Φυσικές &Χημικές Ιδιότητες του Νερού
Βασικές έννοιες
Σε αυτό το σεμινάριο σχετικά με τις ιδιότητες του νερού, θα μάθετε για τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του νερού. Θα μάθετε επίσης για τη δομή ενός μορίου νερού.
Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα
Πολικότητα νερού
Ηλεκτραρνητικότητα
Διαλύτης v.s. Διάλυμα
Ειδική Θερμότητα
Πυκνότητα
Λεξιλόγιο
Πυκνότητα- Μάζα ανά μονάδα όγκου
Ειδική θερμική χωρητικότητα- Ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία 1 kg ενός υλικού κατά 1 C
Θερμότητα εξάτμισης- Ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη μετατροπή μιας ποσότητας υγρού σε αέριο
Πολικό μόριο- Ένα μόριο με ένα μερικώς αρνητικό φορτισμένο άκρο και ένα μερικώς θετικό φορτισμένο άκρο
Ηλεκτραρνητικότητα- Τάση για ένα άτομο να έλκει κοινά ηλεκτρόνια σε έναν χημικό δεσμό
Εισαγωγή στις ιδιότητες του νερού
Το νερό (H20) είναι ο «καθολικός διαλύτης» και η πιο άφθονη επιφάνεια στη Γη. Είναι επίσης η μόνη κοινή ουσία που υπάρχει φυσικά ως στερεό, υγρό και αέριο. Τα μόρια του νερού σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου και είναι εξαιρετικά πολικά. Οι πέντε κύριες ιδιότητες του νερού είναι η υψηλή πολικότητα, η υψηλή ειδική θερμότητα, η υψηλή θερμότητα εξάτμισης, η χαμηλή πυκνότητα ως στερεό και η έλξη σε άλλα πολικά μόρια.
Πολικότητα και δομή
Ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου δημιουργούν ένα μόριο νερού. Έχει λυγισμένη μοριακή γεωμετρία με το οξυγόνο να έχει δύο μόνα ζεύγη ηλεκτρονίων. Η διαφορά στην ηλεκτραρνητικότητα μεταξύ του οξυγόνου και των υδρογόνων κάνει το οξυγόνο να έχει μερικό αρνητικό φορτίο και το υδρογόνο να έχει μερικό θετικό φορτίο. Αυτή η διαφορά φόρτισης προκαλεί πολικότητα. Το μερικό θετικό φορτίο του υδρογόνου ενός μορίου νερού έλκει το μερικό αρνητικό φορτίο του οξυγόνου ενός άλλου μορίου νερού. Αυτή η έλξη ονομάζεται δεσμός υδρογόνου.
Ο δεσμός υδρογόνου είναι ασθενέστερος από τους ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ του οξυγόνου και των υδρογόνων του ίδιου μορίου, αλλά προκαλεί πολλές από τις μοναδικές ιδιότητες του νερού. Για παράδειγμα, απαιτείται περισσότερη ενέργεια για τη διάσπαση των δεσμών υδρογόνου, επομένως το νερό έχει υψηλότερο σημείο τήξης και βρασμού.
Διαλύτης γενικής χρήσης
Το νερό είναι ο διαλύτης της ζωής. Οι υδρόφιλες ουσίες είναι αυτές που διαλύονται στο νερό, ενώ οι υδρόφοβες ουσίες δεν αναμιγνύονται καλά με το νερό. Οι ουσίες μπορούν να διαλυθούν στο νερό εάν μπορούν να ταιριάξουν ή να ξεπεράσουν τον δεσμό υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού. Εάν δεν μπορούν, η ουσία σχηματίζει ένα ίζημα. Τα οξέα, οι αλκοόλες και τα άλατα είναι μάλλον διαλυτά στο νερό ενώ τα λίπη και τα έλαια είναι υδρόφοβα.
Μια ιοντική διαλυμένη ουσία διαλυμένη στο νερό διαχωρίζεται. Για παράδειγμα, το NaCl διαχωρίζεται σε κατιόντα Na+ και ανιόντα Cl- που περιβάλλονται από μόρια νερού. Το νερό είναι αμφοτερικό, που σημαίνει ότι μπορεί να λειτουργήσει είτε ως οξύ είτε ως βάση ανάλογα με το διάλυμα. Μπορεί να παράγει ιόντα Η+ και ΟΗ-.
Ειδική θερμική χωρητικότητα
Το νερό έχει υψηλή ειδική θερμότητα 4184J/(kg x K) στους 20 C και υψηλή θερμότητα εξάτμισης λόγω δεσμών υδρογόνου. Αυτό επιτρέπει στα υδάτινα σώματα να έχουν ελάχιστες διακυμάνσεις στη θερμοκρασία για τη ρύθμιση του κλίματος.
Η υψηλή θερμότητα εξάτμισης του νερού επιτρέπει στους ανθρώπους να χρησιμοποιούν τον ιδρώτα για να δροσιστούν. Ο ιδρώτας αποτελείται κυρίως από νερό. Απορροφά την υπερβολική θερμότητα του σώματος καθώς εξατμίζεται. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως ψύξη με εξάτμιση.
