Опровергнута самая популярная теория строения воды
Учёные СФУ совместно с коллегами из Королевского института технологий Швеции опровергли самую популярную ныне кластерную теорию строения воды. В ходе работы исследователи предложили новую теорию, согласующуюся с результатами их эксперимента. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.
Вода — одно из самых распространённых, но в то же время необычных веществ на Земле. Она обладает рядом нетипичных свойств, объясняемых её особой структурой, например, высокой теплоёмкостью и низкой электропроводностью. Общепринято, что вода состоит из молекул Н2О, объединённых в группы так называемыми водородными связями. Их наличие обусловлено притяжением между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. Свободные, не входящие в кластеры (группы молекул, связанных водородными связями) молекулы присутствуют лишь в небольшом количестве. Многие учёные считают, что вода — постоянно изменяющаяся смесь кластеров лёгкого и тяжёлого типов. В первом молекулы связаны друг с другом (как во льду), а во втором связи нарушены, благодаря чему такие системы более плотные. Наличие этих фаз можно обнаружить при помощи резонансного неупругого рассеяния рентгеновских фотонов водой. При этом виден переход, в котором электрон с занятой молекулярной орбитали заполняет дырку, на месте которой был выбитый ранее фотоном электрон. Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление резонанса на два пика. В научной литературе получившийся дублет приписывается кластерам лёгкого и тяжёлого типов.
Чтобы пролить свет на эту фундаментальную проблему, авторы работы провели эксперимент с парами воды, где нет водородных связей. В ходе исследования они измерили спектр резонансного неупругого рассеяния изолированной молекулы. Эксперименты привели к неожиданному результату и показали, что точно такое же расщепление резонанса на два пика присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе. Более того, выполненные теоретические расчёты однозначно объясняют расщепление на спектре сверхбыстрым распадом (диссоциацией) молекулы воды на ионы Н+ и ОН-. Таким образом, исследование свидетельствует о динамической природе расщепления резонанса и опровергает структурный механизм, тем самым демонстрируя, что структура воды однородна.
Второй не менее важный результат этой работы — получение детальной структурной информации о том, как влияют водородные связи на силу OH-связи. Колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия — общепринятый инструмент для исследования водородных связей в жидкостях. Но в них ИК-спектроскопия показывает лишь наиболее интенсивный переход в состояние с минимальной энергией колебаний, которое «слабо чувствует» межмолекулярное взаимодействие. Спектроскопия резонансного неупругого рассеяния воды качественно отличается от ИК-спектроскопии тем, что, получив энергию от рентгеновского фотона, электрон кислорода переходит с самой глубокой орбитали на первую незанятую. В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбуждённый электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяжённого набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние даёт уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи.
«Важно отметить, что, в отличие от изолированной молекулы воды с одной энергией взаимодействия О и Н, в жидкости имеется набор (распределение) таких энергий в силу многообразия ближайшего окружения молекулы воды. Таким образом, второй результат работы — измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей. На следующем этапе исследований необходимо выяснить, возможно ли из спектров резонансного неупругого рассеяния воды определить такой важный структурный параметр, как среднее число связей молекулы. Он определяет энергию взаимодействия последней с её окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и её теплоёмкость»,— дополняет Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), старший научный сотрудник Сибирского федерального университета.
В работе также приняли участие учёные из Университета Потсдама (Германия), Университета Цюриха (Швейцария) и Университета Турку (Финляндия).
Рисунки
- A) Молекула воды, поглотив фотон, возбуждается из основного состояния (0) в высоковозбуждённое диссоциативное состояние (с), где атом водорода быстро покидает точку равновесия. В процессе диссоциации возбуждённая молекула возвращается в основное (0) или конечное состояние (f) испуская другой фотон и формируя спектр вблизи 535 эВ и 526 эВ, соответственно.
- Б) рентгеновский спектр поглощения воды.
- B) Спектры испускания c→f и c→0 вблизи 526 эВ и 535 эВ, соответственно. Эмиссионный спектр c→f вблизи 525 эВ показывает динамическое формирование (в процессе диссоциации) дублета с расщеплением Δ (см. панель A). При возвращении молекулы в основное состояние c→0 в процессе диссоциации заселяются высокие колебательные уровни, что формирует протяжённую колебательную прогрессию в районе 535 эВ.
- Г) В работе решена обратная задача восстановления из колебательной прогрессии распределения OH-потенциалов воды в жидкой фазе.
Пресс-служба РНФ, пресс-служба СФУ,
Молекулы и атомы | Физика
Гипотеза о том, что все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц, появилась очень давно, более двух тысяч лет назад. Но лишь на рубеже XIX — XX вв. было установлено, что это за частицы и какими свойствами они обладают.
Частицы, из которых состоят вещества, называют молекулами. Так, например, наименьшая частица воды — это молекула воды, наименьшая частица сахара — это молекула сахара и т. д.
Каковы размеры молекул?
Известно, что кусок сахара можно растолочь на очень маленькие крупинки, зерно пшеницы можно размолоть в муку. Капля масла, растекаясь по поверхности воды, может образовать пленку, толщина которой в десятки тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Но в крупинке муки и в толще масляной пленки содержится не одна, а много молекул. Значит, размеры молекул этих веществ еще меньше, чем размеры крупинки муки и толщина пленки.
Можно привести следующее сравнение: молекула во столько же раз меньше яблока среднего размера, во сколько раз яблоко меньше земного шара. Если бы размеры всех тел увеличились в миллион раз (при этом толщина человеческого пальца стала бы равной 10 км), то и тогда молекула оказалась бы размером всего вполовину точки печатного шрифта этого учебника.
Молекулы невозможно увидеть невооруженным глазом. Они настолько малы, что их нельзя разглядеть даже с помощью микроскопа, дающего 1000-кратное увеличение.
Биологам известны микроорганизмы (например, бактерии) размером 0,001 мм. Молекулы же в сотни и тысячи раз меньше.
Для определения размеров молекул были проведены разные опыты. Опишем один из них.
В чисто вымытый большой сосуд налили воду и на ее поверхность поместили каплю масла. Масло начало растекаться по поверхности воды, образуя пленку. По мере растекания масла толщина пленки становилась все меньше и меньше. Через некоторое время растекание прекратилось. Если предположить, что это произошло из-за того, что все молекулы масла оказались на поверхности воды (образуя пленку толщиной в одну молекулу), то для определения диаметра молекулы достаточно найти толщину образовавшейся пленки.
Толщина пленки h равна отношению ее объема V к площади S:
(26.1)
Объем пленки — это объем той капли, которую поместили на поверхность воды. Его измеряют заранее; для этого пользуются измерительным цилиндром — мензуркой. При помощи пипетки в пустую мензурку капают несколько десятков капель масла и измеряют их общий объем; разделив затем этот объем на число капель, находят объем одной капли.
В описываемом опыте капля имела объем V = 0,0009 см3, а площадь образовавшейся из нее пленки была равна S = 5500 см2. Подставив эти значения в формулу (26.1), получим
h = 0,00000016 см.
Этим числом и выражается примерный размер молекулы масла.
Так как молекулы очень малы, то в каждом теле их содержится огромное количество. Чтобы создать представление об их числе, приведем пример: если в детском резиновом шарике, наполненном водородом, сделать такой тонкий прокол, что из него каждую секунду будет выходить по миллиону молекул, то для вылета всех молекул из шарика понадобится 30 миллиардов лет! И это при том, что масса водорода, наполнявшего шарик, составляла всего 3 г.
Хотя молекулы и очень маленькие частицы, но и они делимы. Частицы, из которых состоят молекулы, называют атомами.
Атомы каждого вида принято обозначать специальными символами. Например:
атом кислорода — О,
атом водорода — Н,
атом углерода — С.
Специальные символы (так называемые химические формулы) существуют и для обозначения молекул. Например, молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов кислорода, поэтому для ее обозначения применяют следующую химическую формулу: O2. Молекула воды состоит из трех атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода, поэтому ее обозначают H2O.
На рисунке 68 дано условное изображение двух молекул воды. При делении двух молекул воды получаются два атома кислорода и четыре атома водорода. Каждые два атома водорода могут объединиться в молекулу водорода, а атомы кислорода — в молекулу кислорода, что схематически показано на рисунке 69.Современная техника позволяет получить фотографии отдельных атомов и молекул. На рисунке 70 приведен снимок молекулы фторида мышьяка, полученный с помощью электронно-голографического микроскопа, дающего увеличение в 70 миллионов раз. Фотографию отдельного атома можно увидеть на рисунке 71, это изображение атома аргона, увеличенное в 260 миллионов раз.Атомы очень маленькие частицы, но и они имеют сложное строение. Существуют еще более мелкие частицы, о которых вы узнаете позже.
