A.Svitsov bevezetés a membrántechnológiába Tankönyv. Miből áll a víz: milyen molekulákból és atomokból áll?

Életünkben a víz a leggyakoribb és leginkább közönséges anyag. Az emberi test 70%-ban vízből és a minket körülvevő környezetből áll természetes környezet 70% vizet is tartalmaz.

Tól iskolai tankönyvek tudjuk, hogy egy vízmolekula egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll, i.e. az egyik legkisebb és legkönnyebb molekula. Annak ellenére, hogy a víz általunk folyamatosan használt tulajdonságai közönségesek és nyilvánvalóak számunkra, a folyékony víznek vannak paradoxonjai, amelyek még a földi életformákat is meghatározzák.

A folyékony víznek van nagyobb sűrűségű mint a jég sűrűsége. Ezért fagyáskor megnő a jég térfogata, a jég lebeg a víz felszínén.

A víz sűrűsége 4 o C-on a legnagyobb, és nem az olvadásponton ettől a hőmérséklettől jobbra és balra is csökken.

A víz viszkozitása a nyomás növekedésével csökken.

A víz forráspontja kívül van általános függőség forrásponttól molekulatömeg anyagok (1.1. ábra). Ellenkező esetben a hőmérséklet nem lehet magasabb, mint 60 o C.

A víz hőkapacitása legalább kétszerese bármely más folyadékénak.

A párolgási hő (~2250 kJ/kg) legalább háromszor nagyobb, mint bármely más folyadéké, nyolcszor nagyobb, mint az etanolé.

Tekintsük a víznek ezt az utolsó tulajdonságát. A párolgáshő az az energia, amely a molekulák közötti kötések megszakításához szükséges, amikor a kondenzált fázisból a gázfázisba kerülnek. Ez azt jelenti, hogy az összes paradox tulajdonság oka a víz intermolekuláris kötéseinek természetében rejlik, és ezt viszont a vízmolekula szerkezete határozza meg.

1.1. ábra. A különböző vegyületek molekulatömege és forráspontja közötti összefüggések tartománya.

1. Milyen vízmolekuláról van szó?

1780-ban Lavoisier kísérletileg megállapította, hogy a víz oxigénből és hidrogénből áll, két térfogatnyi hidrogén kölcsönhatásba lép egy térfogat oxigénnel, és a hidrogén és az oxigén tömegaránya a vízben 2:16. 1840-re világossá vált, hogy a víz molekulaképlete H2O.

A molekulában lévő három atommag egyenlő szárú háromszöget alkot, amelynek alapja két proton (1.2. ábra). Elektronikus képlet vízmolekulák [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2) (2P 4)].

1.2. ábra.Összekötő rendszer kialakítása m.o. az oxigénatom 2p-pályáiról és az 1s-az oxigénatom pályái és 1s-hidrogénatomok pályái.

Két oxigén 2p elektronnal összekapcsolt két hidrogén 1s elektron részvétele miatt sp hibridizáció megy végbe és hibrid sp 3 pályák jönnek létre, amelyek között 104,5 o-os jellemző szög, valamint két ellentétes töltésű pólus. Hossz O-N csatlakozások 0,95 A (0,095 nm), a protonok közötti távolság 1,54 A (0,154 nm). Az 1.3. ábra egy vízmolekula elektronikus modelljét mutatja.

1.3. ábra. A H-molekula elektronikus modellje 2 KÖRÜLBELÜL.

Nyolc elektron párban forog négy, három síkban elhelyezkedő pályán (szögek 90 O ), kockába illesztve. 1, 2 – magányos elektronpárok.

Ennek a megfontolásnak a legfontosabb következménye: a töltéseloszlás aszimmetriája a H 2 O molekulát dipólussá változtatja: a két pozitív végén protonok, a két negatív végén pedig magányos oxigén p-elektron párok találhatók.

Így a vízmolekula háromszög alakú piramisnak tekinthető - tetraédernek, amelynek sarkaiban négy töltés található - két pozitív és két negatív.

Ezek a töltések alkotják közvetlen környezetüket, szigorúan meghatározott módon forgatva a szomszédos vízmolekulákat – így két oxigénatom között mindig csak egy hidrogénatom van. Egy ilyen intermolekuláris szerkezetet a legkönnyebben szilárd halmazállapotú vízen lehet elképzelni és tanulmányozni. Az 1.4. ábra a jég szerkezetét mutatja.

