Lima molekul air. Ensiklopedia bagus tentang minyak dan gas

Air adalah bagian dari semua organ dan jaringannya: di jantung, paru-paru, ginjal sekitar 80%, di darah - 83%, di tulang - 30%, di email gigi - 0,3%, dalam cairan biologis tubuh - 95 - 99

Halaman 1 Lima molekul air terletak di antara molekul-molekul besar ini ion negatif

Ikatan hidrogen dari molekul air kelima yang tidak terkoordinasi dengan atom oksigen dari empat molekul H3O yang terkoordinasi dan ion SO2 - dalam kristal CuSO4 - 5H2O.  

Meskipun terdapat lima molekul air untuk setiap atom Cu, hanya empat molekul yang terkoordinasi.   Mekanisme penangkapan-eliminasi melibatkan keadaan transisi

lima molekul air dalam cangkang hidrasi.   Tetrahedra (Gbr. 1.4, a), mengandung lima molekul air, dihubungkan lapis demi lapis ke tetrahedra serupa lainnya sudut yang sama

, dan dengan lapisan yang terletak di atas - simpul, membentuk struktur es heksagonal yang relatif berpori.  

Jadi, untuk satu ion H2O primer yang terbentuk, terdapat lima molekul air yang terurai. Hukum kekekalan energi tidak dilanggar, karena potensial ionisasi molekul H2O adalah 13 V, dan penguraian lima molekul H2O memerlukan energi sekitar 5X2 5 12 5 eV.  

Dalam hidrat ini logam memilikinya nomor koordinasi 6, dan meskipun hanya ada lima molekul air per kation, molekul kelima tidak berasosiasi dengannya.  

Dari uap air hidrasi yang digabungkan dengan barium silikat dalam bentuk heksahidrat kristal hidrat (BaSiO3 - 6H2O), bila dipanaskan hingga suhu 120, hanya lima molekul air yang menguap, molekul terakhir dihilangkan pada suhu lebih banyak. suhu tinggi, dalam kasus kami, ketika massa dipanaskan hingga 400 in perangkat kontak. Kembali ke persoalan penghapusan minuman keras induk, berdasarkan jabatan titik kritis pada kurva kecepatan pengeringan, diharapkan bahwa di bawah pengepresan, massa hanya dapat diperas hingga kadar air akhir 25 - 30%, yang dikonfirmasi oleh praktik. Kehadiran uap air yang terikat secara mekanis dalam jumlah yang relatif lebih kecil daripada uap air yang teradsorpsi menjelaskan fakta bahwa uang receh dalam kadar air massa mengarah ke perubahan mendadak struktur berpori. Jadi, dengan meningkatkan suhu di dalam pengering, proses pengeringan dapat ditingkatkan secara signifikan.  

Dalam hal ini, lihat juga karya Wille yang berdasarkan pengukuran bilangan transpor di air murni dan larutan amonia tembaga(II) menyimpulkan bahwa ion tembaga(II) di larutan berair mengikat lima molekul air.  

Kristalisasi besi sulfat berlangsung lambat dan pelepasan kristal terkadang berlanjut selama dua atau tiga hari. Pada suhu 98 C hidrat ini kehilangan lima molekul air, pada suhu 125 C dalam 6 jam - delapan molekul; pada 175 C garam anhidrat diperoleh. Ini higroskopis dan berdifusi di udara.  

Kristalisasi besi (III) sulfat berlangsung lambat, dan pengendapan kristal terkadang berlanjut selama dua atau tiga hari. Pada suhu 98 C hidrat ini kehilangan lima molekul air, pada suhu 125 C dalam 6 jam - delapan molekul; pada 175 C garam anhidrat diperoleh. Ini higroskopis dan secara bertahap larut di udara. Besi sulfat Fe2 (S04) 2 berbentuk bubuk kristal berwarna kuning kotor.  

Air adalah komponen utama dari semua kehidupan di bumi. Ini adalah habitat organisme dan elemen utama dalam strukturnya, dan akibatnya, sumber kehidupan. Ini digunakan di semua bidang industri. Oleh karena itu, sangat sulit membayangkan kehidupan tanpa air.

Apa yang termasuk dalam air

Semua orang tahu betul bahwa air terdiri dari hidrogen dan oksigen. Ini benar. Namun selain kedua unsur tersebut, air juga mengandung banyak sekali komponen kimia.

Air terdiri dari apa?

