Властивості води та факти, які ви повинні знати

Вода є найпоширенішою молекулою на поверхні Землі та однією з найважливіших молекул для вивчення в хімії. Факти хімії води показують, чому це така неймовірна молекула.

Що таке вода?

Вода – хімічна сполука. Кожна молекула води, H ₂ O або HOH, складається з двох атомів водню, з’єднаних з одним атомом кисню .

Властивості води

Є кілька важливих властивостей води, які відрізняють її від інших молекул і роблять її ключовою сполукою для життя:

• Когезія є ключовою властивістю води. Через полярність молекул молекули води притягуються одна до одної. Між сусідніми молекулами утворюються водневі зв’язки . Завдяки своїй когезійності вода залишається рідиною за нормальних температур, а не випаровується в газ. Когезія також призводить до високого поверхневого натягу. Прикладом поверхневого натягу є наплив води на поверхні та здатність комах ходити по рідкій воді, не занурюючись.
• Адгезія — ще одна властивість води. Адгезивність — це показник здатності води притягувати інші типи молекул. Вода прилипає до молекул, здатних утворювати з нею водневі зв’язки. Адгезія та когезія призводять до капілярної дії , яка спостерігається, коли вода піднімається угору по вузькій скляній трубці або в стеблах рослин.
• Висока питома теплоємність і висока теплота пароутворення означають, що для розриву водневих зв’язків між молекулами води потрібно багато енергії. Завдяки цьому вода стійка до різких перепадів температури. Це важливо для погоди, а також для виживання видів. Висока теплота пароутворення означає, що випаровування води має значний ефект охолодження. Багато тварин використовують піт, щоб зберегти прохолоду, користуючись цим ефектом.
• Вода – полярна молекула. Кожна молекула зігнута з негативно зарядженим киснем з одного боку та парою позитивно заряджених молекул водню з іншого боку молекули.
• Вода є єдиною загальноприйнятою сполукою, яка існує у твердій, рідкій та газовій фазах у звичайних природних умовах.
• Вода амфотерна , що означає, що вона може діяти як як кислота, так і як основа. При самоіонізації води утворюються іони Н + і ОН – .
• Лід менш щільний, ніж рідка вода. Для більшості матеріалів тверда фаза щільніша за рідку. За меншу щільність льоду відповідають водневі зв’язки між молекулами води. Важливим наслідком є ​​те, що озера та річки замерзають зверху вниз, а на воді плаває лід.
• Чиста рідка вода кімнатної температури не має запаху, смаку та майже безбарвна. Вода має слабкий блакитний колір, який стає більш помітним у великих об’ємах води.
• Вода має другу за величиною ентальпію плавлення серед усіх речовин (після аміаку). Питома ентальпія плавлення води становить 333,55 кДж·кг−1 при 0 °C.
• Вода займає друге місце за питомою теплоємністю з усіх відомих речовин. Найбільшу питому теплоємність має аміак. Вода також має високу теплоту пароутворення (40,65 кДж·моль−1). Висока питома теплоємність і теплота пароутворення є результатом високого ступеня водневих зв’язків між молекулами води. Одним із наслідків цього є те, що вода не піддається різким коливанням температури. На Землі це допомагає запобігти різким змінам клімату.
• Воду можна назвати універсальним розчинником, оскільки вона здатна розчиняти багато різних речовин.

Цікаві факти про воду

• Інші назви води – дигідроген монооксид , оксидан, гідроксильна кислота та гідроген гідроксид.
• Молекулярна формула води Н ₂ О
• Молярна маса: 18,01528(33) г/моль
• Щільність : 1000 кг/м 3 , рідкий (4 °C) або 917 кг/м 3 , твердий
• Температура плавлення: 0 °C, 32 °F (273,15 K)
• Точка кипіння: 100 °C, 212 °F (373,15 K)
• Кислотність (pKa): 15,74
• Основність (pKb): 15,74
• Показник заломлення: (nD) 1,3330
• В’язкість : 0,001 Па с при 20 °C
• Кристалічна структура: гексагональна
• Молекулярна форма: зігнута

Чому вода є полярною молекулою?

Вода є полярною молекулою, а також діє як полярний розчинник. Коли хімічний вид називають «полярним», це означає, що позитивні та негативні електричні заряди розподілені нерівномірно. Позитивний заряд походить від атомного ядра, тоді як електрони забезпечують негативний заряд. Саме рух електронів визначає полярність. Ось як це працює для води.

