [c.9]

    Углеводородные химические структуры, накапливающиеся в составе органического вещества, наиболее подвижны по сравнению с другими структурами, наиболее способны к переходу в жидкое состояние, а следовательно, к перемещениям, пли миграции в горных породах. Поэтому при первой же возможности начинается их отщепление, отделение от остальной части органического вещества с образованием уже самостоятельных молекул углеводородов и уход, или эмиграция этих углеводородов из мест их первоначального образования. Эмиграция (эвакуация) в основном идет параллельно с элизионным процессом, а углеводороды и другие вещества частично растворяются в воде и дальше перемещаются вместе с ней. Таким образом, и здесь вода играет важнейшую роль в судьбе нефти, так как без эмиграции углеводородов из мест их первоначального залегания нефть вообще ие может возникнуть. [c.38]

    Эти свойства жидкой воды связаны с необычайностью ее структуры, которая и заключается в наличии водородной связи, образующейся в молекулах воды вследствие существования неподелен-ных электронных пар. Электронные пары расположены на двух орбиталях, лежащих в плоскости, перпендикулярной к плоскости НОН (рис. 1.5). За счет неподеленных пар электронов в каждой молекуле воды могут возникнуть две водородные связи. Еще две связи могут обеспечить два водородных атома. Таким образом, только одна молекула воды в состоянии образовать четыре водородных связи. Благодаря этому результирующее распределение зарядов в молекуле воды напоминает тетраэдр, два угла которого заряжены положительно, а два — отрицательно. Результирующий центр положительных зарядов находится посредине между протонами. Он отделен от результирующего центра отрицательных зарядов, расположенного вблизи атома кислорода с противоположной Т5Т протона стороны. Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем с дипольным моментом, равным Кл-м (отсюда и высокая диэлектрическая проницаемость воды, и связанная с ней способность растворять ионные вещества). [c.23]

    КОМ. в случае воды это связано с рыхлой гексагональной структурой кристаллов обычного льда. Приближенное представление о такой структуре может дать рис. (У.б, а). Однако онО все-таки дает представление о наличии больших пустот при правильном расположении молекул воды в гексагональной решетке. При плавлении решетка разрушается и становится возможным более тесное расположение молекул (рис. У.б, б). Тем не менее элементы упорядоченной гексагональной структуры в непосредственной близости температуры плавления и в жидком состоянии еще сохраняются. С этим, по-видимому, связано другое уникальное свойство воды — уменьшение объема при нагревании от О до 4° С. [c.110]

    Свойства воды интересуют научных работников различных специальностей — физиков, химиков, биологов, геологов До настоящего времени не разработана теория жидкого состояния II нет теории, объясняющей удивительные свойства воды, которые обычно классифицируются как аномальные по сравнению с аналогичными свойствами простых жидкостей. Именно этим свойствам обязаны многие геологические особенности Земли и сама жизнь Настоящая монография является первой книгой на русском языке, где систематически рассмотрены свойства молекулы Н2О, свойства пара, свойства различных кристаллов Н2О и свойства воды в жидком состоянии. Одна на глав книги посвящена природе водородной связи, которая наряду с особенностями структуры молекулы воды определяет свойства этой жидкости. [c.2]

    Для многих жидкостей изменение энтропии испарения при температуре кипения равно 84—92 Дж/(К-моль) (правило Тру-тона). Это означает, что изменение степени порядка структур при переходе жидкого состояния в газообразное у многих ве ществ примерно одинаковое. Правило Трутона соблюдается, если состав жидкой фазы одинаков с составом пара вещества. У жидкостей, молекулы которых ассоциированы, Д5°исп больше, чем требуется по правилу Трутона, так как в теплоту испарения включается теплота, затрачиваемая на разрушение групп молекул. Так, для воды [c.32]

    Как известно, для каждого типа молекул воды в области 3100—3800 см- должны наблюдаться по крайней мере три полосы поглощения (симметричные, асимметричные валентные колебания и обертон деформационных колебаний). Сдвиг частот валентных симметричных колебаний и валентных асимметричных колебаний ОН-групп молекул воды в растворах относительно соответствующих частот полос поглощения в спектре водяного пара зависит от величины энергии связи между молекулами воды и молекулами растворителя. Разность между частотами симметричных и асимметричных валентных колебаний определяется симметрией образующихся комплексов. В чистой воде, находящейся в жидком состоянии, все ОН-группы молекул воды приблизительно равноценны, разность частот симметричных и асимметричных колебаний близка к 100 см , но так как полосы имеют большую полуширину, то структура суммарной полосы проявляется весьма слабо. Однако даже при небольшой асимметрии в энергиях связи ОН-групп молекулы воды с окружением разность частот симметричных и асимметричных колебаний заметно увеличивается, и структура суммарной полосы фиксируется достаточно четко. При увеличении энергии связи молекул воды с окружением происходит не только сдвиг полос, но и изменение их относительной интенсивности и полуширины. [c.59]

    Плавление льда и замерзание воды. При атмосферном давлении обычный лед плавится при 0 С. Соотношения, связанные с правилом фаз, были описаны для этого процесса в 14 гл. IV, ч. I. С точки зрения молекулярно-кинетической теории плавление льда происходит при той температуре, при которой тепловое движение частиц, усиливающееся с повышением температуры, становится способным разорвать часть водородных связей между молекулами. В результате структура льда разрушается и вода переходит в жидкое состояние. [c.10]

    Вода в прочно адсорбированном состоянии обладает структурой, отличной-и от структуры обычной жидкой воды и от структуры обычного льда. Для молекул, находящихся в таком состоянии, переход к структуре льда мог бы потребовать разрыва сравнительно прочных связей или искажения валентных углов и не сопровождался бы повышением устойчивости структуры не только при 0 С, ио и при значительно более низких температурах. В тех же случаях, когда несколько более слабая связь адсорбированных молекул не будет препятствовать переходу их к структуре льда, выделение теплоты и изменение объема при этом процессе могут отличаться по величине от эффектов, наблюдаемых при кристаллизации льда из свободной воды, и соотношение между ними может быть иным. [c.36]

