Кто открыл состав молекулы воды

При тушении пожаров вода часто используется не только как хладагент, но и для изоляции огня от воздуха в пене, так как горение поддерживается только при достаточном поступлении кислорода.

5. Особенности строения воды в газообразном состоянии. Пар.

Разложение воды искрами электрической машины было замечено еще в 1789 году, а годом позже воду разложили гальваническим электричеством. В России это впервые сделал профессор Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров летом 1802 года с помощью огромной “гальваническо-вольтаической батареи”, состоящей из 4200 медно-цинковых кругов. Электролиз чистой воды происходит очень медленно. Для того чтобы быстрее разложить воду электрическим током, в нее добавляют какую-либо кислоту, щелочь или соль. Этот процесс иногда используется для получения чистого водорода и кислорода (рис. 4).В стабильном энергетическом состоянии молекула воды имеет тетраэдрическую пространственную структуру. При изменении агрегатного состояния воды длина сторон и угол между ними меняются. Если бы мы увидели молекулу воды, то обнаружили бы, что она имеет сфероидальную форму с двумя выпуклостями (рис. 3).

Химические названия

Вода играет очень важную роль на нашей планете. В природе она имеет непрерывный круговорот. Под воздействием солнечной энергии жидкая вода (в основном в теплых морях и океанах) превращается в пар, который поднимается в верхние слои атмосферы. Это происходит потому, что водяной пар легче воздуха. Так образуются облака, которые переносятся ветрами в другие части планеты, где в виде дождя и других осадков вода достигает поверхности Земли. Здесь она образует ручьи и реки, которые возвращают испарившуюся воду в океаны (рисунок 1).Рисунок 23 – Тетраэдрическое окружение молекул воды в кристалле льда.

– При давлении 2 ГПа можно получить лед со структурой VI (горячий лед), который не плавится даже при температуре 80оС.
– При очень высоких давлениях внутри нанотрубок диаметром от 1,35 до 1,90 нм вода может кристаллизоваться в виде двойных спиралей (рис. 24).

Свойства

Речная (пресная) вода содержит до 0,5 г растворенных солей в одном литре. Все это попадает в море. Таким образом, море, испаряя чистую воду, взамен получает воду с растворенными в ней веществами. Количество солей, поступающих из рек в моря и океаны, огромно. Например, река Дон ежегодно вносит в Азовское море около 16 миллионов тонн солей, Дунай в Черное море – 9 миллионов тонн.
При определении качества питьевой воды важны сенсорные (органолептические) свойства: температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, жесткость. Питьевая вода должна быть эпидемиологически безопасной, безвредной по своему химическому составу и полезной по своим органолептическим свойствам. Чтобы природную воду можно было использовать для питья, ее обычно очищают. Для этого используются как физические (фильтрация, отстаивание), так и химические (хлорирование, озонирование) методы. Лед.

.
Рисунок 17 – Микроизображение объемной структуры воды.

Теория Зенина хорошо объясняет проводящие свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо объясняет большие значения коэффициента самодиффузии и малое время диэлектрической релаксации.

Интересно, что, по словам Зенина, если степень возмущения структурных элементов воды недостаточна для перестройки всей структуры, то после снятия возмущения система расслабляется в течение 30-40 минут, прежде чем вернуться в исходное состояние. Если переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды окажется энергетически выгодным, это влияние будет отражено в новом состоянии.

Альтернативную, но похожую теорию выдвинул М. Чаплин. В его теории структурными элементами являются икосаэдры. Согласно расчетам Лободы и Гончарука, кластеры демонстрируют увеличение стабильности в ряду (H2O)20 < (H2O)100 < (H2O)280. Кластеры из 100 молекул могут образовывать цепи с пониженным напряжением и скоростью деформации водородных связей. Затем теоретически формируются сети, как показано на рисунке 18.
Согласно квантово-химическим расчетам, линейные “открытые” димеры воды более стабильны, чем циклические формы. Для циклического случая благоприятны трех-четырех- и пятичленные формы, в которых водородные связи имеют одинаковое направление. Для шестичленного цикла преимущественной становится структура типа “кресло”.

