Voda i njezina fizikalna i kemijska svojstva. Struktura vode

Najvažnija supstanca našeg planeta, jedinstvena po svojim svojstvima i sastavu, je, naravno, voda. Uostalom, zahvaljujući njoj, postoji život na Zemlji, dok nije na drugim poznatim objektima Sunčevog sustava. Čvrsta, tekuća, u obliku pare - ona je neophodna i važna svakom. Voda i njezina svojstva predmet su proučavanja cijele znanstvene discipline - hidrologije.

Količina vode na planeti

Ako uzmemo u obzir pokazatelj količine tog oksida u svim agregativnim stanjima, onda je to oko 75% ukupne mase na planetu. To bi trebalo uzeti u obzir vezanu vodu u organski spojevi živih bića, minerala i drugih elemenata.

Ako uzmete u obzir samo tekuće i kruto stanje vode, stopa će pasti na 70,8%. Razmotrite kako se ti postotci distribuiraju, a koji sadrže predmetnu tvar.

1. Slana voda u oceanima i morima, slanih jezera na Zemlji 360 milijuna km ² .
2. Slatka voda je neravnomjerno raspoređena: u glečerima Grenlanda, Arktika i Antarktika je u ledu 16,3 milijuna km ² .
3. U svježim rijekama, močvarama i jezerima koncentrirano je 5,3 milijuna km ² vodikovog oksida.
4. Podzemne vode su 100 milijuna m ³ .

Zato astronauti iz dalekog svemira vide Zemlju u obliku plave kugle s povremenim mrljama zemlje. Voda i njezina svojstva, poznavanje karakteristika strukture važni su elementi znanosti. Osim toga, u novije vrijeme čovječanstvo počinje iskusiti jasan nedostatak svježe vode. Možda će takvo znanje pomoći u rješavanju ovog problema.

Sastav vode i struktura molekule

Ako uzmemo u obzir ove pokazatelje, onda će svojstva ovog čudesnog materijala odmah postati jasna. Dakle, molekula vode se sastoji od dva atoma vodika i jednog atoma kisika, stoga ima empirijsku formulu H ₂ O. Osim toga, elektroni oba elementa igraju važnu ulogu u konstrukciji same molekule. Pogledajmo kakva je struktura vode i njezina svojstva.

Očito je da je svaka molekula orijentirana oko druge i zajedno tvore zajedničku kristalnu rešetku. Zanimljivo je da je oksid izgrađen u obliku tetraedra - atoma kisika u središtu, a dva para njegovih elektrona i dva atoma vodika oko su asimetrična. Ako povučete liniju kroz središta jezgre atoma atoma i povežete ih, tada dobivate točno tetraedarski geometrijski oblik.

Kut između središta atoma kisika i jezgara vodika je 104,5 ^° C. Veza je O-H = 0,0957 nm. Prisutnost elektronskih parova kisika, kao i njegov veći elektronski afinitet u odnosu na vodik, osigurava formiranje negativno nabijenog polja u molekuli. Suprotno tome, jezgre vodika tvore pozitivno nabijeni dio spoja. Dakle, ispada da je molekula vode dipol. To određuje što voda može biti, a njezina fizikalna svojstva također ovise o strukturi molekule. Za živa bića ove značajke igraju ključnu ulogu.

Osnovna fizikalna svojstva

To se obično pripisuje kristalnoj rešetki, točki vrenja i točki taljenja, posebnim individualnim karakteristikama. Svi oni i razmislite.