    Атомы кислорода, лежащие в одной плоскости, образуют вершины не квадратов, а правильных шестиугольников, располагающихся слоями и определяющих гексагональную симметрию (см. гл. 4 4.6) кристаллического льда. Такое расположение молекул, приводящее к образованию многочисленных пустот, объясняет меньшую плотность льда по сравнению с жидкой водой, в которой около 15% молекул воды уходят из узлов кристаллической решетки и заполняют ее полости. Однако и в жидком состоянии вода сохраняет в основном надмолекулярную структуру льда. [c.122]

    Одно и то же вещество в твердом и жидком состояниях имеет различную плотность. Обычно плавление сопровождается некото рым увеличением межатомных расстояний, понижением координа ционного числа, т. е. образованием более рыхлой структуры. Вследствие этого плотность жидкости, как правило, меньше, чем плотность соответствующего кристалла. Однако если кристаллы имеют недостаточно плотную упаковку (например, многие ковалентны кристаллы с тетраэдрическими связями), то при плавлении возможно увеличение координационного числа. Тогда плотность жидкого вещества больше плотности его кристаллов. Подобного рода аномалии обнаруживают, например, германий, кремний, галлий, висмут, вода и многие сложные полупроводниковые фазы. [c.240]

    С точки зрения современной теории набухание и растворение ВМС рассматривается как процесс смешения двух жидкостей растворителя и ВМС, находящегося в переохлажденном жидком состоянии. При набухании ВМС молекулы растворителя проникают в глубь его. Этому способствует неплотная структура ВМС, состоящая из нитевидных и изогнутых макромолекул, переплетенных друг с другом. Молекулы низкомолекулярной жидкости, проникая вглубь, заполняют свободные пространства между макромолекулами, отодвигая их друг от друга и ослабляя межмолекулярное взаимодействие. Образовавшиеся щели заполняются новыми молекулами растворителя. В результате увеличивается объем и масса образца. Так, например, при набухании желатины в воде объем увеличивается в 14 раз. [c.379]

    Число ближайших соседей у каждой молекулы в простом твердом кристаллическом веществе равно 12 (гл. 2), а в простой жидкости примерно 10,6, как удалось установить различными методами. Именно эта разница и предопределяет обычно наблюдаемое понижение плотности при плавлении. Вода необычна и в том отношении, что у нее как в твердом, так и в жидком состоянии число ближайших соседних молекул у каждой молекулы равно приблизительно четырем. Молекулярная структура жидкой воды не выяснена эта проблема остается одной из наиболее интересных и важных проблем структурной химии, ожидающих решения. [c.246]

    Биохимики часто пользуются понятием структура воды , имея в виду способность больших групп молекул воды, находящейся в жидком состоянии (кластеров), образовывать льдоподобные структуры с помощью водородных связей. В обычном льду все молекулы воды связаны друг с другом водородными связями, причем каждые шесть молекул образуют шестичленное кольцо, напоминающее кольцо циклогексана. Такая структура характерна для всего кристалла льда, поскольку между молекулами воды соседних колец тоже образуются водородные связи. Каждый атом кислорода связан ковалентно с двумя атомами водорода и, кроме того, образует водородные связи с двумя атомами водорода других молекул воды. (Некоторые из таких водородны. с связей указаны на приведенном ниже рисунке пунктирными стрелками.) [c.246]

    Любая теория жидкого состояния должна объяснять, в частности, следующие факты. За исключением воды, молярный объем любой жидкости приблизительно на 10% больше, чем у соответствующего твердого тела. Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что в упорядочении структуры жидкого состояния участвуют лишь близко расположенные молекулы растворителя, а расстояния между соседними молекулами почти такие же, как и в твердом состоянии. Молекулы растворителя движутся не свободно, как в газообразном состоянии, а в потенциальном поле соседних молекул. Потенциальная энергия жидкого состояния выше потенциальной энергии твердого состояния этого же вещества примерно на 10%. Поэтому теплота плавления составляет около 10% от теплоты возгонки. Окружение каждой молекулы растворителя очень напоминает окружение молекулы твердого тела, однако в первом случае вместо некоторых соседних молекул имеются пустоты. В жидкости в окружении молекулы в среднем вакантно каждое десятое место. [c.25]

    Распространяя такой подход на все остальные колебательные полосы воды, можно получить еш е пятую характеристику структуры воды. На этот раз удается установить два ее кинетических свойства. Как было описано выше (см. гл. III, п. 5), достаточно интенсивная при 5° С полоса трансляционных колебаний воды vj, положение максимума которой не зависит от температуры, при 50° С практически полностью исчезает (см. рис. 61). Выше было показано, что положение V7-полосы не зависит от размера комплекса (см. гл. III, п. 5). Энергия и силовая постоянная водородной связи, последняя из которых определяет частоту vy, при повышении температуры от 5 до 50° С почти не меняются (см. гл. III, п. 2 и гл. V, п. 3). Таким образом, исчезновение vr-полосы жидкой воды при нагревании ее на 45° можно объяснить только тем, что в результате указанного повышения температуры число водородных связей со временем жизни больше 1,5-10 сек уменьшилось на порядок. Этот вывод полностью согласуется с данными, полученными методом ядерного магнитного резонанса, по которым это время при нормальных условиях оценивается lO ii — 10 сек. Кроме того, из температурного поведения vt-полосы следует, что при 50° С практически не остается молекул воды, живущих в связанном состоянии хотя бы 2-10 сек. [c.153]

    Одноатомные спирты содержат группы ОН в молекулах и, следовательно, также могут образовывать водородные связи. Однако поскольку здесь имеется один протон и одна неподеленная пара электронов кислорода, каждая молекула может образовывать водородные связи только с двумя другими молекулами. В результате образуются цепочечные агрегаты с метильными группами наружу. Структура получается довольно компактной, без пустот, и спирты не обладают такими аномальными свойствами, как вода. Многоатомные спирты (глицерин, этиленгликоль) имеют две и более гидроксильных групп на молекулу. Это приводит к образованию пространственной сетки водородных связей, и структура их в жидком состоянии более упорядочена, чем у одноатомных спиртов. [c.16]

    При контакте с водой древесины, насыщенной гигроскопической влагой, происходит дополнительное поглощение воды. Эта избыточная вода наполняет капилляры первого порядка и рассматривается как свободная. Способность древесины из-за пористой структуры впитывать воду в жидком состоянии называют водопоглощением. Древесину, содержащую кроме связанной воды свободную воду, называют сырой древесиной. [c.261]