Πυκνότητα
Η πυκνότητα του νερού είναι 1 γραμμάριο ανά κυβικό εκατοστό. Αυτό χρησιμοποιείται για τον ορισμό του γραμμαρίου. Αντί να υποστεί θερμική διαστολή, η πυκνότητα αυξάνεται με τη θερμοκρασία σε μια κορυφή 3,98 C και στη συνέχεια μειώνεται. Αρνητική θερμική διαστολή είναι η αύξηση της πυκνότητας μεταξύ 32 και 39,16 F. Ως αποτέλεσμα, ο πάγος είναι λιγότερο πυκνός από το νερό, το οποίο έχει μείωση της πυκνότητας κατά περίπου 10%. Αυτός είναι ο λόγος που τα υδάτινα σώματα μπορεί να έχουν ένα στρώμα πάγου στην επιφάνεια αλλά να περιέχουν υγρό από κάτω. Αυτό επιτρέπει στα ψάρια και τη θαλάσσια ζωή να επιβιώνουν κάτω από τον πάγο. Η υψηλή ειδική θερμότητα διατηρεί τη θερμοκρασία του νερού σχετικά σταθερή κατά τη διάρκεια του χειμώνα, έτσι ώστε η θαλάσσια ζωή να μπορεί να επιβιώσει.
Η περιεκτικότητα σε αλάτι μειώνει το σημείο πήξης του ωκεανού κατά σχεδόν 2 C. Ο πάγος εξακολουθεί να επιπλέει στον ωκεανό, αλλά ο πάγος είναι σχεδόν χωρίς αλάτι με παρόμοια πυκνότητα με τον πάγο στα σώματα γλυκού νερού. Το αλάτι προσθέτει στην αλατότητα και την πυκνότητα του εναπομείναντος νερού που βυθίζεται με μεταφορά. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται απόρριψη άλμης.
Συμπιεστότητα
Η συμπιεστότητα είναι αποτέλεσμα της πίεσης και της θερμοκρασίας. Η συμπιεστότητα του νερού είναι τόσο χαμηλή που συχνά υποτίθεται ότι είναι ασυμπίεστη. Η χαμηλή συμπιεστότητα επιτρέπει στο νερό σε βαθιά ωκεανούς με υψηλή πίεση να μειώνεται μόνο κατά 1,8% σε όγκο.
Ηλεκτρική αγωγιμότητα
Το καθαρό νερό είναι καλός μονωτής, αλλά το απιονισμένο νερό δεν είναι ποτέ εντελώς απαλλαγμένο από ιόντα. Το νερό υφίσταται μια διαδικασία που ονομάζεται αυτοϊονισμός ως υγρό. Αυτό σημαίνει ότι δύο μόρια νερού μπορούν να σχηματίσουν ένα ανιόν υδροξειδίου (OH-) και ένα κατιόν υδρονίου (H3 0+).
Συνοχή και πρόσφυση
Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού σπάνε συνεχώς και αναμορφώνονται με άλλα μόρια νερού. Η συνοχή είναι η ικανότητα των μορίων του νερού να κολλάνε μεταξύ τους. Η πολικότητα του νερού προσδίδει επίσης στο νερό υψηλή πρόσφυση:την ικανότητα να κολλάει σε άλλες επιφάνειες. Οι συγκολλητικές δυνάμεις είναι ισχυρότερες από τις δυνάμεις συνοχής.
Η ισχυρή συνοχή και η πρόσφυση αναγκάζουν το νερό να εμφανίζει τριχοειδή δράση. Η τριχοειδής δράση είναι η διαδικασία του υγρού που ρέει μέσα από ένα στενό χώρο χωρίς και συχνά αντίθετα από τη βαρύτητα. Το νερό προσκολλάται στα τοιχώματα των ριζών των φυτών και ανεβαίνει μέσα στο φυτό. Τα πορώδη υλικά όπως το νερό παρουσιάζουν επίσης τριχοειδή δράση. Τα δέντρα μπορούν να μεταφέρουν νερό μέσω τριχοειδούς δράσης πάνω από 100 μέτρα.
Επιφανειακή τάση
Ο δεσμός υδρογόνου προκαλεί επίσης το νερό να έχει υψηλή επιφανειακή τάση 71,99 mN/m στα 25. Η επιφανειακή τάση είναι αρκετά υψηλή ώστε τα έντομα να περπατούν πάνω στο νερό. Η επιφανειακή τάση είναι αποτέλεσμα των συνεκτικών ιδιοτήτων του νερού. Οι σταγόνες νερού και το νερό που ανεβαίνει πάνω από το χείλος ενός ποτηριού δείχνουν την υψηλή επιφανειακή τάση του νερού. Μάθετε περισσότερα για τις ιδιότητες του νερού εδώ.
