Ūdens

Ūdens , viela, kas sastāv no ūdeņraža un skābekļa ķīmiskajiem elementiem un atrodas gāzveida, šķidrā un cietā stāvoklī. Tas ir viens no bagātīgākajiem un būtiskākajiem savienojumi . Bez garšas un bez smaržas šķidrums istabas temperatūrā tam ir svarīga spēja izšķīdināt daudzas citas vielas. Patiešām, ūdens kā a šķīdinātājs ir būtiska dzīvajiem organismiem. Tiek uzskatīts, ka dzīve ir radusies pasaules ūdens šķīdumos okeāni , un dzīvie organismi bioloģiskajos procesos ir atkarīgi no ūdens šķīdumiem, piemēram, asinīm un gremošanas sulām. Ūdens pastāv arī uz citām planētām un pavadoņiem gan Saules sistēmā, gan ārpus tās. Nelielos daudzumos ūdens šķiet bezkrāsains, bet ūdenim faktiski ir iekšējs zila krāsa, ko izraisa neliela gaismas absorbcija sarkanos viļņu garumos.

ūdens krāces, Niagāras ūdenskritums, Kanāda

ūdens krāces, Niagāras ūdenskritums, Kanāda Ūdens ir visvairāk bagātīgais savienojums uz Zemes un ir būtisks dzīvībai. Lai gan ūdens molekulas pēc struktūras ir vienkāršas (HdiviO), ūdens fizikālās un ķīmiskās īpašības ir ārkārtīgi sarežģītas. SKatzenberger / iStock.com



Galvenie jautājumi

No kurienes nāk ūdens?

Ūdens sastāv no ūdeņraža un skābekļa, un tas pastāv gāzveida, šķidrā un cietā stāvoklī. Ūdens ir viens no bagātīgākajiem un nepieciešamākajiem savienojumi , kas normālos apstākļos rodas uz Zemes virsmas kā šķidrums, kas padara to nenovērtējamu lietošanai cilvēkiem un kā augs un dzīvnieks biotops . Tā kā ūdens tiek viegli mainīts uz tvaiku (gāzi), tas var pārvietoties pa atmosfēru no okeāni iekšzemē, kur tā kondensējas un baro dzīvi.



Kāpēc svīst aukstā ūdens pudeles un bezalkoholisko dzērienu pudeles?

Šķiet, ka aukstā ūdens pudele sviedri jo tas ir ūdens tvaiku dzesēšanas avots gaisa slānī, kas ieskauj pudeli. Salīdzinoši silts gaiss var saturēt vairāk ūdens tvaiku nekā vēsāks. Kad tiek ievietota aukstā ūdens pudele, siltais gaiss pudeles tuvumā atdziest un daļa ūdens tvaiku kondensējas šķidrā ūdenī, kas pēc tam tiek uzklāts uz pudeles ārpuses.

Kad ūdens vārās?

Vārīšanās notiek, kad šķidrumā veidojas burbuļi, kas iezīmē pārmaiņas no vielas šķidrās vai cietās fāzes par gāzi. Normālā viršanas temperatūra ir temperatūra pie kura šķidrums tvaika spiediens ir vienāds ar standarta jūras līmeni atmosfēras spiediens (760 mm [29,92 collas] dzīvsudraba). Jūras līmenī atmosfēras spiediens ir augsts, un ūdens vārās 100 ° C (212 ° F) temperatūrā; lielākā augstumā tas ir zemāks, tāpēc ūdens vārās zemākā temperatūrā.



Kāpēc ūdens ir zils?

Ūdens šķiet zils divu svarīgu iemeslu dēļ. Nelielos daudzumos ūdens šķiet bezkrāsains, bet ūdenim faktiski ir zila krāsa, ko izraisa nedaudz absorbcija gaismas sarkanā krāsā viļņu garumi . Lielākiem ūdens tilpumiem - dīķiem, upēm, ezeri un okeāni - ūdens skaidrās dienās parādās zils, jo tas atspoguļo debesu zilumu. Mākoņainās dienās lielākas ūdenstilpes šķiet pelēkas.

Kad ūdens ir visblīvākais?