Свойства

Газы обычно плохо растворимы в воде. Исключение составляют газы, взаимодействующие с водой, такие как аммиак, хлористый водород и диоксид серы. Растворимость всех газов увеличивается с ростом давления и обычно уменьшается при нагревании. На протяжении веков вода считалась простым веществом. Только в 1783 году французскому химику Антуану Лорану Лавуазье (1743-1794) удалось его растворить. Он показал, что вода состоит из водорода и кислорода, а в 1789 году дал первую оценку ее количественного состава: 15% водорода и 85% кислорода. Позже многие ученые проводили количественный анализ воды. Долгое время результаты французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778-1850), полученные около 1808 года, считались образцовыми: 13,27% водорода и 86,73% кислорода. Только в 1821 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) и французский физик и химик Пьер Луи Дюлонг (1785-1838) провели более правильный анализ воды и обнаружили, что она содержит 11,1% водорода и 88,9% кислорода, что очень близко к современным значениям (11,19% водорода и 88,81% кислорода).

Главная и ответы на кроссворды

.
Если удалить все тяжелые изотопы из глубинной океанической воды, соответствующей стандарту SMOW (Standard Mean Ocean Water), и заменить их на 1H216O, масса 1 литра такой воды уменьшится на 250 мг, или на четверть.
Происхождение воды на Земле является предметом научных дебатов. Некоторые ученые считают, что вода была принесена астероидами или кометами на раннем этапе формирования Земли, около четырех миллиардов лет назад, когда планета уже сформировалась в шар. Сейчас установлено, что вода появилась в мантии Земли не позднее 2,7 миллиарда лет назад.

В природе

Согласно атомно-молекулярной теории, мы начинаем наши рассуждения с предположения, что в реакции участвуют молекулы H2 и O2. В результате этой реакции образуются молекулы воды. Связи между атомами реагирующих веществ разрываются, и атомы перестраиваются. Таким образом, в молекулах продуктов реакции образуются новые связи. Эти превращения могут быть легко представлены молекулярными моделями. Молекулярную модель можно представить в виде двух молекул H2 (четыре атома) и одной молекулы O2 (два атома). Если эти молекулы вступают в реакцию с образованием воды, то связи между атомами в молекулах водорода и кислорода должны быть разорваны. Затем происходит “склеивание” новых связей, и образуются две молекулы воды. Обратите внимание, что в результате реакции происходит перегруппировка атомов, но общее количество атомов не меняется.
Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры молекул, соединенных водородными связями, плавающие в объеме свободных молекул. В группе кластерных моделей выделяется теория Г. Немети и Х. Шерага (рис. 6). Следует отметить, что в этой модели разрушение одной водородной связи приводит к разрушению всего кластера. Разрушение и образование кластеров происходит непрерывно.

История исследования воды

Плотность насыщенного водяного пара при температуре кипения также увеличивается с ростом давления, в то время как плотность жидкой воды уменьшается. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит через критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоких давлениях и/или температурах разница между жидкой водой и водяным паром исчезает. Такое состояние вещества называется “сверхкритической жидкостью”. Для получения 100 молекул воды требуется 100 молекул водорода и 50 молекул кислорода. Так, для получения 1 моль воды (6,02 – 1023 молекул) нам потребуется 1 моль водорода (6,02 – 1023 молекул) и 0,5 моль кислорода (3,01 – 1023 молекул). Результаты приведены в таблице:

Факты

Вода является хорошим растворителем для полярных веществ. Каждая молекула растворителя окружена молекулами воды, при этом положительно заряженные части молекулы растворителя притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные части – атомы водорода. Поскольку молекула воды имеет небольшой размер, многие молекулы воды могут окружать каждую молекулу растворителя.
В начале 19 века был изобретен паровой транспорт, что привело к появлению первых железнодорожных поездов. Физики из Франции П. Дюлонг и Д. Араго, изучал взаимосвязь между давлением насыщенного пара и температурой воды. Дмитрий Менделеев, популярный создатель периодической таблицы химических элементов между 1891 и 1897 годами, вывел формулу, в которой плотность воды зависит от ее температуры. И уже в 1932 году американские ученые Г. Уриа и Е. Уошберн сделал открытие “тяжелой воды”. Это изотопный тип воды, в котором легкий атом водорода заменен тяжелым атомом дейтерия. Такой тип воды не встречается в природе, но эти научные исследования помогают открыть новые перспективы в современной промышленности, включая разработку уникальных нанотехнологий.

