5 vandens molekulės. Puiki naftos ir dujų enciklopedija

Vanduo yra labiausiai paplitusi ir labiausiai paplitusi medžiaga mūsų gyvenime. Žmogaus kūną sudaro 70% vandens ir mus supančios aplinkos natūrali aplinka taip pat yra 70% vandens.

Nuo mokykliniai vadovėliaižinome, kad vandens molekulė susideda iš deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų, t.y. viena iš mažiausių ir lengviausių molekulių. Nors nuolat naudojamos vandens savybės mums yra įprastos ir akivaizdžios, esama skysto vandens paradoksų, nulemiančių net gyvybės formas Žemėje.

Skystas vanduo turi didesnis tankis nei ledo tankis. Todėl užšalus didėja ledo tūris ir ledas plūduriuoja vandens paviršiuje.

Vandens tankis didžiausias esant 4 o C, o ne lydymosi taške mažėja tiek į dešinę, tiek į kairę nuo šios temperatūros.

Vandens klampumas mažėja didėjant slėgiui.

Vandens virimo temperatūra nepriklauso nuo bendros virimo temperatūros priklausomybės nuo molekulinė masė medžiagų (1.1 pav.). Priešingu atveju jis neturėtų būti aukštesnis nei 60 o C.

Vandens šiluminė talpa yra bent du kartus didesnė nei bet kurio kito skysčio.

Garavimo šiluma (~2250 kJ/kg) yra bent tris kartus didesnė nei bet kurio kito skysčio, 8 kartus didesnė nei etanolio.

Panagrinėkime šią paskutinę vandens savybę. Garavimo šiluma yra energija, reikalinga ryšiams tarp molekulių nutraukti, kai jos pereina iš kondensuotos fazės į dujinę. Tai reiškia, kad visų paradoksalių savybių priežastis yra tarpmolekulinių vandens ryšių prigimtis, o tai, savo ruožtu, lemia vandens molekulės struktūra.

1.1 pav. Įvairių junginių molekulinių masių ir jų virimo taškų sąsajų diapazonas.

1. Kokia tai vandens molekulė?

1780 metais Lavoisier eksperimentiškai nustatė, kad vanduo susideda iš deguonies ir vandenilio, kad du vandenilio tūriai sąveikauja su vienu tūriu deguonies ir kad vandenilio ir deguonies masės santykis vandenyje yra 2:16. Iki 1840 m. tapo aišku, kad vandens molekulinė formulė yra H2O.

Trys molekulės branduoliai sudaro lygiašonį trikampį, kurio pagrinde yra du protonai (1.2 pav.). Elektroninė formulė vandens molekulės [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].

1.2 pav.Sujungimo sistemos formavimas m.o. iš deguonies atomo 2p-orbitalių ir 1s-deguonies atomo orbitalės ir 1s-vandenilio atomų orbitalės.

Dėl dviejų vandenilio 1s elektronų dalyvavimo jungtyje su dviem deguonies 2p elektronais, atsiranda sp hibridizacija ir susidaro hibridinės sp 3 orbitos, kurių būdingas kampas tarp jų yra 104,5 o, taip pat du priešingų krūvių poliai. Ilgis O-N jungtys yra 0,95Å (0,095 nm), atstumas tarp protonų yra 1,54Å (0,154 nm). 1.3 paveiksle parodytas elektroninis vandens molekulės modelis.

1.3 pav. Elektroninis H molekulės modelis 2 APIE.

Aštuoni elektronai sukasi poromis keturiose orbitose, esančiose trijose plokštumose (kampai 90 O ), telpantis į kubą. 1, 2 – pavienės elektronų poros.

Svarbiausia šio svarstymo pasekmė: krūvio pasiskirstymo asimetrija paverčia H 2 O molekulę dipoliu: dviejuose teigiamuose galuose išsidėstę protonai, o dviejuose neigiamuose – pavienės deguonies p-elektronų poros.

Taigi vandens molekulę galima laikyti trikampe piramidė – tetraedru, kurios kampuose yra keturi krūviai – du teigiami ir du neigiami.

Šie krūviai sudaro jų artimiausią aplinką, griežtai apibrėžtu būdu paversdami gretimas vandens molekules – taip, kad tarp dviejų deguonies atomų visada būtų tik vienas vandenilio atomas. Lengviausias būdas įsivaizduoti ir ištirti tokią tarpmolekulinę struktūrą yra ant vandens kietoje būsenoje. 1.4 paveiksle parodyta ledo struktūra.

Ryžiai. 1.4. Šešiakampė ledo struktūra

Struktūrą kartu laiko O-H...O ryšiai. Šis dviejų gretimų vandens molekulių deguonies atomų ryšys tarpininkaujant vienam vandenilio atomui vadinamas vandenilio ryšiu.

Vandenilio jungtis atsiranda dėl šių priežasčių:

1 – protonas turi tik vieną elektroną, todėl dviejų atomų elektroninis atstūmimas yra minimalus. Protonas tiesiog pasineria į gretimo atomo elektronų apvalkalą, sumažindamas atstumą tarp atomų 20-30% (iki 1 Å);

2 – gretimas atomas turi turėti didesnę elektronegatyvumo reikšmę. Įprastinėmis vertėmis (pagal Paulingą) elektronegatyvumas F– 4,0; O – 3,5; Cl – 3,0;

Vandens molekulė gali turėti keturias vandenilio jungtis, dviejose ji veikia kaip elektronų donorė, dviejose – kaip elektronų akceptorius. Ir šie ryšiai gali atsirasti tiek su kaimyninėmis vandens molekulėmis, tiek su kitomis medžiagomis.

Taigi, dipolio momentas, kampas N-O-N o O-H...O vandenilinis ryšys lemia unikalias vandens savybes ir atlieka svarbų vaidmenį formuojant mus supantį pasaulį.

Svarbiausia vandens molekulėje aktorius yra deguonies atomas.

Kadangi vandenilio atomai pastebimai atstumia vienas kitą, kampas tarp cheminių ryšių (linijų, jungiančių atomų branduolius) vandenilis – deguonis nėra tiesus (90°), o kiek didesnis – 104,5°.

Cheminiai ryšiai vandens molekulėje yra poliniai, nes deguonis pritraukia neigiamo krūvio elektronus, o vandenilis – teigiamai įkrautus elektronus. Dėl to deguonies perteklius kaupiasi šalia deguonies atomo. neigiamas krūvis, o vandenilio atomams jis yra teigiamas.

Todėl visa vandens molekulė yra dipolis, tai yra molekulė su dviem priešingais poliais. Vandens molekulės dipolio struktūra daugiausia lemia neįprastas jos savybes.

Vandens molekulė yra diamagnetinė.

Jei sujungsite teigiamų ir neigiamų krūvių epicentrus tiesiomis linijomis, gausite tūrinį rodiklį geometrinė figūra- tetraedras. Tokia yra pačios vandens molekulės struktūra.

Pasikeitus vandens molekulės būsenai, tetraedre keičiasi kraštinių ilgis ir kampas tarp jų.

Pavyzdžiui, jei vandens molekulė yra garų būsenoje, tada jos kraštų sudarytas kampas yra 104°27". Vandens būsenoje kampas yra 105°03". O esant ledui kampas yra 109,5°.

Vandens molekulės geometrija ir matmenys įvairios sąlygos
a - garų būsenai
b – žemiausiam vibracijos lygiui
c - lygiui, artimam ledo kristalo susidarymui, kai vandens molekulės geometrija atitinka dviejų Egipto trikampių, kurių kraštinių santykis yra 3:4:5, geometriją.
g - ledo būklei.

Jei šiuos kampus padalinsime per pusę, gausime kampus:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

Tai reiškia, kad tarp geometrinių vandens ir ledo molekulių raštų yra žinomas Egipto trikampis, kurio konstrukcija paremta auksinės proporcijos ryšiu - kraštinių ilgiai 3:4:5 su 53°08" kampu.