Ūdens blīvums ir vislielākais šķidruma fāzē aptuveni 4 ° C (39,2 ° F) temperatūrā. Ledus, ūdens cietā fāze, ir straujāks, tāpēc tas veidojas ūdenstilpju virsmā un sasalst lejup. Ezeri un upes reti pilnībā sasalst, un zemāk esošais šķidrais ūdens var kļūt par ziemas ūdens patvērumu. Kad pavasarī kūst ledus, lēnām sasilstošais virsmas kausētais ūdens nogrimst, izspiežot zemāk esošo ūdeni un visā ūdens kolonnā sajaucot barības vielas.

ūdens ķīmija

ūdens ķīmija Pārskats par ūdens molekulu ķīmisko struktūru. Amerikas Ķīmijas biedrība (Britannica izdevniecības partneris) Skatiet visus šī raksta videoklipus



Lai gan ūdens molekulas pēc struktūras ir vienkāršas (HdiviFizikālās un ķīmiskās īpašības savienojums ir ārkārtīgi sarežģīti, un tie nav raksturīgi lielākajai daļai uz Zemes atrodamo vielu. Piemēram, lai arī ledus gabaliņu, kas peld ledus ūdens glāzē, redze ir parasta parādība, ķīmiskām vienībām šāda rīcība ir neparasta. Gandrīz katram citam savienojumam cietais stāvoklis ir blīvāks nekā šķidrais; tādējādi cietā viela nogrimtu šķidruma apakšā. Fakts, ka ledus peld uz ūdens, ir ārkārtīgi svarīgs dabiskajā pasaulē, jo ledus, kas veidojas uz dīķiem un ezeriem aukstajos pasaules rajonos, darbojas kā izolācijas barjera, kas aizsargā ūdens dzīvi zemāk. Ja ledus būtu blīvāks par šķidru ūdeni, ledus, kas veidojas uz dīķa, nogrimtu, tādējādi pakļaujot vairāk ūdens aukstajai temperatūrai. Tādējādi dīķis galu galā sasaltu, nogalinot visas esošās dzīvības formas.

kāda ir visindīgākā čūska
polārlācis uz ledus klāja

polārlācis, dzeršana uz vietas, cukura glazūra, bērs Redze uz ledus, kas peld uz ūdens, ir ikdienišķa parādība, taču tas parāda neparastu ūdens ķīmisko uzvedību, kas kā cietviela ir mazāk blīva nekā šķidrā fāzē. SeppFriedhuber - E + / Getty Images

Normālos apstākļos ūdens notiek kā šķidrums uz Zemes virsmas, kas padara to par nenovērtējamu transportēšanai, atpūtai un kā dzīvotnei neskaitāmas gada augi un dzīvnieki . Fakts, ka ūdens tiek viegli mainīts uz tvaiku (gāzi), ļauj to transportēt caur atmosfēru no okeāniem uz iekšzemes teritorijām, kur tas kondensējas, un, lietus , baro augs un dzīvnieku dzīvi. ( Skat hidrosfēra: hidroloģiskais cikls, lai aprakstītu ciklu, ar kuru ūdens tiek pārnests virs Zemes.)



ūdens hidroloģiskā cikla diagramma

ūdens hidroloģiskā cikla diagramma Hidroloģiskajā ciklā ūdens tiek pārnests starp zemes virsmu, okeānu un atmosfēru. Cipari uz bultiņām norāda relatīvās ūdens plūsmas. Enciklopēdija Britannica, Inc.

Sakarā ar ievērojamību ūdenim jau sen ir bijusi nozīmīga reliģiskā un filozofiskā loma cilvēces vēsturē. 6. gadsimtābce, Miletasas Taliss, kuru dažreiz atzīst par grieķu filozofijas aizsākšanu, ūdeni uzskatīja par vienīgo matērijas pamatelementu:



Tieši ūdens dažādos veidos veido zeme, atmosfēra, debesis, kalni, dievi un cilvēki, zvēri un putni, zāle un koki un dzīvnieki līdz tārpiem, mušām un skudrām. Visas šīs ir dažādas ūdens formas. Meditējiet par ūdeni!

Pēc divsimt gadiem Aristotelis uzskatīja, ka ūdens ir viens no četriem pamatelementiem, papildus zemei, gaisam un ugunij. Pārliecība, ka ūdens ir pamatviela, saglabājās vairāk nekā 2000 gadus, līdz eksperimenti 18. gadsimta otrajā pusē parādīja, ka ūdens ir savienojums, kas sastāv no ūdeņraža un skābekļa elementiem.



kas bija patiess par Panamas kanālu
ūdens novākšana

ūdens novākšana Pētnieki izgudro ierīci, kas var iegūt dzeramo ūdeni no tuksneša gaisa. Parādīts ar Kalifornijas universitātes The Regents atļauju. Visas tiesības aizsargātas. (Britannica izdevniecības partneris) Skatiet visus šī raksta videoklipus

Ūdens uz Zemes virsmas galvenokārt atrodas tās okeānos (97,25 procenti) un polārajos ledus cepurīšos un ledājos (2,05 procenti), līdzsvaram atrodoties saldūdens ezeros, upēs un gruntsūdeņos. Pieaugot Zemes populācijai un pieaugot pieprasījumam pēc saldūdens, ūdens attīrīšana un pārstrāde kļūst arvien nozīmīgāka. Interesanti, ka rūpnieciskai lietošanai paredzētā ūdens tīrības prasības bieži pārsniedz cilvēku prasības patēriņš . Piemēram, augstspiediena katlos izmantotajam ūdenim jābūt vismaz 99,99999898% tīram. Tā kā jūras ūdenī ir liels daudzums izšķīdinātu sāļu, tas ir jāatsāļo lielākai daļai lietojumu, ieskaitot cilvēku patēriņu.



Hūvera aizsprosts

Hūvera aizsprosts Hūvera aizsprosts Kolorādo upē pie Nevadas un Arizonas robežas parāda, kā ūdens dabas resursus var izmantot dažādiem mērķiem, tostarp cilvēku patēriņam, apūdeņošanai un rūpniecībai. Roberts Glusiks / Getty Images

ūdens attīrīšanas sistēmas shēma

ūdens attīrīšanas sistēmas diagramma Ūdens attīrīšanas sistēmas ir svarīgas jūras ūdens atsāļošanai, tāpēc to var izmantot cilvēku patēriņam un rūpnieciskai ūdenim. Enciklopēdija Britannica, Inc.

Šajā rakstā ir aprakstīta ūdens molekulārā struktūra, kā arī tā fizikālās un ķīmiskās īpašības. Lai veiktu citas galvenās ūdens procedūras, redzēt klimats ; vides darbi; hidrosfēra; ledus; un piesārņojums.

Ūdens struktūra

Šķidrs ūdens

Ūdens molekula sastāv no diviem ūdeņraža atomiem, no kuriem katrs ir saistīts ar vienu ķīmisko saiti ar skābekļa atomu. Lielākajai daļai ūdeņraža atomu ir kodols, kas sastāv tikai no protona. Divas izotopu formas, deitērijs un tritijs, kurās atomu kodoli satur arī vienu un divus neitroni , attiecīgi, nelielā mērā atrodami ūdenī. Deitērijs oksīds (DdiviO), ko dēvē par smago ūdeni, ir svarīga ķīmijas pētījumos un tiek izmantota arī kā a neitronu moderators dažos kodolreaktoros.

ūdens molekula

ūdens molekula Ūdens molekulu veido divi ūdeņraža atomi un viens skābekļa atoms. Viena skābekļa atoma ārējā apvalkā ir seši elektroni, kas kopā var turēt astoņus elektronus. Kad divi ūdeņraža atomi ir saistīti ar skābekļa atomu, tiek piepildīts skābekļa ārējais elektronu apvalks. Enciklopēdija Britannica, Inc.

Liecinieks eksperimentam, kurā izskaidrots, kāpēc saldūdenim un jūras ūdenim ir dažādas sasalšanas vietas

Liecinieks eksperimentam, kurā izskaidrots, kāpēc saldūdenim un jūras ūdenim ir atšķirīgi sasalšanas punkti. Uzziniet, kāpēc saldūdenim un jūras ūdenim ir atšķirīgi sasalšanas punkti. Contunico ZDF Enterprises GmbH, Mainca Skatiet visus šī raksta videoklipus

Lai gan tā formula (HdiviO) šķiet vienkāršs, ūdenim piemīt ļoti sarežģītas ķīmiskās un fizikālās īpašības. Piemēram, tā kušanas temperatūra 0 ° C (32 ° F) un viršanas temperatūra 100 ° C (212 ° F) ir daudz augstāka, nekā varētu sagaidīt, salīdzinot ar analogs savienojumi , piemēram, sērūdeņradis un amonjaks. Cietā formā ledus, ūdens ir mazāk blīvs nekā šķidrs, kas ir vēl viena neparasta īpašība. To sakne anomālijas atrodas ūdens molekulas elektroniskajā struktūrā.

Ūdens molekula nav lineāra, bet īpašā veidā saliekta. Abi ūdeņraža atomi ir saistīti ar skābekļa atomu 104,5 ° leņķī.

ūdens molekulas struktūra, kurā divi ūdeņraža atomi ir saistīti ar skābekļa atomu 104,5 grādu leņķī.

O―H attālums (saites garums) ir 95,7 pikometri (9,57 × 10−11metri vai 3.77 × 10−9collas). Tā kā skābekļa atomam ir lielāka elektronegativitāte nekā ūdeņraža atomam, ūdens molekulā esošās O―H saites ir polāras, skābeklim ir daļējs negatīvs lādiņš (δ−) un ūdeņražiem ir daļējs pozitīvs lādiņš (δ +).

ūdens molekulas struktūra, kas parāda ūdeņraža un skābekļa atomu lādiņus

kas notika 1. pasaules karā

Ūdeņraža atomi ūdens molekulās tiek piesaistīti augsta elektronu blīvuma reģioniem un var veidot vājas saites, sauktas par ūdeņraža saitēm, ar šiem reģioniem. Tas nozīmē, ka ūdeņraža atomi vienā ūdens molekulā tiek piesaistīti skābekļa atoma nesaistošajiem elektronu pāriem blakus ūdens molekula. Tiek uzskatīts, ka šķidrā ūdens struktūra sastāv no: agregāti ūdens molekulu, kas pastāvīgi veidojas un atkārtoti veidojas. Šis nelielā diapazona pasūtījums, kā to sauc, izskaidro citas neparastas ūdens īpašības, piemēram, tā augsto viskozitāte un virsmas spraigums.

ūdens pilieni

ūdens pilieni Ūdens ir polāra molekula, un to piesaista citas polārās molekulas. Tādējādi uz nepolāras virsmas veidojas ūdens pilieni vai krelles, jo ūdens molekulas turas kopā, nevis piestiprinās virsmai. fotofuerst / Fotolia

sadalot ūdeni

ūdens sadalīšana Katalizators, kas sadala ūdeni ūdeņradī un skābeklī. Amerikas Ķīmijas biedrība (Britannica izdevniecības partneris) Skatiet visus šī raksta videoklipus

Skābekļa atoma ārējā (valences) apvalkā ir seši elektroni, kas kopā var turēt astoņus elektronus. Kad skābekļa atoms veido vienu ķīmisku saiti, tas dala vienu no saviem elektroniem ar cita atoma kodolu un pretī saņem daļu no šī atoma elektrona. Savienojoties ar diviem ūdeņraža atomiem, skābekļa atoma ārējais elektronu apvalks ir piepildīts.

Elektronu izvietojumu ūdens molekulā var attēlot šādi.

ūdens molekulas struktūra, kas parāda elektronu izvietojumu

Katrs punktu pāris apzīmē nedalītu elektronu pāri (t.i., elektroni dzīvo tikai uz skābekļa atoma). Šo situāciju var attēlot arī, ievietojot ūdens molekulu kubā.

Ūdens molekula kubā, kurā redzami nedalīti elektroni. Ūdeņraža savienošana.

Katrs simbols ↑ ↓ apzīmē nedalītu elektronu pāri. Šī elektroniskā struktūra noved pie ūdeņraža savienojuma.

ūdens molekulas struktūra, kurā redzami nedalīti elektroni, kas noved pie ūdeņraža saites