Ia cenderung berubah, melalui siklus hidrologi: penguapan, kondensasi dan presipitasi. Selama fenomena ini, air bersentuhan dengan banyak senyawa organik, logam, gas, akibatnya cairan tersebut ditambah dengan berbagai elemen.

Unsur-unsur penyusun air dibagi menjadi 6 kategori:

1. Ion. Antara lain: kation Na, K, Mg, Ca, anion: Cl, HCO 3 dan SO 4. Komponen-komponen tersebut terdapat dalam air dalam jumlah yang paling banyak dibandingkan dengan yang lain. Mereka memasukkan cairan dari lapisan tanah, mineral alam, batuan, serta sebagai unsur pengurai hasil industri.
2. Gas terlarut: oksigen, nitrogen, hidrogen sulfida, karbon dioksida dan lain-lain. Jumlah masing-masing gas dalam air secara langsung bergantung pada suhunya.
3. Unsur biogenik. Yang utama adalah fosfor dan nitrogen, yang masuk ke dalam cairan dari curah hujan, air limbah, dan air pertanian.
4. elemen mikro. Ada sekitar 30 spesies. Indikatornya dalam komposisi air sangat kecil dan berkisar antara 0,1 hingga mikrogram per 1 liter. Ini termasuk: brom, selenium, tembaga, seng, dll.
5. Zat organik yang terlarut dalam air dan zat yang mengandung nitrogen. Ini adalah alkohol, karbohidrat, aldehida, fenol, peptida, dll.
6. Racun. Ini pada dasarnya logam berat dan produk minyak bumi.

Molekul air

Jadi, air terdiri dari molekul apa?

Rumus air sepele - H 2 O. Dan ini menunjukkan bahwa molekul air terdiri dari atom hidrogen dan oksigen. Koneksi yang stabil telah terjalin di antara mereka.

Seperti apa rupa molekul air di luar angkasa? Untuk menentukan bentuk suatu molekul, pusat-pusat atom dihubungkan dengan garis lurus sehingga timbul penampakan angka volumetrik- tetrahedron. Ini adalah struktur air.

Bentuk molekul air dapat berubah tergantung pada keadaan agregasinya. Untuk keadaan gas sudut karakteristik antara atom oksigen dan hidrogen adalah 104,27 o, misalnya keadaan padat- 109,5 o, untuk cairan - 105,03 o.

Molekul-molekul penyusun air menempati volume tertentu di ruang angkasa, sedangkan cangkangnya ditutupi awan elektron berbentuk selubung. Kemunculan molekul air jika dilihat dari bidang datar dibandingkan dengan kromosom berbentuk X yang berfungsi untuk transmisi informasi genetik, dan, oleh karena itu, memberikan awal dari kehidupan baru. Dari bentuk ini diambil analogi antara kromosom dan air sebagai sumber kehidupan.

Di ruang angkasa, molekul tampak seperti segitiga tiga dimensi, tetrahedron. Bentuk ini sangat stabil dan berubah hanya karena pengaruh faktor fisik luar terhadap air.

Air terdiri dari apa? Dari atom-atom yang dipengaruhi gaya van der Waals, terbentuklah ikatan hidrogen. Dalam hal ini, asosiasi dan kelompok acak terbentuk antara oksigen dan hidrogen dari molekul tetangga. Yang pertama adalah struktur yang tidak teratur, yang kedua adalah asosiasi yang teratur.

Dalam keadaan air biasa, jumlah asosiasi adalah 60%, cluster - 40%.

Pembentukan jembatan hidrogen dimungkinkan antara molekul air yang berdekatan, yang berkontribusi pada pembentukannya berbagai struktur- cluster.

Cluster dapat berinteraksi satu sama lain melalui ikatan hidrogen, dan ini mengarah pada munculnya struktur tatanan baru - hexahedron.

Struktur elektronik molekul air

Atom adalah bahan penyusun air, dan setiap atom memiliki struktur elektronik yang berbeda. Jadi, rumus grafis level elektronik terlihat seperti ini: 8 O 1s 2 2s 2 2p 4, 1 H 1s 1.

Ketika proses pembentukan molekul air terjadi, terjadi tumpang tindih awan elektron: dua elektron oksigen yang tidak berpasangan tumpang tindih dengan 1 elektron hidrogen yang tidak berpasangan. Akibat tumpang tindih, terbentuk sudut 104 derajat antar atom.

Keadaan fisik air

Seperti telah disebutkan, molekul air adalah dipol, dan fakta ini mempengaruhi yang tidak biasa Salah satu sifat ini adalah bahwa air dapat berada di alam dalam tiga keadaan agregasi: cair, padat dan uap.