Чому вода є полярною молекулою

• Вода є полярною, тому що має зігнуту геометрію, яка розміщує позитивно заряджені атоми водню з одного боку молекули, а негативно заряджені атоми кисню — з іншого боку молекули.
• Результатом є частковий диполь, де атоми водню мають частково позитивний заряд, а атом кисню має частково негативний заряд.
• Причина, по якій вода викривлена, полягає в тому, що атом кисню все ще має дві неподілені пари електронів після зв’язку з воднем. Ці електрони відштовхуються один від одного, згинаючи зв’язок ОН від лінійного кута.

Полярність молекули води

Вода ( H ₂ O ) є полярною через зігнуту форму молекули. Форма означає, що більша частина негативного заряду від кисню знаходиться на стороні молекули, а позитивний заряд атомів водню знаходиться на іншій стороні молекули. Це приклад полярного ковалентного хімічного зв’язку . Коли розчинені речовини додаються до води, на них може вплинути розподіл заряду.

Причина, чому форма молекули не є лінійною та неполярною (наприклад, як CO ₂ ), полягає в різниці в електронегативності між воднем і киснем. Значення електронегативності водню становить 2,1, а електронегативність кисню — 3,5. Чим менша різниця між значеннями електронегативності, тим імовірніше, що атоми утворять ковалентний зв’язок. Велика різниця між значеннями електронегативності спостерігається в іонних зв’язках. За звичайних умов і водень, і кисень діють як неметали, але кисень трохи більш електронегативний, ніж водень, тому два атоми утворюють ковалентний хімічний зв’язок, але він полярний.

Сильно електронегативний атом кисню притягує до себе електрони або негативний заряд, роблячи область навколо кисню більш негативною, ніж області навколо двох атомів водню. Електрично позитивні частини молекули (атоми водню) відхиляються від двох заповнених орбіталей кисню. По суті, обидва атоми водню притягуються до однієї сторони атома кисню, але вони розташовані настільки далеко один від одного, наскільки це можливо, оскільки обидва атоми водню несуть позитивний заряд. Зігнута конформація – це баланс між притяганням і відштовхуванням.

Пам’ятайте, що хоча ковалентний зв’язок між воднем і киснем у воді є полярним, молекула води в цілому є електрично нейтральною молекулою. Кожна молекула води має 10 протонів і 10 електронів із сумарним зарядом 0.

Чому вода є полярним розчинником

Форма кожної молекули води впливає на те, як вона взаємодіє з іншими молекулами води та іншими речовинами. Вода діє як полярний розчинник , оскільки вона може притягуватися до позитивного або негативного електричного заряду розчиненої речовини. Невеликий негативний заряд поблизу атома кисню притягує найближчі атоми водню з води або позитивно заряджених областей інших молекул. Злегка позитивна воднева сторона кожної молекули води притягує інші атоми кисню та негативно заряджені області інших молекул. Водневий зв’язок між воднем однієї молекули води та киснем іншої утримує воду разом і надає їй цікавих властивостей, але водневі зв’язки не такі міцні, як ковалентні зв’язки. У той час як молекули води притягуються одна до одної за допомогою водневих зв’язків, приблизно 20% з них вільні в будь-який момент часу для взаємодії з іншими хімічними сполуками. Ця взаємодія називається гідратацією або розчиненням.

Джерела

• Аткінс, Пітер; де Паула, Хуліо (2006). Фізична хімія (8-е вид.). В. Х. Фрімен. ISBN 0-7167-8759-8.
• Батіста, Енріке Р.; Ксантеас, Сотиріс С.; Йонссон, Ханнес (1998). «Молекулярні мультипольні моменти молекул води в льоду Ih». Журнал хімічної фізики . 109 (11): 4546–4551. doi:10.1063/1.477058.
• Клаф, Шепард А.; Бірс, Ярдлі; Кляйн, Джеральд П.; Ротман, Лоуренс С. (1973). “Дипольний момент води з вимірювань Штарка H2O, HDO та D2O”. Журнал хімічної фізики . 59 (5): 2254–2259. doi:10.1063/1.1680328
• Губська Ганна В.; Кусалик, Петро Григорович (2002). «Загальний молекулярний дипольний момент для рідкої води». Журнал хімічної фізики . 117 (11): 5290–5302. doi:10.1063/1.1501122.
• Полінг, Л. (1960). Природа хімічного зв’язку (3-е вид.). Oxford University Press. ISBN 0801403332.