1. Как называются частицы, из которых состоят вещества? 2. Опишите опыт, с помощью которого можно определить размер молекулы. 3. Как называются частицы, из которых состоят молекулы? 4. Из каких атомов состоит молекула воды? Что означает формула Н2О? 5. Напишите химическую формулу молекулы водорода, если известно, что эта молекула состоит из двух одинаковых атомов водорода. 6. Из скольких (и каких) атомов состоит молекула углекислого газа, если ее химическая формула имеет вид СO2?
«Вода России» — Химический состав воды
Хими́ческий соста́в воды́ – совокупность находящихся в воде веществ в различных химических и физических состояниях.
Общеизвестна химическая формула воды – Н2О. Однако до конца XVIII в. считалось, что вода является неделимым веществом. В 1781 г. английский ученый Генри Кавендиш доказал, что вода состоит из двух элементов, которые позже французский учёный Антуан Лавуазье назвал кислородом и водородом. Дальнейшие исследования показали, что вещество «вода» обладает уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Во-первых, она состоит из соединения двух газов, причем никакие другие газы, смешиваясь между собой, не образуют жидкость. Во-вторых, вода имеет максимальную плотность при 4°С, благодаря чему лёд плавает на её поверхности и предохраняет её от полного замерзания. В-третьих, вода меняет удельную теплоёмкость в интервале от точки плавления (0°С) до точки кипения (100°С). Наименьшая удельная теплоёмкость приходится на интервал в 30–40°С. Последнее обстоятельство во многом определило пути эволюции: этот интервал – температура тела теплокровных животных.
Большинство необычных свойств воды определяется строением её молекулы, физической природой составляющих её атомов и компоновкой самих молекул. Молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого расположены ядра атома водорода, а в вершине – ядро атома кислорода. Поэтому молекула воды характеризуется значительной полярностью: отрицательный и положительный заряды в ней разнесены. В результате молекулы воды способны ассоциировать, то есть образовывать группировки, называемыми кластерами.
Атомы водорода и кислорода имеют несколько природных изотопов. Например, у водорода их три: обычный водород (протий), тяжёлый водород (дейтерий) и сверхтяжёлый радиоактивный водород (тритий).
В природе наиболее распространена вода, состоящая из обычных изотопов кислорода и водорода (99,73%). Тяжёлая вода (оксид дейтерия) внешне выглядит, как обычная. Тяжёлая вода используется в ядерных реакторах для торможения нейтронов. Сверхтяжёлую воду применяют в термоядерных реакциях.
Из химических свойств воды следует отметить одно из самых важных – способность растворять твёрдые вещества и вымывать их, поэтому в водных объектах, поверхностных и подземных, обнаружены почти все известные науке химические элементы. Механизмом растворения многих кристаллических солей является гидролитическая диссоциация, когда молекула соли распадается на ионы с положительным и отрицательным зарядом – соответственно на катионы и анионы. Поскольку вода – диполь, ионы окружают молекулы воды, формируя так называемую гидратную оболочку. Силы взаимодействия ионов с молекулами воды достаточно велики. Вот почему в состав многих минералов входит вода.
Процесс, обратный растворению – осаждение (седиментация), т.е. выпадение веществ из водного раствора. Благодаря этому процессу образовались месторождения солей хлоридов натрия, калия, магния и многих других. Возникают трудности в использовании для хозяйственных целей воды с высоким содержанием растворённых солей. Так, высокое содержание солей магния и кальция, так называемых солей жёсткости, приводит к образованию накипи, ухудшает качество питьевой воды и не позволяет использовать такую воду в ряде производств.
В процессе природного круговорота вода, соприкасаясь со всевозможными веществами, становится раствором различного, зачастую очень сложного состава. Наименьшая концентрация растворённых веществ (десятки миллиграмм в литре) отмечается в атмосферных осадках, ледниках и снежниках, поскольку при испарении вода теряет бόльшую часть растворённых в ней веществ. Однако при выпадении в виде дождя или снега вода поглощает аэрозоли и пыль, которые содержатся в атмосфере. Поэтому в местах, где сильно загрязнена атмосфера, осадки становятся источниками загрязнения водных объектов. Количественный показатель содержания растворённых в воде веществ называется общей минерализацией и выражается величиной мг/л или г/л. Содержание растворённых веществ в воде морей и океанов выражают также в относительных единицах, как правило, в промилле (‰), то есть г/кг, и называют солёностью (иногда – минерализацией). Если в одном литре природной воды содержится до 1 г (1000 мг) растворённых веществ, её считают пресной, от 1 до 25 г – солоноватой, от 25 до 50 г – солёной (или морской солёности) и выше 50 г – высокосолёной (или рассолом). Если выделить из океанской воды все соли, они покрыли бы поверхность земного шара слоем стометровой толщины.
Важнейшее свойство природной воды заключается в том, что она является «буфером» в отношении кислотности. Свойство буферности кислотности – это способность воды сохранять более или менее неизменным содержание ионов водорода (Н+), т.е. сохранять значение рН при попадании в неё определенного количества кислоты или основания, которые нейтрализуются растворёнными в ней углекислым газом и гидрокарбонат-ионами. С концентрацией гидрокарбонат-ионов напрямую связана устойчивость состава природной воды к кислотным дождям.
В водных растворах подавляющее большинство солей существуют в виде ионов. В природных водах преобладают три аниона (гидрокарбонат HCO3–, хлорид Cl– и сульфат SO42-) и четыре катиона (кальций Ca2+, магний Mg2+, натрий Na+ и калий K+) – их называют главными ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния – горький; гидрокарбонат-ионы безвкусны. Они составляют в пресных водах свыше 90% всех растворённых веществ. В ряде случаев к главным компонентам можно отнести также калий, бром, стронций и др.
Под влиянием климатических и других условий химический состав природных вод изменяется и приобретает черты, характерные для различных видов природных вод (атмосферные осадки, реки, озёра, подземные воды).
Вещества, содержащиеся в природных и техногенных водах, можно условно разделить на классы. По составу: органические и минеральные; по форме нахождения: растворённые и взвешенные; по происхождению: природные и антропогенные; по действию на живые организмы: токсичные и нетоксичные; по концентрации: макроэлементы – мезоэлементы – микроэлементы. В воде могут быть растворены газы (кислород, углекислый газ, азот, сероводород, метан и пр.).
Химический состав природной воды определяет путь, совершённый водой в процессе своего круговорота и течения по поверхности Земли. Количество растворённых и взвешенных веществ в воде зависит, во-первых, от состава пород, с которыми она соприкасалась, во-вторых, от природно-климатических условий бассейна, в третьих, от уровня антропогенной нагрузки на бассейн водного объекта, в-четвёртых, от населяющих водные объекты живых организмов.
Воды большинства чистых рек принадлежат к гидрокарбонатному классу, с преобладанием ионов кальция. Реки сульфатного и хлоридного классов сравнительно малочисленны. Они распространены преимущественно в степной полосе и полупустынях. Преобладающими катионами природных вод хлоридного класса являются, главным образом, ионы натрия. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией.
В случае, если промышленные и бытовые стоки (очищенные или частично очищенные) составляют значительную часть стока реки, они заметно влияют на катионно-анионный состав. Например, вода р. Москвы от гидрокарбонатно-кальциевого на входе в город меняет свой состав при выходе из города на воду с составом катионов: Na→K→Ca→Mg→NH4+ и составом анионов: HCO→Cl–→SO→NO→PO.
Минерализация и химический состав воды озёр в отличие от рек меняются в очень широких пределах. Различие в минерализации отражается и на ионном составе воды озёр. С увеличением минерализации озёрной воды происходит относительный рост ионов в её составе в такой последовательности: для анионов HCO→SO→Cl–; для катионов Ca2+→Mg2+→Na+.