Rizs. 1.4. Hatszögletű jégszerkezet

A szerkezetet O-H...O kötések tartják össze. A szomszédos vízmolekulák két oxigénatomjának egy hidrogénatom közvetítésével történő összekapcsolódását hidrogénkötésnek nevezzük.

A hidrogénkötés a következő okokból következik be:

1 – egy protonnak csak egy elektronja van, így két atom elektronikus taszítása minimális. A proton egyszerűen belemerül a szomszédos atom elektronhéjába, és 20-30%-kal (akár 1 Å-ig) csökkenti az atomok közötti távolságot;

2 – a szomszédos atomnak magasabb elektronegativitási értékkel kell rendelkeznie. Hagyományos értékekben (Pauling szerint) elektronegativitás F–4,0; O – 3,5; Cl – 3,0;

Egy vízmolekulában négy hidrogénkötés lehet, kettőben elektrondonorként, kettőben elektronakceptorként működik. És ezek a kötések létrejöhetnek mind a szomszédos vízmolekulákkal, mind más anyagokkal.

Így, dipólusmomentum, szög N-O-NÉs hidrogénkötés Az O-H...O meghatározza a víz egyedi tulajdonságait, és nagy szerepet játszik a minket körülvevő világ alakításában.

1. oldal

Öt vízmolekula található ezek között a nagyok között negatív ionok hogy a vízmolekulák és a hozzájuk kapcsolódó három hidrogénion okozza ezen ionok vonzását.  

Bár minden Cu atomhoz öt vízmolekula tartozik, ezek közül csak négy koordinált.  

A befogás-eliminációs mechanizmus öt vízmolekulát foglal magában a hidratációs héjban átmeneti állapotban.  

Az öt vízmolekulát tartalmazó tetraéderek (1.4. ábra, a) rétegről rétegre kapcsolódnak más hasonló tetraéderekhez közös szögekkel, a felette lévő réteggel pedig csúcsokkal, viszonylag porózus, hatszögletű jégszerkezetet alkotva.  

Így egy elsődlegesen képződött H2E ionhoz öt lebomló vízmolekula tartozik. Az energiamegmaradás törvénye nem sérül, mivel egy H2O-molekula ionizációs potenciálja 13 V, öt H2O-molekula lebomlásához pedig körülbelül 5 - 2 5 12 5 eV energia szükséges. Természetesen a komplexet alkotó molekulák kis száma nem elegendő a szokásos statisztikai értelemben vett hőmérséklet meghatározásához.  

Így egy elsődlegesen képződött H2O-ionhoz öt lebomló vízmolekula tartozik. Az energiamegmaradás törvénye nem sérül, mivel egy H2O-molekula ionizációs potenciálja 13 V, öt H2O-molekula lebomlásához pedig körülbelül 5X2 5 12 5 eV energia szükséges.  

Ebben a hidrátban a fém van koordinációs szám 6, és bár kationonként csak öt vízmolekula van, az ötödik molekula nem kapcsolódik hozzá.  

A hidratációs nedvességből, amelyet bárium-szilikáttal kombinálnak hexahidrát kristályos hidrát formájában (BaSiO3 - 6H2O), 120 °C-ra hevítve csak öt molekula víz párolog el, az utolsó molekula több helyen távozik. magas hőmérsékletek, esetünkben, amikor a masszát 400-ra hevítik fel az érintkező eszközökben. Visszatérve az anyalúk eltávolításának kérdésére, az álláspont alapján kritikus pont A szárítási sebességgörbéken arra kell számítani, hogy a prés alatt a massza csak 25-30%-os végső nedvességtartalomig préselhető ki, amit a gyakorlat is igazol. Az a tény, hogy a tömegben viszonylag kisebb mennyiségű mechanikusan megkötött nedvesség van jelen, mint az adszorbeált nedvesség, megmagyarázza, hogy aprópénz a massza nedvességtartalmában a porózus szerkezet éles változásához vezet. Így a szárító hőmérsékletének növelésével jelentősen fokozható a szárítási folyamat.  

Ezzel kapcsolatban lásd még Wille munkáját, aki a réz(II) tiszta vizes és ammóniaoldataiban végzett szállítási számok mérése alapján arra a következtetésre jutott, hogy a réz(II)-ion vizes oldatöt vízmolekulát köt meg.  

A vas-szulfát kristályosodása lassú, és a kristályok felszabadulása néha két-három napig tart. 98 C-on ez a hidrát öt molekula vizet veszít, 125 C-on 6 óra alatt - nyolc molekulát; 175 C-on vízmentes sót kapunk. Higroszkópos és szétoszlik a levegőben.  