Peralihan dari satu keadaan ke keadaan lain terjadi karena proses-proses berikut:

1. Mendidih - dari cair menjadi uap.
2. Kondensasi adalah peralihan uapnya menjadi cair (presipitasi).
3. Kristalisasi adalah ketika cairan berubah menjadi es.
4. Mencair adalah proses mencairnya es dan menghasilkan cairan.
5. Sublimasi adalah transformasi es menjadi uap.
6. Desublimasi adalah reaksi kebalikan dari sublimasi, yaitu peralihan uap menjadi es.

Struktur kisi molekulnya juga bergantung pada keadaan air.

Kesimpulan

Jadi, kita dapat mengatakan bahwa air adalah struktur sederhana, yang mungkin berbeda-beda tergantung kondisinya. Dan menjadi jelas bagi kita apa saja molekul air.

Air adalah zat yang paling umum dan paling umum dalam kehidupan kita. Tubuh manusia terdiri dari 70% air, dan lingkungan di sekitar kita lingkungan alami juga mengandung 70% air.

Dari buku pelajaran sekolah kita tahu bahwa molekul air terdiri dari satu atom oksigen dan dua atom hidrogen, yaitu. salah satu molekul terkecil dan teringan. Meskipun sifat-sifat air yang terus-menerus kita gunakan adalah hal yang lumrah dan jelas bagi kita, terdapat paradoks air cair yang bahkan menentukan bentuk kehidupan di Bumi.

Air cair punya kepadatan yang lebih tinggi daripada kepadatan es. Oleh karena itu, ketika dibekukan, volume es bertambah dan es mengapung di permukaan air.

Massa jenis air maksimum pada 4 o C, dan bukan pada titik lelehnya, ia berkurang ke kanan dan ke kiri suhu ini.

Viskositas air berkurang dengan meningkatnya tekanan.

Titik didih air tidak bergantung pada ketergantungan umum titik didih pada air berat molekul zat (Gbr. 1.1). Jika tidak, suhunya tidak boleh lebih tinggi dari 60 o C.

Kapasitas panas air setidaknya dua kali lipat kapasitas panas cairan lainnya.

Panas penguapan (~2250 kJ/kg) setidaknya tiga kali lebih tinggi dibandingkan cairan lainnya, 8 kali lebih besar dibandingkan etanol.

Mari kita pertimbangkan sifat air yang terakhir ini. Panas penguapan adalah energi yang dibutuhkan untuk memutus ikatan antar molekul ketika berpindah dari fase terkondensasi ke fase gas. Ini berarti bahwa alasan dari semua sifat paradoks ini terletak pada sifat ikatan antarmolekul air, dan ini, pada gilirannya, ditentukan oleh struktur molekul air.

Gambar.1.1. Kisaran hubungan antara berat molekul berbagai senyawa dan titik didihnya.

1. Molekul air macam apa itu?

Pada tahun 1780 Lavoisier secara eksperimental menetapkan bahwa air terdiri dari oksigen dan hidrogen, bahwa dua volume hidrogen berinteraksi dengan satu volume oksigen, dan rasio massa hidrogen dan oksigen dalam air adalah 2:16. Pada tahun 1840 menjadi jelas bahwa rumus molekul air adalah H2O.

Tiga inti molekul membentuk segitiga sama kaki dengan dua proton di dasarnya (Gbr. 1.2). Rumus elektronik molekul air [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].

Gambar.1.2.Pembentukan sistem penghubung m.o. dari orbital 2p atom oksigen dan 1S-orbital atom oksigen dan 1S-orbital atom hidrogen.

Karena partisipasi dua elektron hidrogen 1s dalam hubungannya dengan dua elektron oksigen 2p, terjadi hibridisasi sp dan terbentuk orbital hibrid sp 3 dengan sudut karakteristik antara keduanya 104,5 o, serta dua kutub yang muatannya berlawanan. Panjang koneksi ON adalah 0,95Å (0,095 nm), jarak antar proton adalah 1,54Å (0,154 nm). Gambar 1.3 menunjukkan model elektronik molekul air.

Gambar 1.3. model elektronik molekul H 2 TENTANG.

Delapan elektron berputar berpasangan dalam empat orbital yang terletak pada tiga bidang (sudut 90 HAI ), pas menjadi kubus. 1, 2 – pasangan elektron bebas.

Konsekuensi paling penting dari pertimbangan ini: asimetri distribusi muatan mengubah molekul H 2 O menjadi dipol: proton terletak di dua ujung positif, dan pasangan elektron bebas oksigen p terletak di dua ujung negatif.