Состав морской воды характеризуется большим содержанием солей. Если в водах материкового стока чаще всего наблюдается соотношение концентраций: HCO3— →SO42-→Cl— и Ca2+→Mg2+→Na+ или Ca2+→Na+→Mg2+, то для морских вод, начиная с общей минерализации 1 г/кг, соотношения меняются: Cl–→SO→HCO и Na+→Mg2+→Ca2+. Концентрации микроэлементов обычно очень малы, в сумме они не превышают 0,01% массы всех растворённых солей. Чем более изолировано море от океана, тем заметнее отличается состав его воды от состава воды в океане. Первостепенное значение имеют условия водообмена с океаном, соотношение объёма материкового стока с объёмом моря, глубина моря и характер химического состава вод впадающих рек.
Подземные воды отличаются исключительным разнообразием химического состава, в том числе и ионного. Ионный состав подземных вод прежде всего зависит от условий их формирования и залегания.
В настоящее время состав поверхностных вод в густо населённых районах мира в значительной мере формируется за счёт различных поверхностных (диффузных) источников загрязнения. Это сток с сельскохозяйственных и городских территорий, с производственных площадок, дорог, с осадками, а также при определенных условиях – вторичное загрязнение из донных отложений. К диффузным источникам добавляются точечные, преимущественно в городах. Сточные воды, поступающие в черте города, сильно различаются по составу. Для бытовых стоков основными показателями загрязнения являются биогенные элементы, т. е. вещества, способствующие росту микроводорослей, органические вещества, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), бактерии. В последние годы возрастает объём ксенобиотиков в сточных водах. Это лекарства, средства гигиены, моющие средства. Номенклатура этих «новых» загрязняющих веществ насчитывает многие тысячи наименований. Влияние на живые организмы и здоровье людей большинства из них остается неизученным, для таких веществ нормативы содержания в природной воде заведомо отсутствуют.
Современные водные объекты по составу содержащихся в них веществ сильно отличаются от их природного ненарушенного человеком состояния. Это отличие будет нарастать, если не принимать меры по снижению уровня загрязнений от хозяйственной деятельности.
Н.М. Щеголькова
сколько атомов вашего тела было в теле Тутанхамона? / Хабр
Не секрет, что человеческая личность представляет собой нечто большее, чем просто сумму всех атомов её тела. Еда, которую вы поглощаете, вода, которую вы пьёте, воздух, которым вы дышите, и всё остальное, что поглощает ваше тело, можно использовать как сырьё для создания новых молекул, клеток и частей вашего тела в течение всей вашей жизни. Но всё это откуда-то взялось, и именно поэтому наш читатель хочет узнать:
Я хотел бы узнать, каковы шансы на то, что атомы вашего тела были у кого-то из прошлого? Типа шанс в 0,0001% на то, что где-то в вашем теле есть атом, который раньше был частью фараона Египта или короля Англии. Может ли наука рассказать нам о том, каким образом происходит циркуляция атомов на Земле, и откуда могли взяться атомы моего тела?
Наука может не только рассказать вам об этом, но и оценить довольно много различных параметров, касающихся того, из чего состоит ваше тело.
Для начала развеем ваши заблуждения и предвзятое мнение по поводу того, что вы собой представляете. То, о чём вы думаете, как о себе, то есть, кости, мускулы, кожа и другие органы, с точки зрения разных клеток составляют всего 4% типов клеток в вашем теле. Остальные 96% равномерно распределены между клетками крови и бактериями. Кровяные клетки, большинство из которых – эритроциты, живут всего по 120 дней до тех пор, пока не распадаются, а затем выводятся из тела и заменяются новыми клетками, создаваемыми костным мозгом. Бактерии живут везде – их можно найти по миллиону штук на каждом квадратном сантиметре коже, а десятки триллионов бактерий живут в кишечном тракте.
На ещё более фундаментальном уровне эти клетки состоят из молекул, состоящих в свою очередь из атомов. Если мы разобьём человеческое тело на атомные компоненты, то обнаружим астрономическое количество атомов – а на самом деле, количество, превышающее большинство чисел, относящихся к астрономии – внутри нас. В основном это будет кислород, углерод, водород и азот.
И эти атомы, составляющие ваши клетки, даже кальций в ваших костях, очень редко находятся в вашем теле всю вашу жизнь. Они отделяются, попадают в кровь, фильтруются почками и печенью, и выводятся, а новые атомы поглощаются и встраиваются в молекулы и клетки. Если бы вы сравнили сегодняшнее ваше тело с телом 7-летней давности, то обнаружили бы, что порядка 99,999% было заменено! Но в любой момент времени ваше тело состоит примерно из
• 1,7 × 1027 атомов кислорода,
• 8,4 × 1026 атомов углерода,
• 4,3 × 1027 атомов водорода,
• 7,7 × 1025 атомов азота,
и менее чем на 1% из всех остальных вместе, включая кальций, фосфор, серу, натрий, калий и хлор.
Почти весь кислород и водород приобретается через питьё воды и вдыхание воздуха, а почти весь углерод и азот получаются из еды. Вода и воздух довольно быстро совершают круговорот по планете, а это значит, что если бы вы отслеживали воздух последнего выдоха Гитлера, Цезаря и тираннозавра, у вас были бы примерно одинаковые шансы вдохнуть его (принимая, что их выдохи были сравнимы по количеству атомов). Но если бы вы отслеживали атомы углерода или азота, составлявших их тела, то увидели бы, что они не обязательно распределяются равномерно. Поскольку кислород и водород – самые распространённые элементы в телах, давайте сравним их с полной атмосферой планеты и мировым океаном.
Масса всей атмосферы составляет примерно 5,15 × 1018 кг, а это значит, что в ней содержится примерно 4,1 × 1040 атомов кислорода (и почти в 4 раза больше атомов азота). Сумма всех озёр, океанов, морей, рек и ледяных шапок весит примерно 1,35 × 1021 кг, что даёт нам 4,5 × 1043 атомов кислорода и 9,0 × 1043 атомов водорода. Кажется, что это очень большие числа, но по сравнению с количеством атомов в теле человека – недостаточно большие.
Если вы кремируете человека, преобразуете содержавшуюся в теле воду в пар, дождётесь, пока он встроится в круговорот воды в природе и равномерно распределится по Земле, а затем подсчитаете, сколько из этих атомов водорода и кислорода можно встретить в теле случайного человека, вы удивитесь, насколько большой будет эта цифра.
1. Один из каждых 2,1 × 1016 атомов водорода в вашем теле находился в теле того человека. Один из каждых 2,6 × 1016 атомов кислорода в вашем теле находился в теле того человека.
2. Вспомним, что в типичном человеке содержится 1,7 × 1027 атомов кислорода и 4,3 × 1027 атомов водорода.
3. А это значит, что в теле любого человека содержится примерно 2 × 1011 атомов водорода (200 миллиардов) и 6,5 × 1010 атомов кислорода (65 миллиардов), содержавшихся в теле любого другого человека, жившего до него.
Это очень много атомов! Это значит, что внутри вас сейчас содержатся сотни миллиардов атомов Тутанхамона, сотни миллиардов атомов Гитлера или Цезаря, а если отправиться в далёкое прошлое, триллионы атомов, находившихся в теле тираннозавра по прозвищу Сью в тот момент, когда она умерла.
Атомов так много, что если провести подобные подсчёты для воздуха, содержащегося в лёгких каждого из нас, то получится, что в лёгких любого человека в любой момент можно будет найти атом, который находился в последнем выдохе Цезаря (или Ленина, или Джорджа Вашингтона, или Александра Дюма). Молекулы воздуха и воды довольно быстро и просто равномерно перераспределяются, а значит, что у вас в лёгких может быть одна-две молекулы воздуха, бывших в лёгких любого другого человека десять лет назад. Но углерод, азот, кальций и прочие распределяются уже не так равномерно, так что в вашем организме может встретиться миллион или миллиард таких атомов, ранее побывавших в организме любой исторической фигуры, или их может не быть у вас совсем. Поскольку Тутанхамона мумифицировали, его вода и воздух вернулись в земной круговорот, а его углерод и азот – нет.
В следующий раз, когда будете вдыхать воздух или пить воду, подумайте об этом: вы, скорее всего, вдыхаете воздух или пьёте воду, малую часть которых вы делите со всеми людьми и со всеми существами, которые когда-либо будут жить здесь. На атомном уровне мы все объединены глубже, чем считает большинство из нас.
Моль. Количество вещества.