Исследования

1929 год – У. Уорн обнаружил, что молекулы льда полностью ионизированы, причем каждый водород равноудален от двух соседних ядер кислорода. Он установил трехмерность ледяного скелета, который должен иметь четырехгранную форму. В нем каждый атом кислорода окружен четырьмя другими, то есть молекула воды имеет четырех соседей. Однако ни Брэгг, ни Брунс не предположили, что пространственная структура льда (как и жидкой воды) определяется распределением зарядов в молекулах воды. Вода является самым распространенным растворителем на Земле, что во многом определяет характер химии Земли как науки. Большая часть химии, при зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ.

5. Структурные особенности воды как газа. Водяной пар.

Известно, что 2 объема водорода взаимодействуют с 1 объемом кислорода, образуя воду. Во время реакции выделяется большое количество тепла, как при горении свечи. Продукт реакции, вода, не похож на исходные вещества, водород и кислород. Поэтому превращение, происходящее при взаимодействии водорода и кислорода, следует классифицировать как химическую реакцию.
Источником этой тепловой энергии должны быть сами реактанты (водород и кислород), поскольку извне в систему поступает только тепло, необходимое для воспламенения смеси. Из этого можно сделать вывод, что вода содержит меньше энергии, чем реактивы, использованные для ее создания. Реакция, при которой выделяется тепло, называется экзотермической. Количество тепла, выделяемое при сгорании 1 моль водорода (68 000 кал, или 68 ккал), называется молярной теплотой сгорания водорода. Современное понимание состава и структуры воды. Структура молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.

Все, что касается термометров, люди связывают в своем сознании с именами ученых “Кельвин” и “Цельсий”. Однако всем будет интересно узнать, что идея принять точки плавления и кипения воды за точки отсчета на шкале термометра впервые пришла в голову немецкому ученому Гюйгенсу. Это произошло уже в 1615 году. Вода хорошо растворяет многие вещества ионного строения (соли, основания), а также вещества, молекулы которых полярны. Наличие ассоциатов (элементов кристаллической структуры) в жидкой воде вместе с высоким дипольным моментом молекул приводит к высокой диэлектрической проницаемости воды (ε = 78,3 при 25 °C). Это вызывает заметное ослабление кулоновского притяжения в водной среде и, следовательно, способствует электролитической диссоциации ионных и полярных ковалентных соединений. В этом случае полярные молекулы воды вовлекаются в процесс гидратации благодаря притяжению полярных полюсов молекул воды к образующимся катионам и анионам. В некоторых случаях образующиеся связи настолько прочны, что можно говорить об образовании аквакомплексов. Аквакомплексы были обнаружены не только в водных растворах, но и во многих кристаллических структурах.

Формирование воды

.
Рисунок 5 – Модель воды в жидком состоянии Й. Попла.

Попль объяснил сгущение воды при плавлении искажением связей. Однако эта модель не объясняла нелинейную зависимость свойств воды от температуры и давления.
Рисунок 16 – Принципиальная модель кластера воды, состоящего из 912 молекул (16 “квантов” воды).

На каждой грани такого куба уже имеется 24 центра образования водородных связей. Такой 16-квантовый куб с 912 молекулами, по словам Зенина, является самым стабильным образованием в воде, а их доля в структуре воды преобладает – около 80%. Еще 15% составляют додекаэдрические тетраэдры, а 3-5% – несвязанные молекулы воды. Эти данные были подтверждены экспериментально.