    Согласно современным представлениям, из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состояниях, В жидком состоянии из молекул состоят только те вещества, которые находятся не в ассоциированном состоянии в твердом же состоянии из молекул состоят лишь те вещества, которые имеют молекулярную структуру, К ним относятся органические соединения и небольшое количество неорганических веществ (например кристаллический йод, твердый оксид углерода (IV), вода,,,). Абсолютное же большинство твердых неорганических веществ не имеют молекулярной структуры, существуя в виде кристаллических форм, образованных не молекулами, а другими частицами (атомами, ионами). К ним относятся металлы, оксиды, сульфиды, карбиды и многие другие соединения. [c.29]

    На основании теоретических соображений о структуре воды и о взаимодействии ионов с водой Бернал и Фаулер [82a]i развили теорию таких свойств, как кажущиеся молярные объемы и теплоты гидратации ионов. Они показали, что в жидкой воде молекулы стремятся соединиться в группы, имеющие форму тетраэдров, в углах которых расположены атомы кислорода. Эта структура аналогична открытой тетраэдрической структуре льда [83]. В случае кристаллического состояния молекулы воды группируются вокруг ионов, и число молекул воды, находящихся в таком ориентированном состоянии, определяется пространственными условиями, которые зависят от относительных объемов молекул воды и ионов. [c.383]

    Диссипативная структура — это особое состояние сильно неравновесной системы. В таких системах происходит интенсивный перенос энергии, сопровождающийся ее потерями. Это может быть перенос теплоты от нагретого тела к холодному через слой жидкости или передача механической энергии одного движущегося тела другому через слой жидкости или самой жидкой среде. Это может быть также химическая реакция или передача энергии переменного поля частицам феррита и т. д. Течение этих процессов может принимать своеобразный, регулярный характер. Предпочтительность регулярного течения процесса обусловлена тем, что при прочих равных условиях (например разности температур) скорость переноса энергии увеличивается за счет включения дополнительных механизмов переноса. Классический пример диссипативной структуры — регулярные ячейки конвективных потоков среды при теплопередаче, если нагретое тело расположено внизу, а холодное — вверху. В этом случае теплопередача интенсифицируется за счет конвективного переноса теплоты в дополнение к нормальной теплопередаче неподвижной теплопроводной средой. Обычные волны на поверхности воды служат другим примером диссипативной структуры. Здесь, наряду с пространственной регулярностью возмущений поверхности, возникает и регулярность изменения состояния поверхности во времени. Пример чисто временной регулярности дают некоторые колебательные химические реакции. Внешне периодичность реакции может проявлять себя в том, что цвет раствора периодически с частотой несколько раз в минуту изменяется, например, с красного на синий и обратно. Такие колебания продолжаются до окончания реакции, длящейся десятки минут. [c.680]

    СТРУКТУРА ВОДЫ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ [c.8]

    Таким образом, как вода, так и низшие спирты обладают способностью к образованию прочных водородных связей, имеют в жидком состоянии определенные и различные по пространственной конфигурации структуры молекулы их существенно отличаются размерами. Эти обстоятельства определяют сложность строения водноспиртовых растворов и характер межмолекулярных взаимодействий в них. [c.253]

    Электропроводность воды чрезвычайно мала. Кристаллы воды образуют решетку молекулярного типа. Давление пара при различных температурах см. табл. IV.2 Приложения. Сравнительно высокая температура кипения воды объясняется особенностями ее структуры в жидком состоянии, сильным межмолекуляриым взаимодействием, вызванным преимущественно водородными связями. Плотность большинстна растворителей с повышением температуры уменьшается, тогда как плотность воды при повышении темпера-ож0 дд увеличивается, достигает максимальной величины при 4°С (1,000 г/см ) и уменьшается прн дальпеп-и повышении температуры. Значения [c.170]

    Хотя отдельные положения теории Бернала и Фаулера при дальнейшем развитии экспериментальных методов исследования были пересмотрены, основные выводы об известном соответствии структур, возникающих из связанных между собой молекул в жидкой воде и во льду, пoлy fили подтверждение и при дальнейших исследованиях. В дальнейшем разными исследователями на основе результатов, полученных с помощью новых экспериментальных методов, были разработаны различные теории жидкого состояния воды, но ни одна из них не находится еще в достаточном согласии со всей совокупностью экспериментальных данных о свойствах воды. Можио считать, что в жидкой воде находятся в динамическом равновесии образования из тетраэдрически связанных молекул и частично или полностью свободные молекулы. [c.165]

    ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — термодинамически устойчивое состояние веще-стпа, промежуточное по своим свойствам между жидким состоянием и кристаллическим. На диаграмме состояния Ж- к. всегда имеют четкую замкнутую область устойчивого существования. Известно около 3000 органических веществ, способных к образованию Ж- к. Молекулы этих веществ имеют удлиненную форму, а наличие боковых ответвлений сокращает область существования Ж. к. Для Ж. к. известны две структурные формы существования 1) нематическая форма, при которой молекулы вытянуты параллельно друг другу, и 2) смектическая форма, в которой молекулы образуют слои, располагаясь перпендикулярно к плоскости этих слоев. Некоторые коллоидные системы, например водные растворы мыл, дают образования типа Ж. к., называемые лиотропными. По мере увеличения количества растворителя система становится сначала смектической, затем нематической и, наконец, переходит в изотропную жидкость. В смектических мыльных растворах молекулы мыла образуют двойные слои, обращенные полярными группами к воде, выполняющей роль прослойки между этими двойными слоями. Наличие такой структуры объясняет моющее действие мыльных растворов. Исследование Ж- к. имеет важное значение для теории строения вещества и представляет большой интерес для техники, био-логин медицины. [c.97]

    Н. А. Цытович (1945) впервые разработал общую теорию состояния и свойств воды в мерзлых грунтах и развил на этой основе теорию их механических свойств. Как было указано выше, он показал, в частности, что в мерзлых грунтах некоторая часть воды находится в устойчивом жидком состоянии при отрицательных температурах (принцип равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах). Этот вывод он относит к воде, находящейся в состояниях, промежуточных между свободным и прочно адсорбированным. Нагревание (при отрицательных температурах) обратимо увеличивает количество такой жидкой воды, а охлаждение уменьшает его. Кроме температуры, количество жидкой воды зависит от химического состава и структуры грунта (рис. 26). Н. А. Цытович указывает при этом, что слои воды, находящиеся на расстоянии примерно полмикрона от поверхности минеральных частиц грунта, являются уже практически свободными они замерзают и оттаивают практически при 0° С. [c.37]