Тип задачи: Нахождение количества вещества по числу частиц вещества и определение числа частиц вещества по известному количеству вещества.
|
№ |
Какое количество вещества содержится
|
Задача 2Сколько частиц (атомов или молекул) содержит: |
||
|
а |
а |
в |
||
|
|
12 · 1023молекул |
44,5 · 1023атомов |
О,5 моль железа |
2 моль серы |
|
|
6· 1023молекул |
0,9·1023атомов |
2 моль алюминия |
4 моль кислорода |
|
|
12·1023молекул |
0,15·1023атомов |
3 моль натрия |
0,5 моль азота |
|
|
18·1023молекул |
0,21·1023атомов |
1,5 моль углерода |
3 моль натрия |
|
|
24·1023молекул |
0,27·1023атомов |
2 моль углерода |
5 моль азота |
|
|
30·1023моллекул |
0,33·1023атомов |
10 моль азота |
0,1 моль цинка |
|
|
39·1023молекул |
36·1023атомов |
5 моль хлора |
4 моль алюминия |
|
|
36·1023молекул |
0,45·1023атомов |
3 моль кислорода |
2 моль цинка |
|
|
42·1023молекул |
0,51·1023атомов |
4 моль азота |
1,.5 моль меди |
|
|
48·1023молекул |
0,57·1023атомов |
2 моль кальция |
6 моль брома |
|
|
0,.6·1023молекул |
9·1023атомов |
12 моль брома |
2 моль серебра |
|
|
0,12·1023молекул |
15·1023атомов |
10 моль хлора |
1,5 моль меди |
|
|
0,18·1023молекул |
21·1023атомов |
5 моль водорода |
3 моль железа |
|
|
0,24·1023молекул |
27·1023атомов |
3 моль водорода |
2 моль воды |
|
|
0,3·1023молекул |
33·1023атомов |
4 моль серебра |
3 моль хлора |
|
|
0,36·1023молекул |
39·1023атомов |
2 моль воды |
0,5 моль железа |
|
|
0,42·1023молекул |
45·1023атомов |
4 моль серебра |
2 моль кислорода |
|
|
0,48·1023молекул |
51·1023атомов |
0.,5 моль азота |
3 моль серебра |
|
|
0,54·1023молекул |
0,6·1023атомов |
3 моль серы |
1,5 моль цинка |
|
|
9·1023молекул |
42·1023атомов |
5 моль натрия |
2 моль углерода |
|
|
15·1023молекул |
0,12·1023атомов |
0,1 моль хлора |
10 моль меди |
|
|
21·1023молекул |
0,18·1023атомов |
4 моль меди |
5 моль хлора |
|
|
27·1023молекул |
0,24·1023атомов |
2 моль кислорода |
3 моль цинка |
|
|
33·1023молекул |
0,3·1023атомов |
1,5 моль азота |
4 моль ртути |
|
|
39·1023молекул |
0,36·1023атомов |
6 моль магния |
2 моль водорода |
|
|
45·1023молекул |
0,42·1023атомов |
2 моль брома |
12 моль меди |
|
|
51·1023молекул |
0,48·1023атомов |
1.5 моль хлора |
10 моль натрия |
|
|
0,6·1023молекул |
54··1023атомов |
3 моль водорода |
5 моль калия |
|
|
24·1023молекул |
9·1023атомов |
3 моль цинка |
2 моль воды |
|
|
3·1023молекул |
3· 1023атомов |
4 моль фтора |
6 моль кальция |
Что такое плазма?
Традиционно агрегатные состояния вещества делятся на твердое, жидкое и газообразное. Но, помимо них, в определенных условиях вещество может переходить в еще одно состояние — состояние плазмы.
Любая материя состоит из атомов, которые по сути являются строительными блоками всех привычных нам предметов. Атомы состоят из положительно заряженных протонов, отрицательно заряженных электронов и незаряженных нейтронов. Атомы могут соединяться и образовывать молекулы.
Обычно атомы газа имеют равный отрицательный и положительный заряд, то есть число положительных протонов в ядре атома равняется числу вращающихся вокруг него отрицательных электронов, поэтому в целом атом остается нейтральным. Плазма образуется, когда при поступлении большого количества тепла (или иного вида энергии) атомы начинают полностью или частично терять свои электроны. В таком случае заряд атомов становится положительным, а отделившиеся от них электроны начинают двигаться независимо. Такие атомы и образовавшийся электрически заряженный газ называют «ионизированными». Когда число ионизированных атомов становится достаточно высоким для изменения электрических характеристик газа, он становится плазмой. Плазма образует и реагирует на электромагнитные поля.
Возьмем для примера молекулу воды H2O. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. На рисунке выше показаны четыре агрегатные состояния H2O: лед в твердой форме, вода в жидкой, пар в газообразной. При воздействии на лед достаточного количества энергии он перейдет из твердой в жидкую форму. Если поступление энергии продолжится, жидкая форма перейдет в газообразную, а затем молекулы пара станут электрически заряженными (ионизированными) и образуют плазму. Термин «плазма» в применении к ионизированному газу впервые был использован в 1929 году американским химиком и физиком доктором Ирвингом Ленгмюром.
Некоторые виды плазмы встречаются в природе, например, Солнце и другие звезды, статическое электричество и молнии. Также мы каждый день видим и другие, искусственные виды плазмы: неоновые огни, флуоресцентные лампы и плазменные экраны.
Урок 5. химический состав клетки — Биология — 5 класс
Биология, 5 класс
Урок 5. Химический состав клетки
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
- Урок посвящён изучению химического состава клетки.
Ключевые слова:
Клетка, химический состав, неорганические и органические вещества, вода, минеральные соли, белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты
Тезаурус:
Химический элемент – это атомы одного и того же вида.
Органические вещества – это вещества, которые входят в состав живых организмов и образуются только при их участии.
Неорганические вещества – это вещества, которые входят в состав неживой природы и могут образовываться без участия живых организмов.
Обязательная и дополнительная литература по теме
- Биология. 5–6 классы. Пасечник В. В., Суматохин С. В., Калинова Г. С. и др. / Под ред. Пасечника В. В. М.: Просвещение, 2019
- Биология. 6 класс. Теремов А. В., Славина Н. В. М.: Бином, 2019.
- Биология. 5 класс. Мансурова С. Е., Рохлов В. С., Мишняева Е. Ю. М.: Бином, 2019.
- Биология. 5 класс. Суматохин С. В., Радионов В. Н. М.: Бином, 2014.
- Биология. 6 класс. Беркинблит М. Б., Глаголев С. М., Малеева Ю. В., Чуб В. В. М.: Бином, 2014.
- Биология. 6 класс. Трайтак Д. И., Трайтак Н. Д. М.: Мнемозина, 2012.
- Биология. 6 класс. Ловягин С. Н., Вахрушев А. А., Раутиан А. С. М.: Баласс, 2013.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Сейчас на Земле известно более ста химических элементов. Из их атомов состоят все вещества, встречающиеся на Земле. 80 химических элементов обнаружены в составе живых организмов. При этом четыре из них – углерод, водород, азот и кислород составляют около 98 % массы любого организма. Остальные химические элементы встречаются в живых организмах в малых количествах.
Клетки всех живых организмов состоят из одних и тех же химических элементов. Эти же элементы входят и в состав объектов неживой природы. Сходство состава указывает на общность живой и неживой природы.
На этом уроке вы узнаете, из каких химических элементов состоят клетки живых организмов, и какие изменения претерпевают эти химические соединения по мере роста и развития клеток.
В клетках живых организмов больше всего содержится таких химических элементов, как углерод, водород, кислород и азот. Вместе они составляют до 98 % массы клетки. Около 2 % массы клетки приходится на восемь элементов: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо, фосфор и серу. Остальные химические элементы содержатся в клетках в очень малых количествах.
Химические элементы, соединяясь между собой, образуют неорганические (вода и минеральные соли) и органические (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и др.) вещества.
Значение каждого из веществ, содержащегося в клетке уникально. Вода придаёт клетке упругость, определяет её форму, участвует в обмене веществ. Неорганические вещества используются для синтеза органических молекул. При недостатке минеральных веществ важнейшие процессы жизнедеятельности клеток нарушаются. Углеводы придают прочность клеточным оболочкам, а также служат запасающими веществами. Белки входят в состав разнообразных клеточных структур, регулируют процессы жизнедеятельности и тоже могут запасаться в клетках. Жиры откладываются в клетках. При расщеплении жиров освобождается необходимая живым организмам энергия. Нуклеиновые кислоты играют ведающую роль в сохранении наследственной информации.
Клетка – это миниатюрная природная лаборатория, в которой синтезируются и претерпевают изменения различные химические соединения. Сходство химического состава клеток разных организмов доказывает единство живой природы.