Jadi, molekul air dapat dianggap sebagai piramida segitiga - tetrahedron, di sudut-sudutnya terdapat empat muatan - dua positif dan dua negatif.

Muatan-muatan ini membentuk lingkungan terdekatnya, mengubah molekul-molekul air di sekitarnya dengan cara yang ditentukan secara ketat - sehingga di antara dua atom oksigen selalu hanya ada satu atom hidrogen. Cara termudah untuk membayangkan dan mempelajari struktur antarmolekul adalah dengan menggunakan air dalam keadaan padat. Gambar 1.4 menunjukkan struktur es.

Beras. 1.4. Struktur es heksagonal

Strukturnya disatukan oleh ikatan O-H...O. Koneksi dua atom oksigen dari molekul air yang berdekatan melalui mediasi satu atom hidrogen disebut ikatan hidrogen.

Ikatan hidrogen terjadi karena alasan berikut:

1 – proton hanya memiliki satu elektron, sehingga tolakan elektronik dua atom minimal. Proton langsung masuk ke dalam kulit elektron atom tetangga, mengurangi jarak antar atom sebesar 20-30% (hingga 1 Å);

2 – atom tetangga harus memiliki nilai elektronegativitas yang lebih tinggi. Dalam nilai konvensional (menurut Pauling) keelektronegatifan F– 4.0; HAI – 3,5; N – 3,0;

Sebuah molekul air dapat memiliki empat ikatan hidrogen, dua ikatan tersebut bertindak sebagai donor elektron, dan dua ikatan lainnya bertindak sebagai akseptor elektron. Dan ikatan ini dapat timbul baik dengan molekul air di sekitarnya maupun dengan zat lain.

Jadi, momen dipol, sudut TIDAK dan ikatan hidrogen O-H...O menentukan sifat unik air dan memainkan peran utama dalam membentuk dunia di sekitar kita.

Hal utama dalam molekul air aktor adalah atom oksigen.

Karena atom hidrogen terlihat saling tolak menolak, sudut antara ikatan kimia (garis yang menghubungkan inti atom) hidrogen - oksigen tidak lurus (90°), tetapi sedikit lebih besar - 104,5°.

Ikatan kimia dalam molekul air bersifat polar, karena oksigen menarik elektron bermuatan negatif, dan hidrogen menarik elektron bermuatan positif. Akibatnya, kelebihan muatan negatif terakumulasi di dekat atom oksigen, dan muatan positif terakumulasi di dekat atom hidrogen.

Oleh karena itu, seluruh molekul air adalah dipol, yaitu molekul dengan dua kutub yang berlawanan. Struktur dipol molekul air sangat menentukan sifat-sifatnya yang tidak biasa.

Molekul air bersifat diamagnetik.

Jika kita menghubungkan episentrum positif dan muatan negatif itu akan menjadi banyak sosok geometris- tetrahedron. Ini adalah struktur molekul air itu sendiri.

Ketika keadaan molekul air berubah, panjang sisi dan sudut antara keduanya berubah dalam tetrahedron.

Misalnya, jika suatu molekul air dalam wujud uap, maka sudut yang dibentuk oleh sisi-sisinya adalah 104°27". Dalam wujud air, sudutnya adalah 105°03". Dan dalam kondisi es sudutnya adalah 109,5°.

Geometri dan dimensi molekul air untuk berbagai kondisi
a - untuk keadaan uap
b - untuk tingkat getaran terendah
c - untuk tingkat yang mendekati pembentukan kristal es, ketika geometri molekul air sesuai dengan geometri dua segitiga Mesir dengan rasio aspek 3:4:5
g - untuk kondisi es.

Jika kita membagi sudut-sudut ini menjadi dua, kita mendapatkan sudut-sudutnya:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

Artinya di antara pola geometris molekul air dan es ada yang terkenal segitiga Mesir, yang konstruksinya didasarkan pada hubungan proporsi emas - panjang sisi-sisinya dihubungkan sebagai 3:4:5 dengan sudut 53°08".

Molekul air memperoleh struktur rasio emas saat air berubah menjadi es, dan sebaliknya saat es mencair. Jelasnya, air lelehan dihargai karena kondisi ini, ketika struktur konstruksinya memiliki proporsi bagian emas.

Sekarang menjadi jelas bahwa segitiga Mesir yang terkenal dengan rasio aspek 3:4:5 “diambil” dari salah satu wujud molekul air. Geometri molekul air dibentuk oleh dua orang Mesir segitiga siku-siku, memiliki kaki yang sama sama dengan 3.