A vas(III)-szulfát kristályosodása lassú, a kristályok kiválása esetenként két-három napig tart. 98 C-on ez a hidrát öt molekula vizet veszít, 125 C-on 6 óra alatt - nyolc molekulát; 175 C-on vízmentes sót kapunk. Higroszkópos és fokozatosan oldódik a levegőben. A vas-szulfát Fe2 (S04) 2 piszkossárga kristályos por.  

A víz a Föld összes életének fő alkotóeleme. Egyszerre az élőlények élőhelye és szerkezetük fő eleme, következésképpen az élet forrása. Az ipar minden területén használják. Ezért nagyon nehéz elképzelni az életet víz nélkül.

Mit tartalmaz a víz

Mindenki tudja, hogy a víz hidrogénből és oxigénből áll. Ez igaz. De e két elem mellett a víz a kémiai összetevők hatalmas listáját is tartalmazza.

Miből áll a víz?

Átmenet közben hajlamos átalakulni hidrológiai ciklus: párolgás, kondenzáció és csapadék. E jelenségek során a víz számos vegyülettel érintkezik szerves természet, fémekkel, gázokkal, melynek hatására a folyadék különféle elemekkel egészül ki.

A vizet alkotó elemek 6 kategóriába sorolhatók:

1. Ionok. Ide tartoznak: Na, K, Mg, Ca kationok, anionok: Cl, HCO 3 és SO 4. Ezek a komponensek a vízben találhatók meg a legnagyobb mennyiségben másokhoz képest. A talajrétegekből jutnak be a folyadékba, természetes ásványi anyagok, sziklák, valamint az ipari termékek lebontásának elemeiként is.
2. Oldott gázok: oxigén, nitrogén, hidrogén-szulfid, szén-dioxidés mások. Az egyes gázok mennyisége a vízben közvetlenül függ a víz hőmérsékletétől.
3. Biogén elemek. A legfontosabbak a foszfor és a nitrogén, amelyek az üledékekből, szennyvízből és mezőgazdasági vizekből kerülnek a folyadékba.
4. Mikroelemek. Körülbelül 30 faj létezik. Indikátoraik a víz összetételében nagyon kicsik, és 0,1 és mikrogramm/1 liter között mozognak. Ezek közé tartozik: bróm, szelén, réz, cink stb.
5. Vízben oldott szerves anyagok és nitrogéntartalmú anyagok. Ezek alkoholok, szénhidrátok, aldehidek, fenolok, peptidek stb.
6. Méreganyagok. Ez alapvetően nehézfémekés kőolajtermékek.

Vízmolekula

Tehát milyen molekulákból áll a víz?

A víz képlete triviális - H 2 O. És azt mutatja, hogy a vízmolekula hidrogén- és oxigénatomokból áll. Stabil kapcsolat jött létre közöttük.

Hogyan néz ki egy vízmolekula az űrben? A molekula alakjának meghatározásához az atomok középpontjait egyenes vonalakkal kapcsolják össze, aminek eredményeként a térfogati ábra- tetraéder. Ez a víz szerkezete.

A vízmolekula alakja aggregációs állapotától függően változhat. Mert gáz halmazállapotú az oxigén- és a hidrogénatom közötti jellemző szög 104,27 o, mert szilárd halmazállapotú- 109,5 o, folyadék esetén - 105,03 o.

A vizet alkotó molekulák bizonyos térfogatot foglalnak el a térben, míg héjukat fátyol alakú elektronfelhő borítja. A vízmolekula megjelenését síkban nézve összehasonlítjuk az X-alakú kromoszómával, amely az átvitelt szolgálja. genetikai információ, és ezért egy új élet kezdetét adja. Ebből a formából analógia vonható le a kromoszóma és a víz, mint életforrás között.

A térben egy molekula úgy néz ki, mint egy háromdimenziós háromszög, egy tetraéder. Ez a forma nagyon stabil és csak a külső fizikai tényezők vízre gyakorolt ​​hatására változik.

Miből áll a víz? Azon atomok közül, amelyek a van der Waals-erők hatásának vannak kitéve, a hidrogénkötések kialakulása. Ebben a tekintetben véletlenszerű asszociációk és klaszterek jönnek létre a szomszédos molekulák oxigénje és hidrogénje között. Az elsők rendezetlen struktúrák, a másodikak rendezett társulások.

IN normál állapot víz, az egyesületek száma 60%, a klaszterek - 40%.