Разбор типового тренировочного задания:
Тип задания: Сортировка элементов по категориям
Текст вопроса: Расставьте названия веществ в таблицу:
Органические вещества | Неорганические вещества |
Варианты ответов:
Белки
Вода
Углеводы
Жиры
Кислород
Правильный вариант ответа:
Органические вещества | Неорганические вещества |
белки углеводы жиры | вода кислород |
Разбор типового контрольного задания
Тип задания: Выделение цветом
Текст вопроса: Выделите цветом вещества, входящие в состав живых организмов:
Варианты ответов:
- Вода
- Пластик
- Белки
- Жиры
- Нефть
- Углеводы
- ДНК и РНК
Правильный вариант ответа:
1) Вода
3) Белки
4) Жиры
6) Углеводы
7) ДНК и РНК
| |
Структура воды | Химия для неосновных
Цели обучения
- Опишите структуру молекулы воды.
- Опишите полярность молекулы воды.
Какая часть поверхности Земли покрыта водой?
В своем известном стихотворении «Иней древнего мореплавателя» Сэмюэл Кольридж написал «Вода, вода везде, Ни капли для питья». Рассказчик говорил о том, что был в океане, но не имел воды, потому что он убил альбатроса (очевидно, что принесло неудачу всем на корабле). Около 75% поверхности Земли — это вода.Основная составляющая человеческого тела (более 60%) — это вода. Эта простая молекула играет важную роль во всех видах процессов.
Структура воды
Вода — это простая молекула, состоящая из одного атома кислорода, связанного с двумя разными атомами водорода. Из-за более высокой электроотрицательности атома кислорода связи являются полярными ковалентными ( полярных связи ). Атом кислорода притягивает общие электроны ковалентных связей в значительно большей степени, чем атомы водорода.В результате атом кислорода приобретает частичный отрицательный заряд, а каждый атом водорода приобретает частичный положительный заряд. Молекула принимает изогнутую структуру из-за двух неподеленных пар электронов на атоме кислорода. Угол связи H-O-H составляет около 105 °, что немного меньше идеального 109,5 ° для гибридизированной атомной орбитали sp 3 .
Рисунок 1.
Молекула воды, визуализированная тремя различными способами: шарообразная модель, модель заполнения пространства и структурная формула с частичными зарядами.
Изогнутая форма молекулы воды имеет решающее значение, потому что полярные связи O-H не компенсируют друг друга, а молекула в целом полярна. На рисунке 2 ниже показана чистая полярность молекулы воды. Кислород — это отрицательный конец молекулы, а область между атомами водорода — положительный конец молекулы.
Рис. 2. Вода — полярная молекула, так как большая электронная плотность находится вокруг более электроотрицательного атома кислорода.
Полярные молекулы притягиваются друг к другу диполь-дипольными силами, поскольку положительный конец одной молекулы притягивается к отрицательному концу соседней молекулы.В случае воды высокополярные связи O-H приводят к очень низкой электронной плотности вокруг атомов водорода. Каждый атом водорода сильно притягивается к неподеленной паре электронов на соседнем атоме кислорода. Они называются водородными связями и сильнее обычных диполь-дипольных сил.
Рис. 3. Водородная связь — это притяжение между неподеленной парой электронов на атоме кислорода одной молекулы и электронодефицитным атомом водорода соседней молекулы.
Поскольку каждый атом кислорода имеет две неподеленные пары, он может образовывать водородные связи с атомами водорода двух отдельных других молекул.На рисунке ниже показан результат — приблизительно тетраэдрическая геометрия вокруг каждого атома кислорода, состоящая из двух ковалентных связей и двух водородных связей.
Рис. 4. В результате двух ковалентных связей и двух водородных связей геометрия вокруг каждого атома кислорода приблизительно тетраэдрическая.
Сводка
- Вода — это молекулярное соединение, состоящее из полярных молекул, имеющих изогнутую форму.
- Атом кислорода приобретает частичный отрицательный заряд, а атом водорода — частичный положительный заряд.
Практика
Воспользуйтесь ссылкой ниже, чтобы ответить на следующие вопросы:
http://www.lsbu.ac.uk/water/molecule.html
- Что такое валентный угол H-O-H?
- Как далеко центр каждого атома H от центра атома O?
Обзор
- Какой тип связи существует в молекуле воды?
- Какая часть молекулы имеет частичный положительный заряд?
- Какая часть молекулы имеет частичный отрицательный заряд?
- Как молекулы воды взаимодействуют друг с другом?
Глоссарий
- электроотрицательность: Мера способности атома притягивать электроны, когда атом является частью соединения.
- полярная связь: Ковалентная связь, в которой электроны распределяются между двумя электронами неравномерно.
Конфигурация молекулы воды
Конфигурация молекулы воды
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Одно-единственное электронное кольцо вокруг ядра каждого атома водорода имеет только один электрон. Отрицательный заряд электрона уравновешивается положительным зарядом одного протона в ядре водорода.Электронное кольцо водорода на самом деле предпочло бы иметь два электрона для создания стабильной конфигурации. Кислород, с другой стороны, имеет два электронных кольца с внутренним кольцом, имеющим 2 электрона, что является холодным, потому что это стабильная конфигурация. Внешнее кольцо, с другой стороны, имеет 6 электронов, но хотелось бы иметь еще 2, потому что во втором электронном кольце 8 электронов являются стабильной конфигурацией. Чтобы уравновесить отрицательный заряд 8 (2 + 6) электронов, ядро кислорода имеет 8 протонов.Водород и кислород хотели бы иметь стабильные электронные конфигурации, но не как отдельные атомы. Они могут выйти из этого затруднительного положения, если согласятся делиться электронами (своего рода энергетический «договор»). Итак, кислород разделяет один из своих внешних электронов с каждым из двух атомов водорода, и каждый из двух атомов водорода разделяет один и единственный электрон с кислородом. Это называется ковалентной связью. Каждый атом водорода думает, что у него два электрона, а атом кислорода думает, что у него 8 внешних электронов.Все счастливы, не так ли?
Рисунок 1. Молекула воды
Источник: Морин Фейнман
Однако оба атома водорода находятся на одной стороне от атома кислорода, так что положительно заряженные ядра атомов водорода остаются открытыми, так сказать, оставляя этот конец молекулы воды со слабым положительным зарядом. Между тем, на другой стороне молекулы избыточные электроны атома кислорода придают этому концу молекулы слабое отрицательное изменение.По этой причине молекулу воды называют «диполярной» молекулой. Вода является примером полярного растворителя (одного из лучших), способного растворять большинство других соединений из-за неравномерного распределения заряда молекулы воды. В растворе слабая положительно заряженная сторона одной молекулы воды будет притягиваться к слабой отрицательно заряженной стороне другой молекулы воды, и две молекулы будут удерживаться вместе так называемой слабой водородной связью. В температурном диапазоне морской воды слабые водородные связи постоянно разрушаются и реформируются.Это придает воде некоторую структуру, но позволяет молекулам легко скользить друг по другу, превращая воду в жидкость.
Вода — Биологические концепции
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Опишите свойства воды, которые имеют решающее значение для поддержания жизни
Вы когда-нибудь задумывались, почему ученые тратят время на поиски воды на других планетах? Это потому, что вода необходима для жизни; даже мельчайшие следы ее на другой планете могут указывать на то, что жизнь могла или существовала на этой планете.Вода — одна из наиболее распространенных молекул в живых клетках и самая важная для жизни, какой мы ее знаем. Примерно 60–70 процентов вашего тела состоит из воды. Без него жизни просто не было бы.
Рисунок 1: Как показывает это макроскопическое изображение нефти и воды, нефть является неполярным соединением и, следовательно, не растворяется в воде. Масло и вода не смешиваются. (кредит: Gautam Dogra)Атомы водорода и кислорода в молекулах воды образуют полярные ковалентные связи. Общие электроны проводят больше времени, связанного с атомом кислорода, чем с атомами водорода.У молекулы воды нет общего заряда, но есть небольшой положительный заряд на каждом атоме водорода и небольшой отрицательный заряд на атоме кислорода. Из-за этих зарядов слегка положительные атомы водорода отталкиваются друг от друга и образуют уникальную форму, показанную на [ссылка]. Каждая молекула воды притягивает другие молекулы воды из-за положительных и отрицательных зарядов в разных частях молекулы. Вода также притягивает другие полярные молекулы (например, сахара), образуя водородные связи. Когда вещество легко образует водородные связи с водой, оно может растворяться в воде и называется гидрофильным («любящим воду»).Водородные связи не образуются легко с неполярными веществами, такими как масла и жиры ([Рисунок 1]). Эти неполярные соединения являются гидрофобными («водобоязненными») и не растворяются в воде.