1. Struktura kristalne rešetke vodikovog oksida ovisi o agregacijskom stanju. Može biti kruto - led, tekućina - glavna voda u normalnim uvjetima, plinovita - para kada temperatura vode raste iznad 100 ° C. Led stvara lijepe uzorke kristala. Roštilj je općenito labav, ali zglob je vrlo jak, gustoća je niska. Možete ga vidjeti na primjeru snježnih pahulja ili uzoraka od smrzavanja na staklu. U običnoj vodi rešetka nema stalan oblik, ona se mijenja i prelazi iz jednog stanja u drugo.
2. Molekula vode u svemiru ima ispravan oblik lopte. Međutim, pod djelovanjem gravitacije Zemlje, ona je iskrivljena i u tekućem stanju poprima oblik posude.
3. Činjenica da je struktura vodikovog oksida dipol određuje sljedeća svojstva: visoku toplinsku vodljivost i toplinski kapacitet, koji se može pratiti u brzom zagrijavanju i dugom hlađenju tvari, sposobnost da se orijentira oko sebe i ione i pojedine elektrone, spojeve. To čini vodu univerzalnim otapalom (i polarnim i neutralnim).
4. Sastav vode i struktura molekule objašnjavaju sposobnost ovog spoja da formira višestruke vodikove veze, uključujući i druge spojeve koji imaju usamljene elektronske parove (amonijak, alkohol i druge).
5. Vrelište tekuće vode je 100 ^° C, dolazi do kristalizacije na + 4 ^° C. Led je ispod ovog pokazatelja. Ako povećate pritisak, onda vrelište vode dramatično povećati. Tako se kod visokih atmosfera u njemu može rastopiti olovo, ali ujedno i ne kuha (iznad 300 ° C).
6. Svojstva vode vrlo su značajna za živa bića. Na primjer, jedna od najvažnijih je površinska napetost. To je stvaranje najtanjeg zaštitnog filma na površini vodikovog oksida. Radi se o vodi u tekućem stanju. Vrlo je teško razbiti taj film mehaničkim djelovanjem. Znanstvenici su utvrdili da je potrebna sila jednaka 100 tona. Kako je primijetiti? Film je vidljiv kad voda kaplje iz slavine polako. Može se vidjeti da je kao u nekoj vrsti ljuske, koja se proteže do određene granice i težine i dolazi u obliku okruglog kapljica, blago iskrivljenog gravitacijom. Zbog površinske napetosti, mnogi predmeti mogu biti na površini vode. Kukci s posebnim uređajima mogu se slobodno kretati po njemu.
7. Voda i njezina svojstva su nenormalna i jedinstvena. Po organoleptičkim karakteristikama ovaj spoj je bezbojna tekućina bez okusa i mirisa. Ono što nazivamo okusom vode su minerali otopljeni u njemu i druge komponente.
8. Provodljivost vodikovog oksida u tekućem stanju ovisi o tome koliko i koje soli su otopljene u njemu. Destilirana voda ne sadrži nečistoće električna struja ne drži.

Led je posebno stanje vode. U strukturi tog stanja, njegove molekule su međusobno povezane vodikovim vezama i tvore prekrasnu kristalnu rešetku. No, to je prilično nestabilan i lako može puknuti, rastopiti, to jest, deformirati. Između molekula su sačuvane mnoge šupljine, čije dimenzije prelaze veličinu samih čestica. Zbog toga je gustoća leda manja od gustoće tekućeg vodikovog oksida.

To je od velike važnosti za rijeke, jezera i druga slatkovodna tijela. Doista, u zimskom razdoblju voda u njima se ne zamrzava u potpunosti, već se samo prekriva gustom koricom svjetlijeg leda koja se penje. Da to svojstvo nije bilo karakteristično za kruto stanje vodikovog oksida, rezervoari bi se zamrznuli. Život pod vodom bio bi nemoguć.

Osim toga, čvrsto stanje vode od velike je važnosti kao izvor velike količine svježe pitke vode. To su glečeri.

Posebno svojstvo vode može se nazvati fenomenom trostruke točke. To je stanje u kojem led, para i tekućina mogu postojati istovremeno. To zahtijeva uvjete kao što su:

• visoki tlak - 610 Pa;
• temperatura 0,01 ° C.

Indeks transparentnosti vode varira ovisno o nečistoćama. Tekućina može biti potpuno prozirna, opalescentna, mutna. Valovi žute i crvene boje apsorbiraju se, a ljubičaste zrake prodiru duboko.

Kemijska svojstva

Voda i njezina svojstva važan su alat u razumijevanju mnogih životnih procesa. Stoga se one vrlo dobro proučavaju. Dakle, hidrokemija je zainteresirana za vodu i njezina kemijska svojstva. Među njima su sljedeći:

1. Krutost. To je svojstvo koje se objašnjava prisutnošću soli kalcija i magnezija, njihovih iona u otopini. Podijeljena je na konstantu (soli navedenih metala: kloridi, sulfati, sulfiti, nitrati), privremeni (bikarbonati), koji se eliminira ključanjem. U Rusiji je voda omekšana prije uporabe kemijskim sredstvima za bolju kvalitetu.
2. Mineralizacija. Svojstvo temeljeno na dipolnom trenutku vodikovog oksida. Zahvaljujući svojoj prisutnosti, molekule su sposobne pričvrstiti na sebe mnoge druge tvari, ione i zadržati ih. Tako nastaju suradnici, klatrati i druga udruženja.
3. Redox svojstva. Kao univerzalno otapalo, katalizator, suradnik, voda je sposobna za interakciju s mnogim jednostavnim i složenim spojevima. Kod nekih djeluje kao oksidirajući agens, s drugima - obrnuto. Kako reagens za redukciju reagira s halogenima, solima, nekim manje aktivnim metalima, s mnogim organska tvar. Najnovije transformacije proučavaju organsku kemiju. Voda i njezina svojstva, osobito kemijska, pokazuju kako je svestrana i jedinstvena. Kao oksidacijsko sredstvo reagira s aktivnim metalima, nekim binarnim solima, mnogim organskim spojevima, ugljikom, metanom. Općenito, kemijske reakcije koje uključuju ovu tvar zahtijevaju odabir određenih uvjeta. Od njih će zavisiti ishod reakcije.
4. Biokemijska svojstva. Voda je sastavni dio svih biokemijskih procesa u tijelu, kao otapalo, katalizator i medij.
5. Interakcija s plinovima s nastankom klatrata. Redovita tekuća voda može apsorbirati čak i neaktivne kemijske plinove i smjestiti ih unutar šupljina između molekula unutarnje strukture. Takvi spojevi nazivaju se klatrati.
6. Kod mnogih metala, vodikov oksid tvori kristalne hidrate, u koje je ugrađen nepromijenjen. Na primjer, bakreni sulfat (CuS04 * 5H20), kao i uobičajeni hidrati (NaOH * H20 i drugi).
7. Za vodu su karakteristične reakcije spojevi u kojima nastaje stvaranje novih klasa tvari (kiselina, lužina, baza). Oni nisu redoks.
8. Elektroliza. Pod djelovanjem električne struje, molekula se raspada u složene plinove - vodik i kisik. Jedan od načina da ih dobijete u laboratoriju i industriju.

S točke gledišta Lewisove teorije, voda je slaba kiselina i slaba baza u isto vrijeme (amfoliti). To jest, možemo reći za neku vrstu amfoternih u kemijskim svojstvima.

Voda i njezina korisna svojstva za živa bića

Teško je precijeniti važnost koju vodikov oksid ima za sva živa bića. Napokon, voda je izvor života. Poznato je da bez nje osoba nije mogla živjeti tjedan dana. Voda, njezina svojstva i vrijednost jednostavno su kolosalni.

1. To je univerzalno, to jest, sposobno rastopiti organske i anorganske spojeve, otapalo koje djeluje u živim sustavima. Zbog toga je voda izvor i medij za protok svih katalitičkih biokemijskih transformacija, uz formiranje kompleksnih vitalnih kompleksnih spojeva.
2. Sposobnost stvaranja vodikovih veza čini ovu tvar univerzalnom u održavanju temperature bez promjene agregatnog stanja. Ako to nije bio slučaj, onda bi se pri najmanjem padu stupnjeva pretvorio u led unutar živih bića, uzrokujući smrt stanice.
3. Za ljude, voda je izvor svih osnovnih kućanskih dobara i potreba: kuhanje, pranje, čišćenje, kupanje, kupanje i plivanje i tako dalje.
4. Industrijska postrojenja (kemijska, tekstilna, strojarska, prehrambena, rafinerija nafte i dr.) Ne bi mogla obavljati svoj posao bez sudjelovanja vodikovog oksida.
5. Od davnina se smatralo da je voda izvor zdravlja. Koristi se i danas se koristi kao terapijska tvar.
6. Biljke ga koriste kao glavni izvor prehrane, zbog čega proizvode kisik - plin kroz koji život postoji na našem planetu.

Postoji još desetak razloga zašto je voda najraširenija, važna i neophodna tvar za sve žive i umjetno stvorene objekte. Donijeli smo samo najočitije, glavne.

Hidrološki ciklus vode

Drugim riječima, to je njegova cirkulacija u prirodi. Vrlo važan proces koji vam omogućuje da stalno napunite nestale zalihe vode. Kako ide?

Glavni sudionici su tri: podzemne vode (ili podzemne vode), površinske vode i oceani. Važna je i kondenzacija atmosfere i izrazita količina padalina. Također aktivni sudionici u procesu su biljke (uglavnom drveće) koje mogu apsorbirati veliku količinu vode dnevno.

Dakle, proces je sljedeći. Podzemne vode ispunjavaju podzemne kapilare i jata na površini i prema Svjetskom oceanu. Tada biljke apsorbiraju površinske vode i transportiraju se u okoliš. Isparavanje se događa i iz ogromnih područja oceana, mora, rijeka, jezera i drugih vodenih tijela. Nakon što uđe u atmosferu, što radi voda? Kondenzirao se i prosuo kao oborina (kiša, snijeg, tuča).

Da se ti procesi nisu dogodili, zalihe vode, osobito slatke vode, već bi se dugoročno iscrpile. Zato ljudi posvećuju veliku pažnju zaštiti i normalnom hidrološkom ciklusu.

Pojam teške vode

U prirodi, vodikov oksid postoji kao smjesa izotopologa. To je zbog činjenice da vodik tvori tri tipa izotopa: prout ¹ N, deuterij ² N, tricij ³ N. Kisik, pak, ne zaostaje i formira tri stabilna oblika: ¹⁶ O, ¹⁷ O, ¹⁸ O. to nije samo uobičajena propionska voda sastava H20 (1H i 16O), nego i deuterij i tritij.