A szomszédos vízmolekulák között hidrogénhidak képződhetnek, amelyek hozzájárulnak a kialakulásához különféle szerkezetek- klaszterek.

A klaszterek hidrogénkötéseken keresztül képesek kölcsönhatásba lépni egymással, és ez új rendű struktúrák - hexaéderek - megjelenéséhez vezet.

Egy vízmolekula elektronikus szerkezete

Az atomok azok, amelyekből a víz áll, és minden atomnak megvan a sajátja elektronikus szerkezet. Tehát a grafikus képlet elektronikus szintekígy néz ki: 8 O 1s 2 2s 2 2p 4, 1 H 1s 1.

Amikor a vízmolekula kialakulásának folyamata megtörténik, az elektronfelhők átfedése következik be: két párosítatlan oxigénelektron átfedésben van 1 páratlan hidrogénelektronnal. Az átfedés következtében az atomok között 104 fokos szög alakul ki.

A víz fizikai állapota

Mint már említettük, a vízmolekulák dipólusok, ill ezt a tényt szokatlan hatással van Az egyik ilyen tulajdonság az, hogy a víz háromban lehet jelen a természetben az aggregáció állapotai: folyékony, szilárd és gőz.

Az egyik állapotból a másikba való átmenet a következő folyamatoknak köszönhető:

1. Forrás - folyadékból gőzbe.
2. A kondenzáció a gőzük folyadékká alakulása (csapadék).
3. A kristályosodás az, amikor a folyadék jéggé alakul.
4. Az olvadás a jég megolvadásának és a folyadék előállításának folyamata.
5. A szublimáció a jég gőzállapotúvá történő átalakulása.
6. A deszublimáció a szublimáció fordított reakciója, vagyis a gőz jéggé alakulása.

Molekularácsának szerkezete a víz állapotától is függ.

Következtetés

Így azt mondhatjuk, hogy a víz egyszerű szerkezet, amely állapotától függően változhat. És világossá vált számunkra, hogy milyen molekulákból áll a víz.

A fő dolog egy vízmolekulában színész egy oxigénatom.

Mivel a hidrogénatomok észrevehetően taszítják egymást, a hidrogén-oxigén kémiai kötései (az atommagokat összekötő vonalak) közötti szög nem egyenes (90°), hanem valamivel nagyobb - 104,5°.

Kémiai kötések vízmolekulában polárisak, mivel az oxigén a negatív töltésű elektronokat vonzza magához, a hidrogén pedig a pozitív töltésű elektronokat. Ennek eredményeként a felesleges oxigén felhalmozódik az oxigénatom közelében. negatív töltés, a hidrogénatomokra pedig pozitív.

Ezért az egész vízmolekula egy dipólus, vagyis egy molekula, amelynek két ellentétes pólusa van. A vízmolekula dipólusszerkezete nagymértékben meghatározza szokatlan tulajdonságait.

A vízmolekula diamágneses.

Ha a pozitív és negatív töltések epicentrumait egyenes vonalakkal kötjük össze, térfogatmérőt kapunk geometriai alakzat- tetraéder. Ez magának a vízmolekulának a szerkezete.

Amikor a vízmolekula állapota megváltozik, a tetraéderben megváltozik az oldalak hossza és a köztük lévő szög.

Például, ha egy vízmolekula gőzállapotban van, akkor az oldalai által bezárt szög 104°27". Vízállapotban a szög 105°03". Jég állapotban a szög 109,5°.

A vízmolekula geometriája és méretei különböző állapotokhoz
a - a gőzállapotra
b - a legalacsonyabb rezgésszinthez
c - jégkristály kialakulásához közeli szintre, amikor a vízmolekula geometriája megfelel két egyiptomi háromszög geometriájának 3:4:5 oldalarányú
g - jég állapotára.

Ha ezeket a szögeket kettéosztjuk, akkor a következő szögeket kapjuk:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

Tehát között geometriai minták híresek a víz- és jégmolekulák Egyiptomi háromszög, melynek felépítése az aranyarány viszonyán alapul - az oldalak hossza 3:4:5 arányban van viszonyítva 53°08" szöggel.

A vízmolekula akkor szerzi meg az aranymetszés szerkezetét, amikor a víz jéggé alakul, és fordítva, amikor a jég elolvad. Nyilvánvalóan az olvadékvizet értékelik erre az állapotra, ha szerkezete az aranymetszet arányaiban van.

Most már világossá válik, hogy a híres egyiptomi háromszöget, amelynek oldalaránya 3:4:5, a vízmolekula egyik állapotából „vettük”. A vízmolekula geometriáját két egyiptomi alkotja derékszögű háromszögek, amelynek közös lába 3.

Az aranymetszésen alapuló vízmolekula az fizikai megnyilvánulása Isteni Természet amely részt vesz az élet megteremtésében. Éppen ezért be földi természet az egész kozmoszban rejlő harmónia rejlik.

Ezért az ókori egyiptomiak istenítették a 3-as, 4-es, 5-ös számokat, és magát a háromszöget szentnek tartották, és igyekeztek beépíteni tulajdonságait, harmóniáját bármilyen szerkezetbe, házakba, piramisokba, sőt még a mezők jelölésébe is. Az aranymetszés felhasználásával egyébként ukrán kunyhók is épültek.

Az űrben egy vízmolekula bizonyos térfogatot foglal el, és le van fedve elektronhéj fátyol formájában. Ha elképzeljük egy molekula hipotetikus modelljét egy síkban, az úgy néz ki, mint egy pillangó szárnyai, mint egy X-alakú kromoszóma, amelyben egy élőlény életprogramja van megírva. És ez jelzésértékű tény, hogy maga a víz minden élőlény lényeges eleme.

Ha elképzeli egy vízmolekula hipotetikus modelljének megjelenését térfogatban, akkor ez egy háromszög alakú piramis alakját közvetíti, amelynek 4 lapja van, és mindegyik lapnak 3 éle van. A geometriában háromszög alakú piramis tetraédernek nevezzük. Ez a szerkezet a kristályokra jellemző.

Így a vízmolekula erős szögszerkezetet alkot, amelyet gőzállapotban, a jéggé válás határán, illetve jéggé alakulva is megtart.

Ha egy vízmolekula „csontváza” ennyire stabil, akkor energia „piramisa” – a tetraéder – is rendíthetetlenül áll.

Ilyen szerkezeti tulajdonságok vízmolekulák benne különböző feltételek két hidrogénatom és egy oxigénatom közötti erős kötésekkel magyarázzák. Ez a kötés körülbelül 25-ször erősebb, mint a szomszédos vízmolekulák közötti kötés. Ezért könnyebb elválasztani az egyik vízmolekulát a másiktól, például melegítéssel, mint magát a vízmolekulát elpusztítani.

Az orientációs, induktív, diszperziós kölcsönhatások (van der Waals-erők) és a szomszédos molekulák hidrogén- és oxigénatomjai közötti hidrogénkötések miatt a vízmolekulák véletlenszerű asszociációként képesek kialakulni, pl. nem rendezett struktúrával, a klaszterek pedig bizonyos struktúrával rendelkező társult elemek.

A statisztikák szerint a közönséges vízben véletlenszerű társulások vannak - 60% (romlott víz) és klaszterek - 40% (strukturált víz).

Az orosz tudós, S. V. Zenin által végzett kutatás eredményeként stabil, hosszú életű vízklasztereket fedeztek fel.

Zenin azt találta, hogy a vízmolekulák kezdetben dodekaédert alkotnak. Négy dodekaéder, amely összeköti a főt szerkezeti elem víz - 57 vízmolekulából álló klaszter.

Egy klaszterben a dodekaédereknek közös arcuk van, és középpontjaik alakulnak ki szabályos tetraéder. Ez vízmolekulák térfogati vegyülete, beleértve a hexamereket is, amelynek pozitív és negatív pólusai vannak.

A hidrogénhidak lehetővé teszik a vízmolekulák összekapcsolódását különféle módokon. Ennek köszönhetően a vízben végtelen sokféle klaszter található.

A klaszterek kölcsönhatásba léphetnek egymással a szabad hidrogénkötések miatt, ami másodrendű struktúrák megjelenéséhez vezet hexaéderek formájában. 912 vízmolekulából állnak, amelyek gyakorlatilag nem képesek kölcsönhatásra. Egy ilyen szerkezet élettartama nagyon hosszú.

Ezt a 6 rombuszlapból álló kis éles jégkristályhoz hasonló szerkezetet S.V. Zenin „a víz fő szerkezeti elemének” nevezte. Számos kísérlet igazolta, hogy számtalan ilyen kristály található a vízben.

Ezek a jégkristályok alig lépnek kölcsönhatásba egymással, ezért nem alkotnak bonyolultabb stabil struktúrákat, és könnyen egymáshoz képest elcsúsztatják az arcukat, ezáltal folyékonyságot hoznak létre. Ebben az értelemben a víz túlhűtött oldathoz hasonlít, amely nem tud kristályosodni.