    Однако известно уже несколько тысяч веществ, которые в жидком состоянии обладают, как и твердые кристаллы, анизотропными свойствами. Такие вещества называют жидкими кристаллами. Своеобразие структуры жидких кристаллов проявляется в том, что образующие их частицы могут свободно перемещаться друг относительно друга, при этом их ориентация сохраняется. Частицы или располагаются таким образом, что их оси ориентированы нитеобразно в одном направлении, или размещены в параллельных слоях, внутри которых движение частиц разупорядоченно. Первый тип жидких кристаллов называют нематическим или нитеобразным, второй — смектическим (смегма — мыло). Жидкокристаллическое состояние, реализуется, например при растворении в воде ацетата холестерина, олеатов калия и аммония, различных липидов, а также других веществ, как правило, органической природы, молекулы которых имеют нитеобразную структуру. Анизотропность жидких кристаллов влияет на их электрические, оптические и магнитные свойства. [c.75]

    Хотя водородные связи слабее ковалентных и ионных, они значительно прочнее вандерваальсовых связей и обусловливают ассоциацию молекул воды в жидком состоянии и некоторые аномальные свойства воды, в частности высокие температуры плавления и парообразования, высокую диэлектрическую проницаемость, максимальную плотность при 4 °С, а также особую структуру льда. В кристаллах льда молекула воды образует четыре водородные связи с соседними молекулами воды (за счет двух неподеленных электронных пар у кислорода и двух протонов), что обусловливает возникновение тетраэдрической кристаллической структуры льда. Расположение молекул в таком крис-. талле отличается от плотной упаковки молекул, в решетке много свободных мест, поэтому лед имеет относительно невысокую плотность. При высоких давлениях (выше 200 МПа) обеспечивается более плотная укладка молекул воды и возникает еще несколько кристаллических модификаций льда. При плавлении происходит частичное разрушение структуры льда и сближение молекул, поэтому плотность воды возрастает. В то же время повышение температуры усиливает движение молекул, которое снижает плотность вещества. При температуре выше 4 °С последний эффект начинает превалировать и плотность воды понижается. [c.372]

    Такие структуры имеются в воде, каждая молекула которой обладает двумя атомами И и двумя неподеленными электронными парами от атома кислорода О. Молекулы Н2О объединяются в ажурные тетраэдрические структуры. В вершинах тетраэдров находятся атомы О, от которых под,углами, близкими к 109° (вследстйие хр -гибридизации четырех орбиталей кислорода), расходятся четыре связи — две атомные и две водородные. Атомы кислорода, лежаш,ие в одной плоскости, образуют вершины не квадратов, а правильных шестиугольников, располагающихся слоями и определяющих гексагональную симметрию (см. гл. IV, 5) кристаллического льда. Такое расположение молекул, приводящее к образованию многочисленных пустот, объясняет меньшую плотность льда по сравнению с жидкой водой, в которой около 15% молекул воды уходят из узлов кристаллической решетки и заполняют-ее полости. Однако и в жидком состоянии вода сохраняет, в основном, структуру льда. [c.95]

    В нижнем цилиндре высокожирные сливки, охлаждаясь до температуры кристаллизации глицеридов (22…23 °С), сохраняют свойства эмульсии. Температура рассола в нижнем цилиндре -1…-3 °С, в среднем -3…-5 °С. В среднем цилиндре начинается процесс структурообразования жир из жидкого состояния переходит в вязкопластичное и отвердевает в течение 5… 20 с. Продукт в среднем цилиндре охлаждается до 11… 13 °С. В верхнем цилиндре вследствие механического воздействия в течение 150…250 с продукт приобретает мелкокристаллическую структуру и пла стическую консистенцию. Температура продукта в верхнем цилиндре вследствие охлаждения водой при температуре 7…9 °С даже повышается на 1…2 °С. Вьщеление тепла при механическом воздействии превышает отвод через стенку цилиндра к охлаждающей воде. [c.575]

    В гидрогелях поры между частицами заполнены интермицеллярной водой. Ее количество может изменяться в широких пределах. В процессе сушки объем гелей уменьшается и достигается окончательная пористая структура ксерогелей. Поверхность частиц гелей поликремниевой кислоты покрыта слоем гидроксильных групп, являющ,их-ся концевыми для внутричастичных полимерных силоксановых цепочек. Такое строение поверхностей гелей кремниевой кислоты способствует образованию водородных связей с водой, спиртами и карбоновыми кислотами. Это взаимодействие может возникать как при адсорбции паров веш,еств на ксерогелях, так и при пропитке их этими веш,ествами в жидком состоянии. [c.244]

    Объектом изучения теории жидкостей до настоящего времени являлись в основном жидкости, называемые простыми это системы из сферически симметричных неполярных частиц, взаимодействия между которыми носят дисперсионный характер. К простым жидкостям, строго говоря, относятся только сжиженные благородные газы. С некоторым приближением можно включить в группу простых жидкостей также чистые жидкие металлы, жидкости, состоящие из двухатомных молекул (по-видимому, эти молекулы становятся подобными сферически симметричным благодаря вращению), В последние годы появились работы, в которых строгими методами (в частности, с помощью теории возмущений) изучают жидкости, образованные несферическими частицами, полярными молекулами. Особое положение в теории жидкостей занимает вода — система с межмолекулярными взаимодействиями чрезвычайно сложного характера (водородные связи, сильные ван-дер-ваальсовы взаимодействия). Интерес к изучению воды и водных растворов необычайно возрос в последнее время в связи с тем, что имеется непосредственная связь между проблемой состояния воды в растворах и проблемой биологических структур. Теории жидкой воды и водных растворов основаны почти исключительно на модельных представлениях. Такой подход в большой степени оправдывается явно выраженной квазикристалличностью воды при невысоких температурах, [c.362]

    В варианте нормальнофазовой бумажкой хроматографии жидкой Нс]> является вода, сорбированная в виде тэнкого слоя на волокнах и находящаяся в порах гидрофильной б>-маги (до -25% по массе). Эта связаннач вода по своей структуре и физическому состоянию сильно отличается о г обычной жидкой воды. В ней и растворяются компоненты разделяемые смесей. [c.279]

    Когда вода замерзает, она расширяется и поэтому лед плавает на поверхности воды. Под действием межмолекулярных сил молекулы воды во льду ориентируются в соответствии с направлениями своих диполей (см. рис. 8.21) таким образом, что каждая отдельная молекула оказывается тетраэдрически связанной с четырьмя другими молекулами диполь-дипольными взаимодействиями, а именно водородными связями. Две из этих соседних молекул связаны с атомами водорода данной молекулы, а две другие связаны с ее атомом кислорода своими атомами водорода. Такое расположение молекул воды приводит к возникновению протяженной трехмерной структуры, которая состоит из гофрированных шестичленных циклов, образованных молекулами воды занимаемый ими объем превосходит объем, занимаемый молекулами воды в жидком состоянии, чем и объясняется расширение воды при ее замерзании. При высоких давлениях описанная структура льда разрушается, и вследствие этого происходит понижение температуры его плавления. [c.143]

    Само по себе существование незамерзающих прослоек между льдом и твердой поверхностью связано с действием поверхностных сил. По сути дела, эти прослойки представляют собой граничнуну фазу льда, структура которого настолько изменена под действием поверхности, что осуществляется переход из кристаллического в аморфное, жидкое состояние. Отличительной чертой является при этом наличие фазовой поверхности раздела между льдом и жидкой незамерзающей прослойкой, что позволяет говорить о ее определенной толщине, являющейся функцией температуры и давления к = к р, Т). При Т То, где Т — температура плавления льда, к- оо. При понижении температуры (при Т незамерзающей воды в пористых телах, проявляются особенно заметно при температуре, близкой к Та, т. е. вблизи фронта промерзания. [c.338]

    Структурные изменения в скидкам состоянии. За некоторым важным исключением, таким, как элементная S и Н2О, изменения в структуре, имеющие место между точками плавления и кипения, были исследованы довольно плохо. Температурные изменения кривых радиального распределения простых атомарных жидкостей выявляют лищь вариации в среднем числе соседей на различных расстояниях. С другой стороны, структурные изменения в жидкой сере являются гораздо более сложными и уже были предметом многих исследований. Полная структурная химия элементной серы кратко описана в гл. 16 она дает пример раскрытия циклических молекул (Sa или Ss) в цепи с последующей полимеризацией в более длинные цепи. Замечания о структуре воды включены в гл. 15. [c.38]

    Состояние адсорбированной воды в пленке толщиной только в несколько молекул можно представить в виде различных ситуаций. Плустер и Гитлин [28] измерили теплоемкость пленок воды, адсорбированных на кремнеземе. В данном положении надо учитывать также существование границы раздела фаз жидкость— пар с некоторым поверхностным натяжением, которое отсутствует, когда поверхность кремнезема погружена в объем жидкой воды. В случае тонких пленок толщиной только 50—75 А наблюдается максимум теплоемкости при температуре ниже 0°С, и фазовый переход лед—вода при этом подавляется. В таких тонких пленках, лежащих между границами раздела фаз твердое тело—жидкость и жидкость—пар, силанольная поверхность, по-видимому, оказывает воздействие на структуру воды на расстоянии в несколько молекулярных диаметров от поверхности при температуре около 0°С, когда, как известно, происходит образование сильных водородных связей. [c.865]

    Строение химических соединений имеет большое значение. Теории приемлемы лишь тогда, когда они объясняют наблюдаемые явления наличие веществ, свойства которых либо не согласуются с теорией без значительных натяжек, либо прямо противоречат ей, является вызовом теории. Фтористый водород служит одним из немногих примеров подобных веществ. Различие и сходство в свойствах воды и жидког о фтористого водорода играют важную роль для разработки теории жидкого состояния. Как было установлено [23], упругость пара жидкого фтористого водорода может быть вычислена на основе учета равновесия между мономером и полимерами. Структура полимеров до настоящего времени еще не выяснена, хотя ее изучали как электронографически [1], так и рентгенографически [9]. [c.25]

    Можно выделить две группы моделей модели двух структур и двух состояний. В первой учитывается кооперативный характер образования водородных связей в воде. К этой группе относится модель мерцающих кластеров или айсберговая модель, предложенная Франком [43], в которой вода рассматривается как идеальная смесь участков льдоподобной структуры с четырежды связанными молекулами воды и участков без водородных связей с более компактным расположением молекул. Основное отличие структуры жидкой воды от льда заключается в разрыве части связей иод действием усиленных тепловых колебаний решетки. При комнатной температуре в воде часть водородных связей разорвана. Однако равномерное распределение разорванных связей по всему объему воды невыгодно из-за кооперативного характера образования водородных связей. Образуются мнкрообласти, содержащие ассоциаты с максимальным числом водородных связей на молекулу, а следовательно, со структурой, близкой к структуре льда, обеспечивающей максимальное число связей, находящихся в равновесии со свободными молекулами воды. Локальные флуктуации энергии приводят к распаду кластеров и образованию новых упорядоченных ассоциатов — кластеров, время жизни которых порядка 10 сек. [c.9]

    Полинг считал, что клатратные клетки в структуре воды также представляют собой пентагональные додекаэдры [И], однако рентгепоструктурные исследования не подтвердили этих предположений. Данные рентгеноструктурпых изменений жидкой воды скорее согласуются со структурой, предложенной для объяснения свойств воды О. Я. Самойловым [18]. В структуре модели жидкой воды О. Я. Самойлова предполагается, что равновесная взаимная ориентация молекул воды, связанных водородными связями, существующая в структуре льда I, при плавлении частично разрушается. Молекулы воды, обладающие избытком энергии, при этом мигрируют в полости льдоподобной структуры, заполняя в ней около 50% объема всех пустот. Стесненность движения этих молекул в пустотах деформированной льдоподобной структуры отличает его от движения изолированных молекул в газообразном состоянии. Близкие представления развиваются также в работе Грётхейма и Крог-Му [19]. Г. А. Крестов [2] считает, что модель О. Я. Самойлова наиболее близко отражает реальную структуру жидкой воды. [c.11]