На уровне 24 центров водородная связь практически прекращается, так как поверхность образования становится насыщенной (нейтральной).

Кластеры почти не взаимодействуют друг с другом, а скользят друг по другу, поэтому вода не отличается высокой вязкостью. В этом “режиме” образуются метастабильные структуры в виде кластеров, пример которых показан на рисунке 17 (микроизображение в режиме фазового контраста).

Виды

Вода химически взаимодействует со многими простыми веществами. Большинство этих реакций происходит при высокой температуре. Только наиболее реакционноспособные металлы (щелочные и щелочноземельные металлы) и неметаллы (галогены) реагируют с водой при комнатной температуре. Однако при одновременном воздействии воды и окислителей, даже при нормальной температуре, металлы со средней активностью (такие как железо) разрушаются в результате коррозии.
– Контрольные даты начала тестирования воды:
1781 г. – Вода была впервые синтезирована Г. Кавендишем путем сжигания водорода;
1783 г. – Лавуазье предложил истинный состав воды как сложного соединения кислорода и водорода;
1800 г. – А. Карлейль и У. Николсон разложили воду на кислород и водород с помощью тока вольтова столба;
1805 г. – Жозеф Луи Гей-Люссак и А. Гумбольдт, проводя совместные эксперименты, обнаружили, что для образования воды необходимо 2 объема водорода и 1 объем кислорода;
1842 – Жан Батист Дюма определил, что весовое соотношение водорода и кислорода в воде составляет 2:16;
1860 г. – С. Канниццаро предложил точную химическую формулу воды как H2O.
– На сегодняшний день предложено более 100 моделей структуры воды, начиная с работы Дж. Фаулер.

Мы знаем, что вода существует в жидком, газообразном и твердом состоянии. Однако существуют также возможные подструктуры, которые различаются по свойствам в пределах одного и того же состояния материи. Посмотрите на общую фазовую диаграмму воды: римскими цифрами обозначены различные структурные модификации льда.

Химические названия

Реакция между водородом и кислородом протекает гораздо быстрее, если эти газы смешать, а затем поджечь смесь искрой. Происходит сильный взрыв. Тем не менее, на каждый 1 моль водорода, вступающего в реакцию, образуется такое же количество продукта реакции, воды, и выделяется такое же количество тепла, как и при обычном сжигании.Рисунок 15 – Модель воды с 57 молекулами – “квантами”, разработанная коллаборатором (тетраэдр с четырьмя додекаэдрами).

Из 57 молекул такого образования 17 образуют гидрофобную основу с полностью насыщенными связями, а 10 молекул на поверхности каждого додекаэдра образуют центры водородных связей.

3. Структура воды в жидком состоянии.

Много вопросов до сих пор остается о воде в метастабильных состояниях, в частности – аморфном. Дальнейшее изучение структуры воды продолжается на основе компьютерного моделирования и численных экспериментов. Сегодня на эту тему опубликовано несколько тысяч работ, среди которых оригинальные труды Г.Г. Маленкова. В работах по моделированию воды используются 2 критерия: геометрический и энергетический. Чистая вода является хорошим изолятором. В нормальных условиях вода слабо диссоциирована, и концентрация протонов (точнее, гидроксонических ионов H3O+) и гидроксильных ионов OH- составляет 10-7 моль/л. Но поскольку вода является хорошим растворителем, она почти всегда растворяет некоторые соли, то есть присутствуют другие положительные и отрицательные ионы. По этой причине вода проводит электричество. Проводимость воды можно использовать для определения ее чистоты.

Применение

В природе не существует чистой воды. Даже самая чистая дождевая вода растворяет газы и задерживает пыль, проходя через атмосферу. После испарения всегда остается небольшой осадок, около 0,03 г на литр. На поверхности земли вода дополнительно растворяет многие твердые вещества. Некоторые из них впитываются в почву. На глубине вода продолжает растворяться, поэтому, поднимаясь на поверхность, она иногда образует минеральные источники. Из-за растворенных в ней солей родниковая и колодезная вода часто бывает жесткой.

Читайте далее: