чем отличаются молекулы холодной и горячей воды
Чем отличаются молекулы холодной и горячей воды?
С ростом температуры возрастает лишь кинетическая энергия молекул КАК ЦЕЛОГО. На колебания атомов внутри молекулы температура, во всяком случае умеренная температура (до сотни градусов) не влияет.
Надо обратиться к репетитору. Найти хорошего и пусть всё объяснит и по полочкам разложит.
Никакие сайты не заменят человеческого объяснения. Сама ходила к преподавателю в течение месяца, занималась с ним за деньги, и в итоге вступительные экзамены по физике сдала хорошо.
Ещё мне очень помог папа, который в физике разбирается. Я его мучала своими вопросами и задачами, выпытывала из него объяснение, порой доводила его до крика, так как тупила жутко))) но итог один: в вуз поступила, и на первых курсах физика шла легко.
Наука определяет количество теплоты как энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Это крайне важная физическая константа, достаточно часто используемая при решении проблем реальной жизни.
Возможность накопления телами и веществами тепловой энергии активно используется в науке и технике. Самым наглядным примером может служить устройство автомобильного радиатора: обладающая большой теплоемкостью жидкость поглощает выделяемую двигателем тепловую энергию, предотвращая его от перегрева.
Возможность рассчитать количество теплоты, поглощаемое теми или иными средами, позволяет экономно использовать энергоносители в промышленности.
Это элементарная школьная задача. Данный ответ следует рассматривать в качестве учебного пособия по определению средней скорости Vcp. Для ее вычисления необходимо весь путь S разделить на общее время t, затраченное на преодоление дистанции.
Тогда время, затраченное на перемещение 1/4 части пути со скоростью 60 км/ч, составляет
а на перемещение 1/4 части пути со скоростью 80 км/ч –
Общее время преодоления пути
Vcp = S/(300*S/(4*4800)) =4*4800/300 = 64 (км/ч).
Обычно в большинстве общеобразовательных школах физика начинается в седьмом классе и по одиннадцатый класс. Но бывает, что физика начинается и с пятого класса. К примеру, по крайней мере существуют учебники физики 5-6 классы.
В чем отличие между молекулами горячей и холодной воды?
Есть ли разница между ними, если да то какая?
Ответ на такой вопрос наверно больше основывается на смекалке ведь по сути при нагревании воды, её объем увеличивается, но это происходит не за счет изменения самих молекул, а в связи с увеличением между ними расстояния.
Поэтому можно сказать, что по своим химическому составу молекулы в горячей воде ничем не отличаются от молекул холодной воды.
Все отличие заключается в физическом состоянии. При нагревании воды скорость передвижения молекул увеличивается и чем сильнее перемещаются молекулы, тем выше температура воды. Так же нужно отметить, что и межмолекулярное расстояние в горячей воде увеличивается, поэтому в горячей воде связь между ними становится слабее (молекулы просто «вылетают» из воды и это мы называем испарением).
Ни какой разницы химического состава между молекулами холодного и горячего вещества нет. И у воды нет. Есть только скорость движения молекул. У «горячих» молекул скорость больше. И толкаются они друг с другом сильнее, потому-то и объем горячего вещества больше. И у воды, тоже.
Я раньше (всю жизнь) вообще не пила воду. Чай, потом кофе, что еще? Вода была только кипяченая, вкус противный. И ничего.
Причина простая: поверхностное натяжение. Жидкость в сосуде принимает форму, при которой минимальна поверхностная энергия жидкости, и не штука догадаться, что это возможно именно при сферической форме воздушного пузыря.
Молекула воды
Все живые организмы на планете Земля состоят из воды. Эта жидкость встречается везде и без нее жизнь невозможна. Большая ценность воды обусловлена уникальными свойствами жидкости и простым составом. Чтобы разобраться во всех особенностях, рекомендуется детально ознакомиться со структурой молекулы воды.
Модель строения воды
Молекула воды включает два атома водорода (Н) и один атом кислорода (О). Элементы, из которых состоит жидкость, определяют всю функциональность и особенности. Модель молекулы воды имеет форму треугольника. Вершину этой геометрической фигуры представляет крупный элемент кислорода, а внизу находятся небольшие атомы водорода.
Молекула воды обладает двумя положительными и двумя отрицательными полюсами зарядов. Отрицательные заряды формируются из-за излишка электронной плотности у атомов кислорода, а положительные – из-за нехватки электронной плотности у водорода.
Неравномерное распределение электрических зарядов создает диполе, где диполярный момент составляет 1,87 дебай. Вода обладает способностью растворять вещества, поскольку ее молекулы пытаются нейтрализовать электрическое поле. Диполя приводят к тому, что на поверхности погруженных в жидкость веществ становятся слабее межатомные и межмолекулярные связи.
Вода отличает большой устойчивостью при растворении прочих соединений. В обычных условиях из 1 млрд молекул только 2 распадаются, а протон переходит в строение иона гидроксония (образуется при растворении кислот).
Вода не меняет свой состав при взаимодействии с другими веществами и не влияет на структуру этих соединений. Такая жидкость считается инертным растворителем, что особо важно для живых организмов. Полезные вещества поступают к различным органам через водные растворы, поэтому важно, чтобы их состав и свойства оставались неизменными. Вода сохраняет в себе память о растворенных в ней веществах и может применяться многократно.
Каковы особенности пространственной организации молекулы воды:
Атомы водорода соединяются с атомами кислорода и образуют молекулу воды с ковалентной связью. Водородные соединения более сильные, поэтому, когда они разрываются, то молекулы присоединяются к другим веществам, способствуя их растворению.
Это свойство подтверждается и большой теплотой парообразования, что делает жидкость хорошим энергоносителем. Вода – отличный регулятор температуры, способен нормализировать резкие перепады этого показателя. Теплоемкость жидкости повышается, когда ее температура 37 градусов. Минимальные показатели соответствуют температуре человеческого тела.
Относительная молекулярная масса воды составляет 18. Рассчитать этот показатель достаточно легко. Следует заранее ознакомиться с атомной массой кислорода и водорода, которая равна 16 и 1 соответственно. В химических задачах нередко встречается массовая доля воды. Этот показатель измеряется в проценте и зависит от формулы, которую требуется рассчитать.
Строение молекулы в различных агрегатных состояниях воды
В жидком состоянии молекула воды состоит из моногидроля, дигидроля и тригидроля. Количество этих элементов зависит от агрегатного состояния жидкости. Пар включает одну H₂O – гидроль (моногидроль). Две H₂O обозначают жидкое состояние – дигидроль. Три H₂O включает лед.
Агрегатные состояния воды:
При этом существуют переходные состояния жидкости, например, при испарении или замерзании. Для начала требуется разобраться, отличаются ли молекулы воды от молекул льда. Так замерзшая жидкость имеет кристаллическую структуру. Модель льда может иметь форму тетраэдр, тригональной и моноклинной сингонии, куба.
Обычная и замерзшая вода отличаются плотностью. Кристаллическая структура приводит к меньшей плотности и увеличению объема. Основное различие между жидким и твердым состоянием – это количество, сила и разновидность водородных связей.
Состав не меняется ни в одном агрегатном состоянии. Отличается строение и движение составных частей жидкости, сила связей водорода. Обычно молекулы воды слабо притягиваются друг к другу, размещаются хаотично, поэтому жидкость такая текучая. Лед отличается более сильным притяжением, так как создается плотная кристаллическая решетка.
Многих интересует, одинаковы ли объемы и состав молекул холодной и горячей воды. Важно запомнить, что состав жидкости не меняется ни в одном из агрегатных состояний. Молекулы при нагревании или остывании жидкости отличаются расположением. В холодной и горячей воде разные объемы, так как в первом случае структура упорядоченная, а во втором – хаотичная.
Когда лед тает, то его температура не меняется. Только после того, как жидкость меняется свое агрегатное состояние, показатели начинают подниматься. Для таяния требуется определенное количество энергии, которое называется удельной теплотой плавления или лямбда воды. Для льда показатель равен 25000 Дж/кг.
Вода | Строение молекулы и структура воды в жидком, твердом и газообразном виде.
Содержание:
1. Современные представления о составе и структуре воды. Строение молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.
В «тройной» точке на диаграмме может одновременно существовать вода во всех трех агрегатных состояниях.
В «критической» точке все свойства жидкости и пара (энергия, плотность, структура, характер движения частиц и т.п.) становятся равны. При более высоком давлении и/или температуре агрегатное состояние воды называют «сверхкритическим».
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, что она имеет сфероидальную форму с двумя выпуклостями (рисунок 3).
Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар обуславливает возникновение водородных связей, что способствует ассоциации молекул воды в группы.
Обладая значительным дипольным моментом, молекулы воды также сильно взаимодействуют с полярными молекулами других веществ.
Идеально чистую воду практически невозможно получить. По факту, мы всегда будем иметь дело хоть и с очень разбавленными, но растворами.
В природе на 1 000 000 молекул воды в среднем приходится:
— 997 284 молекул легкой воды 1 H2 16 O;
— 311 молекул 1 HD 16 O;
— 390 молекул 1 H2 17 O;
— 2005 молекул 1 H2 18 O.
Если из глубинной океанической воды, отвечающей стандарту SMOW (Standard Mean Ocean Water) удалить все тяжелые изотопы и заменить их на 1 H2 16 O, то масса 1 л такой воды станет меньше на 250 мг, т.е. на четверть.
2. Структура воды. Водородные связи.
В ходе современных физико-химических исследований были выявлены характерные структурные агрегаты воды, формирующиеся с помощью водородных связей.
Для формирования трехмерных структур необходимо, кроме способности молекул создавать водородные связи, выполнение еще двух условий. Этих связей должно быть не менее четырех на одну молекулу и геометрические размеры молекулы не должны противоречить оптимальным направлениям водородных связей. Вода удовлетворяет этим требованиям. Так, нагревая лед мы получаем смесь жидкой воды и кристаллов льда, температура которой останется неизменной до тех пор, пока все кристаллики не расплавятся. Это говорит о том, что подводимое нами тепло будет расходоваться в первую очередь на разрушение водородных связей льда.
3. Структура воды в жидком виде.
Жидкость, как известно, отличается от других агрегатных состояний вещества своей текучестью, т.е. способностью неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, сохраняя при этом объем. Жидкость способна течь даже под свей неподвижной поверхностью. Молекулы жидкости не имеют своего строго определенного места, но, все же, им недоступна полная свобода перемещения, как в паре.
Структура жидкости есть статистическая закономерность межмолекулярных расстояний и ориентаций, характерных для плотно упакованных систем.
Согласно одной из первых моделей воды Бернала и Фаулера, основанной на рентгеноструктурном анализе, существует три формы расположения молекул в жидкой воде:
В 1951 г. Дж. Попл предложил модель воды в виде непрерывной сетки (рисунок 5), отличной от модели Бернала и Фаулера. Отличия заключались в том, что сетка была случайной, связи в ней искривлены и имеют различную длину.
Попл объяснял уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Однако, данная модель не могла объяснить нелинейность зависимости свойств воды от температуры и давления.
Почти одновременно с идеей Попла возникли кластерные и клатратные модели, которые можно обозначить как «смешанные».
Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры из молекул, связанных водородными связями, плавающих в объеме свободных молекул. В группе кластерных моделей выделяется теория Г.Немети и Х.Шераги (рисунок 6). Отметим, что в данной модели разрушение одной водородной связи приводит к разрушению всего кластера. Разрушение и образование кластеров происходит постоянно.
Кластерная модель не говорит о расположении молекул в гроздьях, но авторы предполагают наличие отдельных «роев». При этом постулируется тот факт, что большинство молекул должно быть тетракоординировано. Состояние молекул будет определяться количеством водородных связей, которые она образует (0-5).
Удар по кластерной теории наносят исследования Г.Стэнли на основе теории перколяции (протекания). Г.Стэнли доказывает невозможность существования в воде изолированных кластеров.
Клатратная модель говорила о воде как о непрерывной сетке-каркасе связанных молекул, внутри которого содержались пустоты со свободными молекулами.
Первую модель клатратного типа предложил О.Я.Самойлов в 1946 году. В ее основе лежало представление о жидкой воде как о испорченной, размытой структуре льда Ih с частичным заполнением полостей мономерами. В процессе движения молекул решетка постоянно перестраивается. Настройкой свойств и концентраций микрофаз, а также параметрами пустот легко можно было объяснить все закономерности свойств воды.
Пустоты в воде по результатам моделирования имеют тенденцию объединяться друг с другом, образуя еще более крупные пустоты, как показано на рисунке 7.
Рассмотрим кластерную и клатратную модели строения жидкой воды подробнее.
3.1 Кластерная модель строения жидкой воды.
Согласно квантово-химическим расчетам большей устойчивостью обладают линейного «открытого» димера воды, по сравнению с циклическими формами. В случае цикла выгодными являются трех-четырех- и пятичленные образования, в которых водородные связи имеют одинаковое направление. Для шестичленного цикла выгодным становится структура типа «кресло».
Одно из первых изображений формирования циклических кластеров воды приведено на рисунке 9.
Большой вклад в возможность формирования и устойчивость кластеров воды во времени внесли работы Г.А.Домрачева и Д.А. Селивановского. Они доказывали существование механохимических реакций радикальной диссоциации воды. Доказательство основывалось на том, что вода, по их мнению, представляет собой динамически нестабильную полимероподобную систему и по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механическом воздействии на воду поглощенная водой энергия используется для разрыва химических связей H-OH. Реакция разрыва связи может выглядеть так:
Рассчитав эффективность механодиссоциации воды, авторы пришли к выводу, что кислород на Земле появился при диссоциации воды.
В 1993 г. К.Джордан предложил свои варианты устойчивых «ассоциатов воды», которые состоят из 6 молекул (рисунок 10).
По Джордану кластеры могут объединяться и друг с другом, и со свободными молекулами воды за счет водородных связей, формируя более крупные ассоциаты. Такие кластеры могут объединяться как друг с другом, так и со свободными молекулами воды.
Квантово-химические расчеты нанокластеров с общей формулой (H2O)n с n=6-20 показали, что самые устойчивые структуры образуются посредством взаимодействия тетрамерных и пентамерных кольцевых структур (рисунок 11). На рисунке ниже показаны возможные структуры конформации кластеров воды.
Оригинальной кластерной моделью является теория С.В.Зенина. Согласно модели С.В.Зенина вода представляет собой иерархию геометрически правильных объемных структур «ассоциато». Согласно его теории элементарной структурной ячейкой воды являются тетраэдры, в которых может содержаться 4 (простой тетраэдр) или 5 (объемно-центрированный тетраэдр) молекул воды. При этом у каждой молекулы воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, благодаря чему создаются более сложные структуры, как показано на рисунке 13.
Кластеры, содержащие 20 молекул воды (додэкаэдры) более стабильны. Схема их образования показана на рисунке 14.
Из 57 молекул такого образования 17 составляют гидрофобный каркас с полностью насыщенными связями, а по 10 молекул на поверхности каждого додекаэдра формируют центры образования водородных связей.
Методами жидкостной хроматографии было подтверждено существование пяти- и шестиквантовых структур типа «четырехконечной звезды» и «шестилучевой снежинки».
На уровне 24 центров связывание по водородным связям практически прекращается ввиду того, что поверхность образований становится насыщенной (нейтральной).
Кластеры почти не взаимодействуют между собой, а скользят друг по другу, поэтому вода не отличается высокой вязкостью. В таком «режиме» из кластеров формируются метастабильные структуры, пример которых показан на рисунке 17 (микроизображение в режиме фазового контраста).
Теория Зенина хорошо объясняет электропроводные свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо согласуется с большими значениями коэффициента самодиффузии и малым временем диэлектрической релаксации.
Однако практически существование регулярных матриц в воде маловероятно. Кластеры из 280 молекул также могут формировать цепочки, но с более напряженными водородными связями.
Кластеры могут разрастаться в суперкластеры (гигантские икосаэдры), примеры которых приведены на рисунке 19.
В 2002 Беркли методом рентгеноструктурного анализа показала, что молекулы воды действительно способны образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул.
А.Н.Смирновым в бидистиллированной воде и некоторых растворах методами акустической эмиссии, лазерной интерферометрии и термического анализа удалось визуализировать надмолекулярные образования с размерами частиц от 1 до 100 мкм, распределенных в водной среде (рисунок 20). Свойства таких частиц были сходны со свойствами частиц, образующих эмульсию, поэтому они были названы «эмулонами».
Размеры и пространственная организация эмулонов зависят от состава водного раствора, температуры и предыстории раствора. Наибольшее число фракций имеют размеры 30, 70 и 100 мкм.
Температурная динамика структуры эмулонов имеет следующие отсечки:
3.2 Клатратная модель строения жидкой воды.
Клатраты в целом (не только вода) делятся на два класса, зависящие от соединения-хозяина. Молекулярные клатраты образуются «хозяевами», имеющими внутримолекуярные полости. Такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Если «хозяин» способен образовывать только межмолекулярные или кристаллические полости, то из него получаются решетчатые клатраты (рисунок 21), устойчивые лишь в твердом состоянии.
В поздних модификациях клатратной модели воды допускается образование водородных связей между молекулами в каркасе и молекулами в пустотах. При этом сами молекулы в обеих микрофазах соединены водородными связями.
В заключение отметим, что существует целый ряд воздействий, которые могут приводить к определенному структурированию воды:
Более подробно структурирование воды под воздействием внешних сил будет рассмотрено в отдельной статье.
4. Особенности строения воды в твердом виде. Лед.
• Всего насчитывается около 15 структурных модификаций льда (рисунок 22).
1922 г. У.Г.Брэгг в статье «Кристаллическая структура льда» пытается выяснить причины возможных ошибок при расшифровке положений ядер кислорода. Он убежден, что ни Джон, ни Деннисон не смогли найти истинного расположения ядер кислорода в структуре льда. Брэгг сделал важное замечание: каждый атом кислорода в структуре льда должен быть окружен четырьмя другими. Атом же водорода располагается между двумя кислородами как бусинки на нитке. При этом, что важно, бусинки сдвинуты, смещены, относительно центра льда. Т.е. ядра водорода расположены асимметрично.
Кристаллическая решетка льда называется ажурной (рисунок 23). Паутина связей между молекулами воды во льду содержит много крупных пустот, больших по размеру, чем сами молекулы. Именно поэтому лед более легкий, чем жидкая вода. При плавлении льда водородные связи начинают разрушаться и в пустотах оставшихся ассоциатов поместиться освободившиеся молекулы воды.
• При давлении в 2 ГПа можно получить лед со структурой VI (горячий лед), который не будет плавиться даже при 80 о С.
• При очень высоких давлениях внутри нанотрубок с диаметром от 1,35 до 1,90 нм вода может кристаллизоваться в форме двойных спиралей (рисунок 24).
• Современные представления о структуре льда говорят о наличии кластерного строения. Чем ниже температура, тем крупнее кластеры. Наиболее устойчивы кластеры из 8, 12, 24, 36 молекул.
5. Особенности строения воды в газообразном виде. Пар.
В паре водородные связи на 99% разорваны. При этом в нем сохраняется до 1% димеров. Полностью разорвать все связи в паре можно лишь при температура 600 о С.
Расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул. При этом сами молекулы хаотично двигаются, сталкиваются со стенками сосуда, в котором заключены, и между собой. Скорость их тем выше, чем выше температура системы.
Вода может длительное время находиться и в перегретом состоянии до 200 о С. При введении пузырька воздуха в такую перегретую воду она мгновенно вскипает и ее температура падает до 100 о С.