    Одно замечание общего характера следует сделать относительно воды, являющейся очень распространенным растворителем, особенно в живых системах. При комнатных температурах вода довольно близка к своей точке замерзания. В концентрированных водных растворах, особенно в коллоидальных растворах и в растворах анизотропных молекул в воде (лиотропные жидкие кристаллы), влияние растворенного вещества на структуру воды может оказаться таким, что она приблизится к структуре льда. В воде могут появиться кристаллики (кластеры), имеющие структуру льда. Количество этих кристалликов, или кластеров, увеличивается с увеличением концентрации растворенного вещества и приближает структуру воды в растворе к структуре льда. Вязкость воды увеличивается, у раствора появляется пластичность, и он постепенно приобретает свойства твердого тела. Постепенное появление свойств твердого тела у раствора по мере увеличения его концентрации иллюстрируется рис. 2.21, на котором приведена найденная экспериментально зависимость величины мёссбауэровского поглощения (присущего твердому состоянию вещества и отсутствующего в жидкостях) от концентрации растворенного в воде вещества (см. также раздел 3.6). [c.35]

---

Движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах

Молекулярно-кинетическая теория даёт объяснение тому, что все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Например, лёд, вода и водяной пар. Часто плазму считают четвёртым состоянием вещества.

Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego – присоединяю, связываю) – состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются изменением его физических свойств. В этом и заключается изменение агрегатных состояний вещества.

Во всех трёх состояниях молекулы одного и того же вещества ничем не отличаются друг от друга, меняется только их расположение, характер теплового движения и силы межмолекулярного взаимодействия.

Движение молекул в газах

В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше размеров молекул, а силы притяжения очень малы. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объёма. Газы легко сжимаются, потому что силы отталкивания на больших расстояниях также малы. Газы обладают свойством неограниченно расширяться, заполняя весь предоставленный им объём. Молекулы газа движутся с очень большими скоростями, сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга в разные стороны. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

Движение молекул в жидкостях

В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее. Эти перескоки происходят периодически. Временной отрезок между такими перескоками получил название среднее время оседлой жизни (или среднее время релаксации) и обозначается буквой ?. Иными словами, время релаксации – это время колебаний около одного определённого положения равновесия. При комнатной температуре это время составляет в среднем 10^-11 с. Время одного колебания составляет 10^-12…10^-13 с.

Время оседлой жизни уменьшается с повышением температуры. Расстояние между молекулами жидкости меньше размеров молекул, частицы расположены близко друг к другу, а межмолекулярное притяжение велико. Тем не менее, расположение молекул жидкости не является строго упорядоченным по всему объёму.

Жидкости, как и твёрдые тела, сохраняют свой объём, но не имеют собственной формы. Поэтому они принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкость обладает таким свойством, как текучесть. Благодаря этому свойству жидкость не сопротивляется изменению формы, мало сжимается, а её физические свойства одинаковы по всем направлениям внутри жидкости (изотропия жидкостей). Впервые характер молекулярного движения в жидкостях установил советский физик Яков Ильич Френкель (1894 – 1952).

Движение молекул в твёрдых телах

Молекулы и атомы твёрдого тела расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. Такие твёрдые вещества называют кристаллическими. Атомы совершают колебательные движения около положения равновесия, а притяжение между ними очень велико. Поэтому твёрдые тела в обычных условиях сохраняют объём и имеют собственную форму.

13. На рисунке показано расположение молекул воды. Вода находится:1) в жидком2) в

решите пожалуйста задачу 5.28 20 баллов

решите пожалуйста задачу 5.27 20 баллов

Вы зимой без одежды находитесь на улице перед вами есть выбор греться на воздухе в -40 или залезть в прорубь где вода +10. Помогите пожалуйста что буд … ет правильно выбрать и почему ?​

32. Під дією сили 196 Н малий поршень гідравлічної машини опускаєтьсяна 25 см. З якою силою діє великий поршень на вантаж, якщо вінпіднімається на 5 м … м?

решите задачу 5.22 20 баллов

Шайбу толкнули по горизонтальной поверхности. Через время τ=0,5 с она оказалась на расстоянии S1=1,1 м от начальной точки, а через 2τ — на расстоянии … S2=1,28 м. Найдите значение коэффициента трения μ между шайбой и поверхностью, при котором это возможно. Ускорение свободного падения g=10 м/с2. Ответ округлите до сотых.

Объясни, почему автомобили должны снижать скорость или останавливаться возле железнодорожных переездов, прежде чем их пересекать. В объяснении использ … уй термин инерция!

а) Напиши сколько показывает каждый динамометр б) с помощью какого динамометра можно измерить тело массой 1,4 кг? Поясни ответ!

На горизонтальной поверхности стола стоит книга. Он подвергается действию силы тяжести и силы упругости. а) с помощью стрелок покажи: силу, с которой … Земля воздействует на книгу; силу, с которой книга воздействует на стол. б) Напишите название каждой силы.

У дверного проема есть небольшой (высотой примерно 1 см) порог.Вася приставил к порогу стул передними ножками,привязал к верхней точке спинки стула ве … ревку и с помощью динамометра выяснил,что стул начинает опрокидываться,когда к веревке перпендикулярно порогу прикладывается горизонтальная сила F1=16Н. Затем он перевернул стул, и теперь стул касается порога своими задними ножками.В этом случае минимальное значение силы, приложенной перпендикулярно порогу в горизонтальном направлении, необходимой для опрокидывания стула,окозалось равно F2=12Н.Расстояние между ножками стула равно а=42 см.Высота верхней точки спинки стула над полом равна Н=72см.Можно считать, что эта точка находится ровно над линией задних ножек.Какую минимальную силу нужно приложить к веревке чтобы опрокинуть стул,если он приставлен к порогу боком? Считайте ускорение свободного падения g=10 мс2.Правая и левая половинки стула симметричны Срочно нужен ответ Спасибо

Чем отличаются молекулы воды

Вода – это бесцветная жидкость без запаха и вкуса. Данное вещество играет важнейшую роль в геологической истории нашей планеты и возникновении жизни, в формировании физической и химической среды, климата и погоды. Вода может находиться в одном из трех состояний: жидком, твердом (лёд) и газообразном (пар). Чем же отличаются молекулы воды в разных состояниях?

Вода – окись водорода имеет химическую формулу H₂O. Она входит в состав всех живых организмов нашей планеты и составляет свыше 60% от их общей массы. Гидросфера Земли включает в себя все водоемы, океаны, моря, реки, подземные источники и почвенную влагу. Здесь вода присутствует в качестве простейшего химического соединения. В атмосфере вода находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега. В литосфере вода входит в состав некоторых минералов и горных пород. Переход воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлен изменением температуры и давления.

Вода — сложное вещество, основной структурной единицей которого является молекула, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Спектрографические исследования показали, что молекула воды имеет строение равнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, а в основаниях – атомы водорода. Угол при вершине составляет 104°27, а длина стороны — 0,096 нм. Эти параметры относятся к гипотетическому равновесному состоянию молекулы без ее колебаний и вращений.

В настоящее время существует два научных подхода к изучению структуры воды. Первый был предложен в 19 веке и получил название гидрольной теории. Согласно данной гипотезе, основной строительной единицей водяного пара является молекула H₂O, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строительной единицей воды является двойная молекула воды (H₂O)₂—дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (H₂O)₃ — тригидроль.

Водяной пар состоит из собрания простейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незначительного количества молекул дигидроля. Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих молекул в воде различно и зависит от температуры.

Современная гипотеза строения воды основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H₂O, объединенных в группы с помощью водородных связей, возникающих в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы с атомом кислорода соседней молекулы. Плотные водородные связи характерны для воды в замерзшем состоянии, что объясняет ее кристаллическую структуру. Повышение температуры льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.

Обе гипотезы обосновывают ключевое различие в строении воды в разных состояниях – расположение молекул. Расстояния между молекулами пара в десятки раз больше размеров самих молекул, поэтому притяжение между ними очень слабое. По этой причине водяной пар не имеет собственной формы и постоянного объема. Расстояние между молекулами воды меньше, чем размер самих молекул, поэтому в жидком состоянии сохраняется объем, но изменяется форма вещества. Молекулы льда расположены в определенном порядке, что позволяет веществу сохранять форму и объем.

Выводы:

1. Вода – окись водорода имеет химическую формулу H₂O.
2. Вода может находиться в одном из трех состояний: жидком, твердом (лёд) и газообразном (пар).
3. Согласно гидрольной теории, водяной пар состоит из гидролей, непосредственно вода – из дигидролей, лёд – из тригидролей.
4. Современная гипотеза строения воды основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H₂O, объединенных в группы с помощью водородных связей.
5. Молекулы воды идентичны во всех агрегатных состояниях.
6. Разница свойств воды, пара и льда объясняется расстоянием и силой притяжения между молекулами вещества.  

Структура и свойства воды

Цель обучения

• Опишите структуру и свойства воды.

---

Ключевые моменты

• Вода — это жидкость при стандартной температуре и давлении (25 градусов Цельсия и 1 атм для жидкостей).
• Вода без вкуса и запаха.
• Вода прозрачна в видимой части электромагнитного спектра.
• Вода может действовать как кислота или основание.
• Вода — универсальный растворитель, растворяющий многие вещества, встречающиеся в природе.

---

Условия

• фазовая диаграмма График, показывающий фазу, которую имеет образец вещества при различных условиях температуры и давления.
• равновесие Состояние реакции, в котором скорости прямой и обратной реакций равны.
• диполь: Любая молекула или радикал, имеющий делокализованный положительный и отрицательный заряды.
• амфотерная молекула, которая может действовать как кислота или основание в зависимости от своего химического окружения.Например, вода (H ₂ O) амфотерная.

---

Свойства воды

Вода — это самый распространенный компонент на поверхности Земли. В природе вода существует в жидком, твердом и газообразном состояниях. Он находится в динамическом равновесии между жидкостью и газом при 0 градусах Цельсия и давлении 1 атм. При комнатной температуре (примерно 25 градусов Цельсия) это жидкость без вкуса, запаха и цвета. Многие вещества растворяются в воде, и его обычно называют универсальным растворителем.

Свойства воды Таблица некоторых химических и физических свойств воды.

Фазы воды

Как и многие другие вещества, вода может принимать различные формы. Его жидкая фаза, самая распространенная фаза воды на Земле, обычно обозначается словом «вода».

Твердая фаза (лед)

Твердая фаза воды известна как лед и обычно имеет структуру твердых амальгамированных кристаллов, таких как кубики льда, или рыхлых гранулированных кристаллов, таких как снег.В отличие от большинства других веществ, твердая форма воды (лед) на меньше на плотности, чем ее жидкая форма, в результате природы ее гексагональной упаковки внутри ее кристаллической структуры. Эта решетка содержит больше места, чем когда молекулы находятся в жидком состоянии.

Гексагональная структура льда Лед считается минералом, поскольку он является естественным кристаллическим неорганическим твердым веществом с упорядоченной структурой. Он обладает регулярной кристаллической структурой, основанной на молекулярной структуре воды, которая состоит из одного атома кислорода, ковалентно связанного с двумя атомами водорода: H-O-H.

Тот факт, что плотность льда меньше плотности жидкой воды, имеет важное последствие — лед плавает.

Плотность льда и воды как функция температуры Твердая форма большинства веществ более плотная, чем жидкая фаза; следовательно, блок данного твердого вещества обычно тонет в соответствующей жидкости. Однако ледяная глыба плавает в жидкой воде, потому что лед менее плотен, чем жидкая вода. На вставке более подробно показана кривая в диапазоне 0-10 градусов Цельсия.Жидкая вода наиболее плотная при 4 градусах Цельсия.

Жидкая фаза (вода)

Вода — это прежде всего жидкость при стандартных условиях (25 градусов Цельсия и давление 1 атм). Эту характеристику нельзя было предсказать по ее взаимосвязи с другими газообразными гидридами семейства кислорода в периодической таблице Менделеева, такими как сероводород. Элементы, окружающие кислород в периодической таблице, — азот, фтор, фосфор, сера и хлор — все соединяются с водородом с образованием газов в стандартных условиях.Вода образует жидкость вместо газа, потому что кислород более электроотрицателен, чем окружающие элементы, за исключением фтора. Кислород притягивает электроны намного сильнее, чем водород, что приводит к частичному положительному заряду на атомах водорода и частичному отрицательному заряду на атоме кислорода. Наличие такого заряда на каждом из этих атомов дает молекуле воды чистый дипольный момент.