Molekul air, berdasarkan rasio emas, merupakan manifestasi fisik Sifat Ilahi yang berpartisipasi dalam penciptaan kehidupan. Itu sebabnya di alam duniawi terletak keselarasan yang melekat pada seluruh kosmos.

Oleh karena itu, orang Mesir kuno mendewakan angka 3, 4, 5, dan menganggap segitiga itu sendiri suci dan mencoba memasukkan sifat-sifatnya, keselarasannya ke dalam setiap struktur, rumah, piramida, dan bahkan dalam penandaan ladang. Omong-omong, gubuk Ukraina juga dibangun menggunakan rasio emas.

Di ruang angkasa, molekul air menempati volume tertentu dan tertutup cangkang elektronik dalam bentuk kerudung. Jika kita membayangkan model hipotetis suatu molekul dalam suatu bidang, maka bentuknya seperti sayap kupu-kupu, seperti kromosom berbentuk X yang di dalamnya tertulis program kehidupan makhluk hidup. Dan ini merupakan fakta indikatif bahwa air itu sendiri elemen yang dibutuhkan semua makhluk hidup.

Jika kita membayangkan penampakan model hipotetis molekul air berdasarkan volume, maka model tersebut berbentuk piramida segitiga, yang memiliki 4 sisi, dan setiap sisi memiliki 3 sisi. Dalam geometri piramida segitiga disebut tetrahedron. Struktur ini merupakan karakteristik kristal.

Dengan demikian, molekul air membentuk struktur sudut yang kuat, yang dipertahankannya meskipun dalam keadaan uap, hampir menjadi es, dan ketika berubah menjadi es.

Jika “kerangka” molekul air sangat stabil, maka “piramida” energinya - tetrahedron - juga tidak tergoyahkan.

Seperti sifat struktural molekul air di kondisi yang berbeda dijelaskan oleh ikatan kuat antara dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Ikatan ini kira-kira 25 kali lebih kuat dari ikatan antar molekul air yang bertetangga. Oleh karena itu, lebih mudah untuk memisahkan satu molekul air dari yang lain, misalnya dengan pemanasan, daripada menghancurkan molekul air itu sendiri.

Karena interaksi orientasi, induktif, dispersi (gaya van der Waals) dan ikatan hidrogen antara atom hidrogen dan oksigen dari molekul tetangga, molekul air dapat terbentuk sebagai asosiasi acak, yaitu. tidak memiliki struktur yang teratur, dan cluster adalah asosiasi yang memiliki struktur tertentu.

Menurut statistik, dalam air biasa terdapat asosiasi acak - 60% (air terdestruktur) dan cluster - 40% (air terstruktur).

Sebagai hasil penelitian yang dilakukan oleh ilmuwan Rusia S.V. Zenin, ditemukan gugusan air yang stabil dan berumur panjang.

Zenin menemukan bahwa molekul air awalnya membentuk dodecahedron. Empat dodecahedron bergabung membentuk elemen struktural utama air - sebuah cluster yang terdiri dari 57 molekul air.

Dalam sebuah cluster, dodecahedron memiliki wajah yang sama, dan pusatnya terbentuk tetrahedron biasa. Ini adalah senyawa volumetrik molekul air, termasuk heksamer, yang memiliki kutub positif dan negatif.

Jembatan hidrogen memungkinkan molekul air untuk bergabung bersama cara yang berbeda. Oleh karena itu, terdapat variasi cluster yang tak terbatas di dalam air.

Cluster dapat berinteraksi satu sama lain karena ikatan hidrogen bebas, yang mengarah pada munculnya struktur orde kedua dalam bentuk heksahedron. Mereka terdiri dari 912 molekul air, yang praktis tidak mampu berinteraksi. Umur struktur seperti itu sangat panjang.

Struktur ini, mirip dengan kristal es kecil yang tajam dengan 6 sisi belah ketupat, diciptakan oleh S.V. Zenin menyebutnya sebagai “elemen struktural utama air.” Sejumlah percobaan telah mengkonfirmasi bahwa terdapat banyak sekali kristal semacam itu di dalam air.

Kristal es ini sulit berinteraksi satu sama lain, oleh karena itu mereka tidak membentuk struktur stabil yang lebih kompleks dan dengan mudah menggeser permukaannya relatif satu sama lain, sehingga menciptakan fluiditas. Dalam pengertian ini, air menyerupai larutan superdingin yang tidak dapat mengkristal.