Водородные связи в воде позволяют ей поглощать и отдавать тепловую энергию медленнее, чем многие другие вещества. Температура — это мера движения (кинетической энергии) молекул. По мере увеличения движения увеличивается энергия и, следовательно, выше температура. Вода поглощает много энергии, прежде чем ее температура повышается.Повышенная энергия разрушает водородные связи между молекулами воды. Поскольку эти связи могут создаваться и быстро разрушаться, вода поглощает увеличение энергии, а температура изменяется лишь минимально. Это означает, что вода смягчает изменения температуры внутри организмов и окружающей их среды. По мере того, как подвод энергии продолжается, баланс между образованием и разрушением водородных связей смещается в сторону разрушения. Связей разорвано больше, чем образовано. Этот процесс приводит к высвобождению отдельных молекул воды на поверхности жидкости (такой как водоем, листья растений или кожа организма) в процессе, называемом испарением.Испарение пота, который на 90 процентов состоит из воды, позволяет охладить организм, потому что разрыв водородных связей требует затрат энергии и отводит тепло от тела.
И наоборот, по мере того, как движение молекул уменьшается и температура падает, меньше энергии присутствует для разрыва водородных связей между молекулами воды. Эти связи остаются неповрежденными и начинают образовывать жесткую решетчатую структуру (например, лед) (рис. 2] a ). В замороженном состоянии лед менее плотен, чем жидкая вода (молекулы находятся дальше друг от друга).Это означает, что лед плавает на поверхности водоема ([Рис. 2] b ). В озерах, прудах и океанах на поверхности воды образуется лед, создавая изолирующий барьер для защиты находящихся под ними животных и растений от замерзания в воде. Если бы этого не произошло, растения и животные, живущие в воде, замерзли бы в глыбе льда и не могли бы свободно передвигаться, что сделало бы жизнь при низких температурах трудной или невозможной.
(а) Решетка льда делает его менее плотным, чем свободно текущие молекулы жидкой воды.Меньшая плотность льда позволяет ему (б) плавать по воде. (кредит а: модификация работы Джейн Уитни; кредит б: модификация работы Карлоса Понте) Щелкните здесь, чтобы увидеть трехмерную анимацию структуры ледяной решетки. (кредит: изображение создано Джейн Уитни с использованием программного обеспечения Visual Molecular Dynamics (VMD) 1 )Поскольку вода полярная, с небольшими положительными и отрицательными зарядами, ионные соединения и полярные молекулы могут легко растворяться в ней.Следовательно, вода — это то, что называют растворителем — вещество, способное растворять другое вещество. Заряженные частицы образуют водородные связи с окружающим слоем молекул воды. Это называется сферой гидратации и служит для отделения или диспергирования частиц в воде. В случае поваренной соли (NaCl), смешанной с водой ([Рис. 3]), ионы натрия и хлора разделяются или диссоциируют в воде, и вокруг ионов образуются сферы гидратации. Положительно заряженный ион натрия окружен частично отрицательными зарядами атомов кислорода в молекулах воды.Отрицательно заряженный хлорид-ион окружен частично положительными зарядами атомов водорода в молекулах воды. Эти сферы гидратации также называют гидратными оболочками. Полярность молекулы воды делает ее эффективным растворителем и играет важную роль в ее многочисленных функциях в живых системах.
Рисунок 3: Когда поваренная соль (NaCl) смешивается с водой, вокруг ионов образуются сферы гидратации. Рисунок 4: Вес иглы на поверхности воды понижает поверхностное натяжение; в то же время поверхностное натяжение воды тянет ее вверх, удерживая иглу на поверхности воды и не давая ей утонуть.Обратите внимание на углубление в воде вокруг иглы. (кредит: Кори Занкер)
Вы когда-нибудь наполняли стакан воды до самого верха, а затем медленно добавляли еще несколько капель? Прежде чем переливаться через край, вода фактически приобретает куполообразную форму над краем стакана. Эта вода может оставаться над стеклом благодаря свойству сцепления. В когезии молекулы воды притягиваются друг к другу (из-за водородных связей), удерживая молекулы вместе на границе раздела жидкость-воздух (газ), хотя в стекле больше нет места.Сплоченность вызывает поверхностное натяжение, способность вещества противостоять разрыву, когда оно находится под действием напряжения или напряжения. Когда вы бросаете небольшой клочок бумаги на каплю воды, бумага плавает поверх капли, хотя объект более плотный (тяжелый), чем вода. Это происходит из-за поверхностного натяжения, создаваемого молекулами воды. Сплоченность и поверхностное натяжение сохраняют молекулы воды нетронутыми, а предмет — плавающим наверху. Можно даже «поставить» стальную иглу на поверхность стакана с водой, если вы поместите ее осторожно, не нарушая поверхностного натяжения ([Рисунок 4]).Эти силы сцепления также связаны со свойством адгезии воды или притяжением между молекулами воды и другими молекулами. Это наблюдается, когда вода «поднимается» по соломке, помещенной в стакан с водой. Вы заметите, что вода кажется выше по бокам соломинки, чем в середине. Это происходит потому, что молекулы воды притягиваются к соломке и, следовательно, прилипают к ней. Силы сцепления и сцепления важны для поддержания жизни. Например, из-за этих сил вода может течь вверх от корней к верхушкам растений, чтобы прокормить растение.
Чтобы узнать больше о воде, посетите сайт Геологической службы США «Наука о воде для школ: все о воде!» Веб-сайт. Рисунок 5: Шкала pH измеряет количество ионов водорода (H +) в веществе. (кредит: модификация работы Эдварда Стивенса)pH раствора является мерой его кислотности или щелочности. Вы, вероятно, использовали лакмусовую бумагу, бумагу, обработанную натуральным водорастворимым красителем, чтобы ее можно было использовать в качестве индикатора pH, чтобы проверить, сколько кислоты или основания (щелочности) существует в растворе.Возможно, вы даже использовали их, чтобы убедиться, что вода в открытом бассейне очищена должным образом. В обоих случаях этот тест pH измеряет количество ионов водорода, которые существуют в данном растворе. Высокие концентрации ионов водорода приводят к низкому pH, тогда как низкие уровни ионов водорода приводят к высокому pH. Общая концентрация ионов водорода обратно пропорциональна его pH и может быть измерена по шкале pH ([Рисунок 4]). Следовательно, чем больше присутствует ионов водорода, тем ниже pH; и наоборот, чем меньше ионов водорода, тем выше pH.
Шкала pH находится в диапазоне от 0 до 14. Изменение на одну единицу шкалы pH представляет изменение концентрации ионов водорода в 10 раз, изменение на две единицы представляет собой изменение концентрации ионов водорода на величину коэффициент 100. Таким образом, небольшие изменения pH представляют собой большие изменения концентрации ионов водорода. Чистая вода нейтральна. Он не является ни кислым, ни основным, и его pH составляет 7,0. Все, что ниже 7,0 (от 0,0 до 6,9), является кислотным, а все, что выше 7.0 (от 7,1 до 14,0) — щелочной. Кровь в ваших венах слегка щелочная (pH = 7,4). Среда в желудке очень кислая (pH от 1 до 2). Апельсиновый сок имеет умеренную кислотность (pH = приблизительно 3,5), тогда как пищевая сода является щелочной (pH = 9,0).
Кислоты — это вещества, которые выделяют ионы водорода (H + ) и понижают pH, тогда как основания выделяют ионы гидроксида (OH — ) и повышают pH. Чем сильнее кислота, тем легче она отдает H + . Например, соляная кислота и лимонный сок очень кислые и легко выделяют H + при добавлении в воду.И наоборот, основания — это те вещества, которые легко отдают OH — . Ионы OH — соединяются с H + с образованием воды, которая повышает pH вещества. Гидроксид натрия и многие бытовые чистящие средства очень щелочные и быстро выделяют OH — при помещении в воду, тем самым повышая pH.