Электрическое притяжение между молекулами воды, вызванное этим диполем, сближает отдельные молекулы, затрудняя разделение молекул и, следовательно, повышая температуру кипения.Этот тип притяжения известен как водородная связь. Молекулы воды постоянно движутся относительно друг друга, а водородные связи непрерывно разрываются и реформируются с интервалами короче 200 фемтосекунд (200 x 10 ^-15 секунд).

Расположение молекул воды в жидкой фазе Молекулы воды выстраиваются в соответствии с их полярностью, образуя водородные связи (обозначены цифрой «1»).

Многие физические и химические свойства воды (в том числе ее способность к растворителю) частично связаны с кислотно-основными реакциями, в которых она может участвовать.- (водн.) [/ латекс]

Газовая фаза (водяной пар)

Газообразная фаза воды известна как водяной пар (или пар) и характеризуется прозрачным облаком. Вода также существует в редком четвертом состоянии, называемом сверхкритической жидкостью, которое встречается только в крайне непригодных для жизни условиях. Когда вода достигает определенной критической температуры и определенного критического давления (647 K и 22,064 МПа), жидкая и газовая фазы сливаются в одну гомогенную жидкую фазу, которая имеет общие свойства как газа, так и жидкости.

Фазовая диаграмма воды

Вода замерзает, образуя лед, лед тает, образуя жидкую воду, и вода и лед могут переходить в парообразное состояние. Фазовые диаграммы помогают описать, как вода меняет состояние в зависимости от давления и температуры.

Фазовая диаграмма воды Три фазы воды — жидкая, твердая и паровая — показаны в пространстве температура-давление.

Обратите внимание на следующие ключевые моменты на фазовой диаграмме:

• Критическая точка (CP), выше которой существуют только сверхкритические жидкости.
• Тройная точка (TP), четко определенная координата в месте пересечения кривых, в которой три состояния вещества (твердое, жидкое, газовое) находятся в равновесии друг с другом.
• Четко определенные границы между твердым телом и жидкостью, твердым телом и газом, жидкостью и газом. Во время фазового перехода между двумя фазами (то есть вдоль этих границ) фазы находятся в равновесии друг с другом.

Полярность воды

Полярная природа воды — особенно важная особенность, которая способствует уникальности этого вещества.Молекула воды образует угол с атомом кислорода на вершине и атомами водорода на концах. Поскольку кислород имеет более высокую электроотрицательность, чем водород, сторона молекулы с атомом кислорода имеет частичный отрицательный заряд. Объект с такой разностью зарядов называется диполем (что означает «два полюса»). Кислородный конец частично отрицательный, а водородный частично положительный; из-за этого направление дипольного момента указывает от кислорода к центральному положению между двумя атомами водорода.Эта разница зарядов заставляет молекулы воды притягиваться друг к другу (относительно положительные области притягиваются к относительно отрицательным областям), а также к другим полярным молекулам. Это притяжение способствует образованию водородных связей и объясняет многие свойства воды (включая ее способность действовать как растворитель для многих веществ).

Полярность молекулы воды Из-за разницы электроотрицательностей между атомами водорода (H) и кислорода (O) и изогнутой формы молекулы H ₂ O существует суммарный дипольный момент.Цифра указывает частичные заряды, которыми обладают атомы.

Молекула воды может образовывать максимум четыре водородные связи, принимая два атома водорода и отдавая два атома водорода. Хотя водородная связь является относительно слабым притяжением по сравнению с ковалентными связями внутри самой молекулы воды (внутримолекулярные связи), она отвечает за ряд физических свойств воды. Одно из таких свойств — относительно высокие температуры плавления и кипения; больше энергии требуется для разрыва водородных связей между молекулами, чтобы перейти в фазу с более высокой энергией.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

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 cookie-файлах 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.

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 cookie-файлах 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.

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 cookie-файлах 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.

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 cookie-файлах 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.

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 cookie-файлах 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.

Расположение молекул воды и высокая протонная проводимость фосфатов туннельной структуры, KMg1 − xh3x (PO3) 3 · yh3O

Был исследован быстрый протонный проводник в смешанной валентной системе фосфатов с комбинацией больших катионов (K ⁺ ) и малых катионов (Mg ²⁺ ), в результате чего была получена новая фаза с туннельная структура, подходящая для протонной проводимости.KMg _{1− x} H _{2 x} (PO ₃ ) ₃ · y H ₂ O синтезирован методом соосаждения. Твердый раствор, образованный в диапазоне x = 0–0,18 дюймов KMg _{1− x} H _{2 x} (PO ₃ ) ₃ · y H ₂ O.Структура нового протонного проводника была определена с помощью нейтронных и рентгеновских измерений. KMg _{1− x} H _{2 x} (PO ₃ ) ₃ · y H ₂ O имеет каркас туннеля, состоящий из поверхности -системы с разделенными (KO ₆ ) и (MgO ₆ ) цепями и тетраэдрическими цепями PO ₄ вдоль направления c путем разделения углов.В одномерном туннеле обнаружены два кислородных центра молекул воды, один из которых существует как координационная вода узлов K ⁺ . Многоступенчатая дегидратация наблюдалась при 30 ° C и 150 ° C на основе измерений термогравиметрического / дифференциального термического анализа, что отражает различные координационные среды кристаллизационной воды. Молекулы воды соединены с тетраэдрами PO ₄ водородными связями и образуют цепочку вдоль оси c в туннеле, которая обеспечит среду для быстрой протонной проводимости, связанной с молекулами воды.KMg _{1− x} H _{2 x} (PO ₃ ) ₃ · y H ₂ Образец O с x = 0,18 показал высокую протонную проводимость 4,5 × 10 ⁻³ См см ⁻¹ при 150 ° C и 7,0 × 10 ⁻³ См см ⁻¹ при 200 ° C в поток сухого газа Ar и поддерживал общую проводимость выше 10 ⁻³ См · см ⁻¹ в течение 60 часов при 150 ° C в атмосфере газа N ₂ .

Эта статья в открытом доступе

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз? .