U isto vrijeme, deuterij ( ² N) je stabilan u strukturi i obliku, koji je uključen u gotovo sve prirodne vode, ali u malim količinama. To se naziva teškim. Nešto se razlikuje od uobičajenog ili lakog za sve pokazatelje.

Teška voda i njezina svojstva karakterizira nekoliko točaka.

1. Kristalizira se pri temperaturi od 3,82 ° C.
2. Vrelište je opaženo na 101,42 ^° C.
3. Gustoća je 1.1059 g / cm3.
4. Kao otapalo nekoliko puta lošije od lake vode.
5. Ima kemijsku formulu D2O.

Kada se provode pokusi koji pokazuju učinak takve vode na žive sustave, utvrđeno je da u njoj mogu živjeti samo određene vrste bakterija. Trebalo je vremena da se kolonije prilagode i aklimatiziraju. No, prilagodivši se, potpuno su obnovili sve vitalne funkcije (reprodukciju, prehranu). Osim toga, čelik je vrlo otporan na zračenje. Pokusi na žabama i ribama nisu dali pozitivan rezultat.

Suvremena područja primjene deuterija i teške vode koja se njime stvara su atomska i nuklearna energija. U laboratorijskim uvjetima takva se voda može dobiti običnom elektrolizom - formira se kao nusprodukt. Sam deuterij nastaje ponovljenom destilacijom vodika u posebnim uređajima. Njegova primjena temelji se na sposobnosti usporavanja neutronske sinteze i protonskih reakcija. Upravo su izotopi teške vode i vodika osnova za stvaranje nuklearne i hidrogenske bombe.

Eksperimenti o korištenju deuterijske vode u malim količinama pokazali su da se ne zadržavaju dugo - potpuni zaključak je uočen nakon dva tjedna. Koristite ga kao izvor vlage za život je nemoguće, ali tehnička vrijednost je jednostavno ogromna.

Rastopiti vodu i njezinu primjenu

Osobine takve vode od davnina ljudi su definirali kao iscjeljivanje. Odavno je primijećeno da kada se snijeg otopi, životinje pokušavaju piti vodu iz formiranih lokvi. Kasnije je temeljito istražena njegova struktura i biološki učinci na ljudsko tijelo.

Rastopljena voda, njezini znakovi i svojstva nalaze se u sredini između normalnog svjetla i leda. Iznutra se ne formiraju samo molekulama, nego skupom skupova koje tvore kristali i plin. To jest, vodik i kisik su unutar šupljina između strukturnih dijelova kristala. Općenito, struktura otopljene vode slična je strukturi leda - struktura je sačuvana. Fizikalna svojstva takvog oksida vodika malo se razlikuju u usporedbi s uobičajenim. Međutim, biološki učinci na tijelo su izvrsni.

Kada se prva frakcija zamrzne, teži dio pretvara se u led - to su izotopi, soli i nečistoće deuterija. Stoga bi tu jezgru trebalo ukloniti. Ali ostalo je čista, strukturirana i zdrava voda. Kakav je učinak na tijelo? Znanstvenici Instituta za istraživanje u Donjecku imenovali su sljedeće vrste poboljšanja:

1. Ubrzanje procesa oporavka.
2. Jačanje imuniteta.
3. Kod djece se nakon udisanja s takvom vodom javlja oporavak i izlječenje prehlade, kašalj, rinitis i tako dalje.
4. Poboljšano disanje, laringealne i sluznice.
5. Opća dobrobit osobe, aktivnost se povećava.

Danas postoje brojni pristaše liječenja topljenom vodom, koji pišu svoje pozitivne kritike. Međutim, postoje znanstvenici, uključujući i liječnike, koji ne podržavaju ta gledišta. Vjeruju da takva voda neće biti štetna, ali ima malo koristi.

Elektroenergetika

Zašto se svojstva vode mogu promijeniti i oporaviti kada se kreću u različita agregatna stanja? Odgovor na ovo pitanje je sljedeći: ova veza ima vlastitu informativnu memoriju, koja bilježi sve promjene i dovodi do obnove strukture i svojstava u pravo vrijeme. Bioenergetsko polje kroz koje prolazi dio vode (ono koje dolazi iz svemira) nosi snažan naboj energije. Ovaj se uzorak često koristi u liječenju. Međutim, s medicinskog stajališta, ne svaka voda može imati blagotvoran učinak, uključujući informativnu.

Strukturirana voda - što je to?

To je takva voda, koja ima malo drukčiju strukturu molekula, položaj kristalnih rešetki (kao što se vidi u ledu), ali je još uvijek tekućina (otapanje se također odnosi na ovaj tip). U ovom slučaju, sastav vode i njezina svojstva nisu znanstveno različiti od onih koji su tipični za obični vodikov oksid. Stoga, strukturirana voda ne može imati tako širok terapeutski učinak, koji se pripisuje njenim ezoteričarima i zagovornicima alternativne medicine.