Большинство клеток нашего тела работают в очень узком диапазоне шкалы pH, обычно в пределах от 7,2 до 7,6. Если pH тела выходит за пределы этого диапазона, дыхательная система не работает, как и другие органы тела.Клетки больше не функционируют должным образом, и белки будут разрушаться. Отклонение от диапазона pH может вызвать кому или даже смерть.
Так как же мы можем проглотить или вдохнуть кислые или основные вещества и не умереть? Буферы — это ключ. Буферы легко поглощают избыток H + или OH — , тщательно поддерживая pH тела в вышеупомянутом узком диапазоне. Двуокись углерода является частью заметной буферной системы в организме человека; он поддерживает pH в нужном диапазоне.Эта буферная система включает анион угольной кислоты (H 2 CO 3 ) и бикарбонат (HCO 3 —). Если слишком много H + попадает в организм, бикарбонат соединяется с H + , образуя угольную кислоту и ограничивая снижение pH. Аналогичным образом, если в систему вводится слишком много OH —, угольная кислота быстро диссоциирует на ионы бикарбоната и H + . Ионы H + могут объединяться с ионами OH —, ограничивая увеличение pH.Хотя угольная кислота является важным продуктом этой реакции, ее присутствие мимолетно, потому что углекислота выделяется из организма в виде углекислого газа каждый раз, когда мы дышим. Без этой буферной системы pH в нашем организме будет слишком сильно колебаться, и мы не сможем выжить.
Вода обладает многими свойствами, которые имеют решающее значение для поддержания жизни. Он полярный, что позволяет образовывать водородные связи, которые позволяют ионам и другим полярным молекулам растворяться в воде. Поэтому вода — отличный растворитель.Водородные связи между молекулами воды дают воде способность удерживать тепло лучше, чем многие другие вещества. При повышении температуры водородные связи между водой постоянно разрываются и преобразуются, позволяя общей температуре оставаться стабильной, хотя в систему добавляется повышенная энергия. Силы сцепления воды учитывают свойство поверхностного натяжения. Все эти уникальные свойства воды важны для химии живых организмов.
pH раствора является мерой концентрации ионов водорода в растворе.Раствор с большим количеством ионов водорода кислый и имеет низкое значение pH. Раствор с большим количеством гидроксид-ионов является основным и имеет высокое значение pH. Шкала pH находится в диапазоне от 0 до 14, при этом pH 7 является нейтральным. Буферы — это растворы, которые замедляют изменение pH при добавлении кислоты или основания в буферную систему. Буферы важны в биологических системах из-за их способности поддерживать постоянный уровень pH.
Какое из следующих утверждений неверно?
- Вода полярная.
- Вода стабилизирует температуру.
- Вода необходима для жизни.
- Вода — самый распространенный атом в атмосфере Земли.
[show-answer q = ”404220 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 404220 ″] 4 [/ hidden-answer]
Используя pH-метр, вы обнаружите, что pH неизвестного раствора равен 8,0. Как бы вы описали это решение?
- слабокислый
- сильнокислый
- слабоосновная
- сильно простой
[show-answer q = ”722176 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 722176 ″] 3 [/ hidden-answer]
pH лимонного сока составляет около 2.0, тогда как pH томатного сока составляет около 4,0. Насколько приблизительно увеличивается концентрация водородных ионов между томатным и лимонным соками?
- 2 раза
- 10 раз
- 100 раз
- 1000 раз
[show-answer q = ”594744 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 594744 ″] 3 [/ hidden-answer]
Почему некоторые насекомые могут ходить по воде?
Некоторые насекомые могут ходить по воде, хотя они тяжелее (плотнее) воды из-за поверхностного натяжения воды.Поверхностное натяжение возникает в результате сцепления или притяжения между молекулами воды на поверхности водного тела [граница раздела жидкость-воздух (газ)].
Объясните, почему вода является отличным растворителем.
Молекулы воды полярны, то есть у них разделены частичные положительный и отрицательный заряды. Благодаря этим зарядам молекулы воды могут окружать заряженные частицы, возникающие при диссоциации вещества. Окружающий слой молекул воды стабилизирует ион и не дает ионам с разным зарядом повторно связываться, поэтому вещество остается растворенным.
Сноски
- Хамфри В., Далке А. и Шультен К., «VMD — визуальная молекулярная динамика», J. Molec. Графика , 1996, т. 14. С. 33-38. http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
Глоссарий
- кислота
- вещество, которое отдает ионы водорода и, следовательно, снижает pH
- адгезия
- притяжение между молекулами воды и молекулами другого вещества
- основание
- вещество, поглощающее ионы водорода и, следовательно, повышающее pH
- буфер
- раствор, который сопротивляется изменению pH за счет поглощения или высвобождения ионов водорода или гидроксида
- сплоченность
- межмолекулярные силы между молекулами воды, вызванные полярной природой воды; создает поверхностное натяжение
- испарение
- высвобождение молекул воды из жидкой воды с образованием водяного пара
- гидрофильный
- описывает вещество, растворяющееся в воде; водолюбивый
- гидрофобный
- описывает вещество, которое не растворяется в воде; водобоязнь
- лакмусовая бумага Фильтровальная бумага
- , обработанная натуральным водорастворимым красителем, поэтому ее можно использовать в качестве индикатора pH
- Шкала pH
- шкала от 0 до 14, которая измеряет приблизительную концентрацию ионов водорода в веществе
- растворитель
- вещество, способное растворять другое вещество
- поверхностное натяжение
- сила сцепления на поверхности тела жидкости, которая препятствует разделению молекул
- температура
- мера молекулярного движения
Любопытные дети: как делают воду?
Любопытные дети — серия для детей.Отправьте свой вопрос на [email protected]. Вам также может понравиться подкаст «Представь это», совместное производство ABC KIDS listen и The Conversation, основанное на «Любопытных детях».
Как производится вода? — Клара, 8 лет, Канберра.
Привет, Клара. Это действительно отличный вопрос. Если бы мы могли производить воду в больших количествах дешево, чисто и безопасно, это решило бы множество мировых проблем. К сожалению, это не так просто.
Читать далее: Любопытные дети: откуда берутся облака и почему они имеют разную форму?
Что такое вода и откуда она взялась?
Вода состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. ShutterstockВы, наверное, слышали об атомах, мельчайших строительных блоках всей материи во Вселенной. Мы все состоим из атомов, склеенных вместе (или, как сказали бы ученые, «связанных»).Связанные вместе атомы образуют молекулы.
Молекула чистой воды состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. Как объяснялось в предыдущей статье Curious Kids, ученые считают, что вода на Земле могла образоваться в результате таяния богатых водой минералов во время образования планеты и ледяных комет, которые миллиарды лет назад врезались в Землю и растаяли.
Ученые считают, что вода могла попасть к нам из горных пород, тающих во время образования Земли, и ледяных комет.Flickr / barnyz Follow, CC BYПочему мы не можем просто производить больше?
Хотя изготовление небольших объемов чистой воды в лаборатории возможно, непрактично «делать» большие объемы воды, смешивая водород и кислород вместе. Реакция стоит дорого, выделяет много энергии и может вызвать действительно мощные взрывы.
В то время как общий объем воды на Земле остается примерно таким же, вода постоянно меняет местоположение и состояние. Это означает, что иногда это жидкость (например, вода, которую мы пьем), твердое вещество (лед) или газ (водяной пар, например пар).
Ученые называют этот процесс изменения гидрологическим (водным) круговоротом, при котором вода постоянно перемещается по миру, циклически перемещаясь между воздухом, землей и океаном.
Круглый и круглый
Цикл начинается, когда вода испаряется из океана (или озер, рек и водно-болотных угодий) и попадает в атмосферу (воздух вокруг нас) в виде водяного пара (газа).
По мере того, как теплый, насыщенный водой воздух поднимается вверх, он охлаждается и может удерживать меньше воды.
В результате образуются облака.В конце концов, водяной пар снова превращается в жидкую воду и падает на Землю в виде дождя. Дождь, который не испаряется немедленно обратно в атмосферу, либо стекает в океан в виде стока, либо поглощается землей и становится грунтовыми водами — водой, которая хранится под землей в крошечных пространствах внутри скал.
Растения могут всасывать грунтовые воды своими корнями и выталкивать воду через крошечные отверстия в листьях (это называется транспирацией).
Подземные воды медленно текут через землю в океан, и цикл начинается снова.
Это круговорот воды. ShutterstockГидрологический цикл чувствителен к изменениям температуры и давления. Например, если жарко и ветрено, происходит большее испарение. Следовательно, изменение климата влияет на гидрологический цикл. Области, которые когда-то были влажными, могут стать сухими (и наоборот), потому что облака падают дождем в океан, а не на землю, где его можно собирать и использовать.