Vandens molekulė įgauna aukso santykio struktūrą pakeliui, kai vanduo virsta ledu, ir atvirkščiai, kai ledas tirpsta. Akivaizdu, kad tirpstantis vanduo vertinamas dėl šios būklės, kai jo struktūra statyboje turi aukso pjūvio proporcijas.

Dabar tampa aišku, kad garsusis Egipto trikampis, kurio kraštinių santykis yra 3:4:5, buvo „paimtas“ iš vienos iš vandens molekulės būsenų. Pačią vandens molekulės geometriją sudaro du egiptiečiai stačiųjų trikampių, turintys bendrą koją, lygią 3.

Vandens molekulė, pagrįsta aukso pjūviu, yra fizinė apraiška Dieviškoji Gamta kuri dalyvauja kuriant gyvybę. Štai kodėl į žemiškoji prigimtis slypi harmonija, būdinga visam kosmosui.

Ir todėl senovės egiptiečiai dievino skaičius 3, 4, 5, o patį trikampį laikė šventu ir stengėsi jo savybes, harmoniją įtraukti į bet kokią struktūrą, namus, piramides ir net laukų žymėjimą. Beje, naudojant aukso pjūvį buvo statomi ir ukrainietiški nameliai.

Erdvėje vandens molekulė užima tam tikrą tūrį ir yra uždengta elektronų apvalkalasšydo pavidalu. Jei įsivaizduojate hipotetinį molekulės modelį plokštumoje, jis atrodo kaip drugelio sparnai, kaip X formos chromosoma, kurioje įrašyta gyvos būtybės gyvenimo programa. Ir tai yra orientacinis faktas, kad pats vanduo yra reikalingas elementas visi gyvi dalykai.

Jei įsivaizduojate hipotetinio vandens molekulės tūrio modelio išvaizdą, tada jis perteikia trikampės piramidės formą, kuri turi 4 paviršius, o kiekvienas paviršius turi 3 briaunas. Geometrijoje trikampė piramidė vadinamas tetraedru. Ši struktūra būdinga kristalams.

Taigi vandens molekulė suformuoja stiprią kampinę struktūrą, kurią išlaiko net būdama garų būsenoje, ant ledo ribos ir virsdama ledu.

Jei vandens molekulės „skeletas“ yra toks stabilus, tada jo energetinė „piramidė“ - tetraedras - taip pat stovi nepajudinama.

Tokie struktūrinės savybės vandens molekulių viduje skirtingos sąlygos paaiškinami stipriais ryšiais tarp dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo. Šis ryšys yra maždaug 25 kartus stipresnis nei ryšys tarp gretimų vandens molekulių. Todėl lengviau atskirti vieną vandens molekulę nuo kitos, pavyzdžiui, kaitinant, nei sunaikinti pačią vandens molekulę.

Dėl orientacinės, indukcinės, dispersinės sąveikos (van der Waals jėgų) ir vandenilinių ryšių tarp kaimyninių molekulių vandenilio ir deguonies atomų vandens molekulės gali susidaryti kaip atsitiktiniai asocijuotieji junginiai, t.y. neturintys tvarkingos struktūros, o klasteriai yra tam tikrą struktūrą turintys asocijuoti elementai.

Remiantis statistika, paprastame vandenyje yra atsitiktinių partnerių - 60% (sunaikintas vanduo) ir grupes - 40% (struktūrinis vanduo).

Remiantis Rusijos mokslininko S. V. Zenino atliktais tyrimais, buvo aptiktos stabilios, ilgaamžės vandens sankaupos.

Zeninas nustatė, kad vandens molekulės iš pradžių sudaro dodekaedrą. Keturi dodekaedrai jungiasi ir sudaro pagrindinį konstrukcinis elementas vanduo – spiečius, susidedantis iš 57 vandens molekulių.

Klasteryje dodekaedrai turi bendrus veidus, susidaro jų centrai taisyklingas tetraedras. Tai tūrinis vandens molekulių, įskaitant heksamerus, junginys, turintis teigiamus ir neigiamus polius.

Vandenilio tilteliai leidžia vandens molekulėms susijungti įvairiais būdais. Dėl šios priežasties vandenyje yra be galo daug įvairių grupių.

Klasteriai gali sąveikauti vienas su kitu dėl laisvųjų vandenilio jungčių, dėl kurių atsiranda antros eilės struktūros šešiaedrų pavidalu. Jie susideda iš 912 vandens molekulių, kurios praktiškai nepajėgios sąveikauti. Tokios konstrukcijos tarnavimo laikas yra labai ilgas.

Šią struktūrą, panašią į mažą aštrų ledo kristalą iš 6 rombinių veidų, sukūrė S.V. Zeninas jį pavadino „pagrindiniu vandens struktūriniu elementu“. Daugybė eksperimentų patvirtino, kad vandenyje yra begalė tokių kristalų.

Šie ledo kristalai beveik nesąveikauja vienas su kitu, todėl nesudaro sudėtingesnių stabilių struktūrų ir lengvai slysta vienas kito atžvilgiu, sukurdami sklandumą. Šia prasme vanduo primena peršaldytą tirpalą, kuris negali kristalizuotis.

1 puslapis

Tarp šių didelių yra penkios vandens molekulės neigiamų jonų kad vandens molekulės ir trys su jomis susiję vandenilio jonai sukeltų šių jonų trauką.  

Nors kiekvienam Cu atomui yra penkios vandens molekulės, tik keturios iš jų yra suderintos.  

Sugavimo-pašalinimo mechanizmas apima pereinamoji būsena penkios vandens molekulės hidratacijos apvalkale.  

Tetraedrai (1.4 pav., a), turintys penkias vandens molekules, sluoksnis po sluoksnio yra sujungti su kitomis panašiomis tetraedromis. bendri kampai, o su sluoksniu, esančiu aukščiau – viršūnės, sudarančios gana porėtą šešiakampę ledo struktūrą.  

Taigi vienam pirminiam susidariusiam H2E jonui yra penkios skaidančios vandens molekulės. Energijos tvermės dėsnis nepažeidžiamas, nes H2O molekulės jonizacijos potencialas yra 13 V, o penkioms H2O molekulėms suskaidyti reikia maždaug 5 - 2 5 12 5 eV energijos. Žinoma, mažo molekulių, sudarančių kompleksą, skaičiaus nepakanka norint nustatyti temperatūrą įprasta statistine prasme.  

Taigi vienam pirminiam susidariusiam H2O jonui yra penkios skylančios vandens molekulės. Energijos tvermės dėsnis nepažeidžiamas, nes H2O molekulės jonizacijos potencialas yra 13 V, o penkioms H2O molekulėms suskaidyti reikia energijos, lygios maždaug 5X2 5 12 5 eV.  

Šiame hidrate metalas turi koordinacinis numeris 6, ir nors viename katijone yra tik penkios vandens molekulės, penktoji molekulė su ja nesusijusi.  

Iš hidratacijos drėgmės, kuri sujungiama su bario silikatu heksahidrato kristalinio hidrato pavidalu (BaSiO3 - 6H2O), kaitinant iki 120 laipsnių, išgaruoja tik penkios vandens molekulės, paskutinė molekulė pašalinama daugiau. aukšta temperatūra, mūsų atveju, kai masė kontaktiniuose įrenginiuose pašildoma iki 400. Grįžtant prie motininių gėrimų pašalinimo klausimo, remiantis pozicija kritinis taškas Džiūvimo greičio kreivėse galima tikėtis, kad po presu masė gali būti išspausta tik iki galutinio 25-30 % drėgnumo, o tai patvirtina praktika. Tai, kad masėje yra santykinai mažesnis mechaniškai surištos drėgmės kiekis nei adsorbuota drėgmė paaiškina tai, kad mažas pakeitimas masės drėgnyje veda prie staigus pokytis porėta struktūra. Taigi, padidinus temperatūrą džiovykloje, galima žymiai suintensyvinti džiovinimo procesą.  

Šiuo atžvilgiu taip pat žiūrėkite Wille'o darbą, kuris, remdamasis transporto skaičių matavimais gryname vandenyje ir amoniako tirpalai vario(II) padarė išvadą, kad vario(II) jonas in vandeninis tirpalas sujungia penkias vandens molekules.  

Geležies sulfatas kristalizuojasi lėtai, o kristalai kartais išsiskiria dvi ar tris dienas. 98 C temperatūroje šis hidratas praranda penkias vandens molekules, 125 C temperatūroje per 6 valandas – aštuonias molekules; 175 C temperatūroje gaunama bevandenė druska. Jis yra higroskopiškas ir pasklinda ore.  

Geležies (III) sulfatas kristalizuojasi lėtai, o kristalų nusodinimas kartais tęsiasi dvi ar tris dienas. 98 C temperatūroje šis hidratas praranda penkias vandens molekules, 125 C temperatūroje per 6 valandas – aštuonias molekules; 175 C temperatūroje gaunama bevandenė druska. Jis yra higroskopiškas ir palaipsniui ištirpsta ore. Geležies sulfatas Fe2 (S04) 2 yra nešvarūs geltoni kristaliniai milteliai.  

Vanduo yra pagrindinė visos gyvybės Žemėje sudedamoji dalis. Tai ir organizmų buveinė, ir pagrindinis jų struktūros elementas, taigi ir gyvybės šaltinis. Jis naudojamas visose pramonės srityse. Todėl labai sunku įsivaizduoti gyvenimą be vandens.

Kas yra įtraukta į vandenį

Visi puikiai žino, kad vanduo susideda iš vandenilio ir deguonies. Tai tiesa. Tačiau, be šių dviejų elementų, vandenyje taip pat yra didžiulis cheminių komponentų sąrašas.

Iš ko susideda vanduo?

Jis linkęs transformuotis, eidamas per hidrologinį ciklą: garavimą, kondensaciją ir kritulius. Vykstant šiems reiškiniams, vanduo kontaktuoja su daugeliu organinių junginių, metalų, dujų, dėl to skystis pasipildo įvairiais elementais.

Elementai, sudarantys vandenį, skirstomi į 6 kategorijas:

1. Jonai. Tai apima: katijonus Na, K, Mg, Ca, anijonus: Cl, HCO 3 ir SO 4. Šių komponentų vandenyje yra didžiausias kiekis, palyginti su kitais. Jie patenka į skystį iš dirvožemio sluoksniai, natūralūs mineralai, akmenys, taip pat kaip pramoninės veiklos produktų suskirstymo elementai.
2. Ištirpusios dujos: deguonis, azotas, vandenilio sulfidas, anglies dvideginio ir kiti. Kiekvienos dujų kiekis vandenyje tiesiogiai priklauso nuo jo temperatūros.
3. Biogeniniai elementai. Pagrindiniai yra fosforas ir azotas, kurie į skystį patenka iš nuosėdų, nuotekų ir žemės ūkio vandenų.
4. Mikroelementai. Yra apie 30 rūšių. Jų rodikliai vandens sudėtyje yra labai maži ir svyruoja nuo 0,1 iki mikrogramų 1 litrui. Tai apima: bromą, seleną, varį, cinką ir kt.
5. Vandenyje ištirpusios organinės medžiagos ir azoto turinčios medžiagos. Tai alkoholiai, angliavandeniai, aldehidai, fenoliai, peptidai ir kt.
6. Toksinai. Tai iš esmės sunkieji metalai ir naftos produktais.

Vandens molekulė

Taigi, iš kokių molekulių susideda vanduo?

Vandens formulė triviali – H 2 O. Ir tai rodo, kad vandens molekulė susideda iš vandenilio ir deguonies atomų. Tarp jų užsimezgė stabilus ryšys.

Kaip vandens molekulė atrodo erdvėje? Norint nustatyti molekulės formą, atomų centrai sujungiami tiesiomis linijomis, todėl susidaro tūrinė figūra- tetraedras. Tokia yra vandens struktūra.

Vandens molekulės forma gali keistis priklausomai nuo jos agregacijos būsenos. Už dujinė būsena Būdingas kampas tarp deguonies ir vandenilio atomų yra 104,27 o, kietos būsenos - 109,5 o, skystos būsenos - 105,03 o.

Molekulės, sudarančios vandenį, erdvėje užima tam tikrą tūrį, o jų apvalkalai yra padengti elektronų debesimi šydo pavidalu. Vandens molekulės išvaizda, žiūrint plokštumoje, lyginama su X formos chromosoma, kuri skirta perduoti genetinė informacija, todėl atsiranda nauja gyvybė. Iš šios formos išvedama analogija tarp chromosomos ir vandens, kaip gyvybės šaltinių.

Erdvėje molekulė atrodo kaip trimatis trikampis, tetraedras. Ši forma yra labai stabili ir kinta tik dėl išorinių fizinių veiksnių įtakos vandeniui.

Iš ko susideda vanduo? Iš tų atomų, kuriuos veikia van der Waals jėgos, susidaro vandenilio ryšiai. Šiuo atžvilgiu tarp gretimų molekulių deguonies ir vandenilio susidaro atsitiktiniai junginiai ir klasteriai. Pirmosios yra netvarkingos struktūros, antrosios – tvarkingos partnerės.

Įprastoje vandens būsenoje asocijuotųjų skaičius yra 60%, klasterių - 40%.

Galimas vandenilio tiltelių susidarymas tarp gretimų vandens molekulių, kurios prisideda prie jų susidarymo įvairios struktūros- klasteriai.

Klasteriai gali sąveikauti vienas su kitu per vandenilinius ryšius, ir tai lemia naujos tvarkos struktūrų - šešiaedrų - atsiradimą.

Elektroninė vandens molekulės struktūra

Atomai yra tai, iš ko susideda vanduo, ir kiekvienas atomas turi skirtingą elektroninę struktūrą. Taigi, grafinė formulė elektroniniai nivelyrai atrodo taip: 8 O 1s 2 2s 2 2p 4, 1 H 1s 1.

Kai vyksta vandens molekulės susidarymo procesas, atsiranda elektronų debesų sutapimas: du nesuporuoti deguonies elektronai persidengia su 1 nesuporuotu vandenilio elektronu. Dėl persidengimo tarp atomų susidaro 104 laipsnių kampas.

Vandens fizinė būklė

Kaip jau minėta, vandens molekulės yra dipoliai ir šis faktas paveikia neįprastą Viena iš šių savybių yra ta, kad vandens gamtoje gali būti trys agregacijos būsenos: skystis, kietas ir garai.

Perėjimas iš vienos būsenos į kitą vyksta dėl šių procesų:

1. Virimas – nuo ​​skysčio iki garų.
2. Kondensacija yra jų garų perėjimas į skystį (nusėdimas).
3. Kristalizacija yra tada, kai skystis virsta ledu.
4. Lydymas yra ledo tirpimo ir skysčio susidarymo procesas.
5. Sublimacija yra ledo pavertimas garų būsena.
6. Desublimacija yra atvirkštinė sublimacijos reakcija, tai yra, garų pavertimas ledu.

Jo molekulinės gardelės struktūra taip pat priklauso nuo vandens būsenos.

Išvada

Taigi galime sakyti, kad vanduo yra paprasta struktūra, kuris gali skirtis priklausomai nuo jo būklės. Ir mums tapo aišku, iš kokių molekulių susideda vanduo.