Две крошечные капли питьевой воды
Мы пьем пресную воду, но большая часть воды на Земле соленая.И подавляющее большинство доступной пресной воды на Земле фактически скрыто под землей в виде грунтовых вод.
Фактически, если вы вообразите, что вся вода на Земле может поместиться в литровый пакет молока, это будет вся океанская вода, за исключением двух столовых ложек пресной воды.
Из двух столовых ложек пресной воды чуть менее трех четвертей будут заморожены в лед, а большая часть остального — грунтовые воды.
Пресная вода, которую мы видим и используем в реках, болотах и озерах, составляет менее двух капель воды в мире.
Следовательно, защита крупных источников пресной воды, таких как грунтовые воды, очень важна, потому что удаление соли из океанской воды может стоить больших денег и энергии.
Большая часть воды соленая и находится в океане. Flickr / beana_cheese, CC BYАтмосфера, Земля и океан взаимосвязаны, и то, что мы делаем в одном месте, может повлиять на качество воды в других местах.
Химические вещества, слитые в раковину или закачанные в атмосферу, могут в конечном итоге оказаться в грунтовых водах, что означает, что пресная вода станет для нас менее доступной.
Хотя мы не можем «производить» больше воды, мы можем извлечь максимальную пользу из имеющейся у нас воды, сохраняя и защищая ее.
Читать далее: Любопытные дети: Как образовался океан? Откуда взялась вся вода?
Здравствуйте, любопытные детки! У вас есть вопрос, на который вы хотите получить ответ от эксперта? Попросите кого-нибудь из взрослых прислать нам свой вопрос. Вы можете:
* Отправьте свой вопрос по электронной почте curiouskids @ theconversation.edu.au
* Сообщите нам в Twitter, пометив @ConversationEDU хэштегом #curiouskids или
* Расскажите нам на Facebook
Сообщите, пожалуйста, свое имя, возраст и город, в котором вы живете. При желании вы также можете отправить аудиозапись своего вопроса. Отправляйте сколько угодно вопросов! Мы не сможем ответить на все вопросы, но сделаем все, что в наших силах.
Вода — Что такое вода? — Водород, кислород, молекулы и молекулы
Вода — это прозрачная жидкость без запаха и вкуса, которая кажется бесцветной, но на самом деле очень бледно-голубой. цвет очевиден в больших количествах воды, таких как озера и океаны, но его можно увидеть даже в полной ванне. Это единое химическое соединение, молекулы которого состоят из двух атомов водорода , связанных с одним атомом кислорода . Химическая формула этого соединения, следовательно, H 2 O. Два атома водорода присоединены к атому кислорода таким образом, что образует угловую молекулу .
Угол , однако, не 90 °, а 104.5 ° — ближе к прямому углу, но немного шире.
Формула H 2 O означает, что независимо от того, сколько воды мы говорим, она всегда содержит ровно вдвое больше атомов водорода, чем атомов кислорода. Учитывая, что атом водорода весит всего одну шестнадцатую от веса атома кислорода, большая часть веса воды приходится на кислород: 88,8% веса составляет кислород, а 11,2% — водород. Это касается всего: от одиночной молекулы до озера и .
Воду можно получить (синтезировать) из водорода и кислорода, которые являются газами.Однако, когда эти два газа смешиваются, они не вступают в реакцию, если реакция не начинается с пламени или искры. Затем они реагируют взрывоопасно. Выделяемая огромная энергия является сигналом того, что водород и кислород очень хотят стать водой. Другими словами, вода — чрезвычайно стабильное соединение по сравнению с свободными молекулами водорода и кислорода. Молекулы воды сложно разбить на составляющие.
Не только это, но и молекулы воды довольно плотно прилипают друг к другу — по крайней мере, по сравнению с аналогичными соединениями.Прилипание молекулы к молекуле вызвано главным образом тем фактом, что молекула воды представляет собой диполь , потому что атом кислорода отталкивает электроны от атомов водорода, придавая кислородному углу молекулы небольшой отрицательный заряд и два водорода заканчиваются небольшим положительным зарядом. Отрицательная часть одной молекулы воды притягивает положительные части других, как магнит, хотя они все еще могут скользить друг по другу, как молекулы в любой жидкости. Молекулы воды прилипают друг к другу также за счет водородных связей.
Структура воды
Вода — это молекула Комбинация двух или более атомов, связанных вместе, которые имеют другие качества, чем отдельные атомы. (H 2 O), который содержит два атома водорода , каждый из которых разделяет пару электронов с атомом кислорода (см. Рисунок 1). Когда атомы разделяют электроны таким образом, ковалентная связь — химическая связь, создаваемая обменом электронов между атомами. создано. Эти связи необходимы живым организмам.
В молекулах воды атомы кислорода и водорода разделяют электроны [электроны]: Отрицательно заряженная субатомная частица, вращающаяся вокруг ядра атома. неравномерно. Электроны, которые всегда несут отрицательный заряд, сильнее притягиваются к атомам кислорода. Поскольку общие электроны проводят больше времени, вращаясь вокруг ядра кислорода, и меньше — вокруг ядер атомов водорода, молекула воды становится поляризованной с четко выраженными отрицательными (кислород) и положительными (водород) концами.Это свойство называется молекулярной полярностью. Свойство молекул, которые имеют небольшой положительный заряд с одной стороны и небольшой отрицательный заряд с другой. .
Подробный взгляд
В этой статье, опубликованной в Исследовательском фонде Джонсона при Пенсильванском университете, представлено более подробное описание структуры и свойств воды. из Стокгольмского центра устойчивости, чтобы больше узнать об устойчивости.
Поскольку положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу, полярные молекулы воды выравниваются, когда они приближаются друг к другу — положительный конец водорода одной молекулы притягивается к отрицательному концу кислорода второй молекулы. Это притяжение называется водородной связью. Химическая связь, соединяющая атом водорода одной молекулы с отрицательно заряженным атомом, особенно с атомом азота, кислорода или фтора другой молекулы. (см. рисунок 2). Молекулы воды слабо связаны друг с другом слабыми водородными связями, что придает воде свойство жидкости.Если бы водородные связи были сильнее, вода была бы твердым, а не жидким веществом.
Капля воды содержит триллионы молекул воды, скрепленных слабыми водородными связями. Склонность молекул воды к соединению называется когезией.
Молекулярное притяжение, благодаря которому частицы тела объединяются по всей массе, как, например, сцепление молекул воды, производящих жидкую воду.
Просмотреть исходный код
Адаптировано с сайта Merriam-Webster.com. Проверено в июне 2014 г., http: // www.merriam-webster.com/dictionary. Тот факт, что молекулы воды объединяются с помощью слабых водородных связей, придает воде жидкую консистенцию.
Полярность воды также делает ее клейкой — свойство противоположно заряженных молекул прилипать друг к другу. Привлекается к другим типам молекул с положительными и отрицательными зарядами, что означает, что он будет притягиваться к другим типам молекул с положительными и отрицательными зарядами. Подумайте о том, как деревья переносят воду из почвы в свои высокие ветви без какого-либо насоса.Молекулы воды проникают в корень и прикрепляются к молекулам, которые составляют стенки проводящих тканей растения, называемых клетками ксилемы. Клетки ксилемы, являющиеся частью проводящей ткани сосудистых растений, имеют форму соломинок, уложенных встык, образуя крошечные непрерывные трубки, идущие от корней растения к его листьям. Ксилема проводит воду и растворенные питательные вещества от корней ко всем частям растения. , которые имеют форму крошечной соломинки для питья. Вода испаряется в воздух на противоположном конце ксилемы — листе — вызывая восходящее, связующее притяжение на весь столб воды и заменяя испарившуюся воду.
Взгляд вперед (
)Позже в этой главе вы узнаете, как красиво текущая, животворная текучесть воды делает возможным то, что многие религии мира считают духовным значением воды.
Сплоченность и адгезия — одни из самых замечательных качеств воды. Они достаточно сильны, чтобы противостоять силе тяжести, позволяя воде подниматься на вершину дерева высотой в сотни футов.Это движение называется капиллярным действием. Средство, с помощью которого жидкость движется через пористые пространства в твердом теле, таком как почва и корни растений, за счет сил адгезии, сцепления и поверхностного натяжения.
