Вода, ее физические свойства

Свойства воды обусловлены:
Малыми размерами;
Полярностью (неравномерное распределение зарядов в молекуле)
Способность соединяться друг с другом водородными связями

Диполь:
один полюс несет положительный заряд; другой - отрицательный

У атома кислорода способность притягивать электроны выражена сильнее, чем у водородных атомов, поэтому атом кислорода в молекуле воды стремится оттянуть к себе электроны двух водородных атомов.

Водородные связи между молекулами воды. Благодаря полярным ковалентным связям в молекуле воды есть положительно и отрицательно заряженные области. Атомы соседних молекул, несущие противоположные заряды, притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Каждая молекула может одновременно образовывать несколько водородных связей, при этом ее партнёры постоянно меняются

Кислород более электроотрицателен, чем водород, поэтому обобществленные электроны преимущественно смещены к атому кислорода.
Ковалентные связи, где электроны распределены неравномерно, называются ковалентными полярными связями.
Неравномерное распределение электронов и V-образная форма молекул придают воде свойства полярной молекулы.

Полярная означает, что заряд распределён неравномерно по поверхности такой молекулы.

Между молекулами воды возникает слабое электростатическое взаимодействие, противоположные заряды притягиваются, молекулы «склеиваются».

Водородные связи – слабее ионных, ковалентных.

Свойства воды определяются взаимодействием между противоположно заряженными атомами соседних молекул, т.е. атом водорода одной молекулы, несущий частичный положительный заряд, притягивается к атому кислорода другой молекулы, имеющему частичный отрицательный заряд.

Водородные связи удерживают соседние молекулы вместе.
Они в 20 раз слабее ковалентных. В жидкой воде нестабильны. Постоянно разрушаются и образуются заново.
Время жизни такой связи составляет не более одной триллионной доли секунды, но молекулы воды постоянно образуют водородные связи с новыми партнёрами, поэтому в любой момент она оказывается соединена с какой -то из соседних молекул.

Множество водородных связей удерживают молекулы вещества вместе. Это явление получило название когезии.
Благодаря когезии вода с растворенными питательными веществами может двигаться по проводящим тканям растения в направлении, противоположном действию силы тяжести – из корней подниматься в листья.

Когда молекулы воды испаряются с поверхности листьев, водородные связи между ними «вытягивают» наверх все новые молекулы, расположенные ниже. Т.о. по всей высоте, вплоть до корней, водопроводящие сосуды растений испытывают натяжение.
Важную роль в поддержании восходящего тока воды также играет адгезия – слипание поверхностей веществ различной природы.
Адгезия молекул воды к клеточным стенкам также обеспечивается наличие водородных связей. Это сцепление препятствует оттоку воды вниз под воздействием гравитационных сил.

С когезией связано поверхностное натяжение.

Молекулы воды на границе жидкость-воздух упорядочены и вязаны водородными связями с нижележащими молекулами.
Высокое поверхностное натяжение.
Иллюзия, что поверхность воды покрыта прочной невидимой пленкой.

Паук использует высокое поверхностное натяжение воды, пересекая пруд без риска утонуть.

Когда молекулы воды удаляются с конца трубки ксилемы из-за транспирации листьев, отверстие, как правило, немедленно заполняется другими молекулами, которые ниже. Это создает натяжение или отрицательное давление, которое буквально тянет столб воды вверх.
Сильное сцепление между молекулами воды предотвращает разрыв столбика сока внутри трубки, так что весь сок внутри трубки поднимается как единое целое. Естественно, из корней должна быть постоянная подача воды. В противном случае, как и в ситуациях засухи, столбик сока может быть прерван, что вызовет проблемы для растения.

Существуют две альтернативы для проникновения воды в корень: вода может проходить через клетки, переходя из одной в другую через небольшие отверстия, называемые плазмодесмами (внутриклеточный или упрощенный транспорт) или проходить через пространства клеточных стенок, которые отделяют одну клетку от другой (внеклеточный или апопластический транспорт).

Существует два основных типа проводящих трубок. Первый тип — трахеиды, представляющие собой очень узкие и удлиненные клетки, в которых прохождение веществ из одной клетки в другую осуществляется через окаймленные поры в клеточных стенках, расположенные на большой части этих стенок

Другим типом являются сосуды или трахеи с несколько большим диаметром и с законченными отверстиями (перфорациями) в зонах стенок, отделяющих от других клеток.

Любой движущий объект обладает кинетической энергией – энергией движения.
Атомы и молекулы обладают этой энергией, постоянно движутся, без определённого направления
Чем быстрее движется молекула, тем больше ее кинетическая энергия.
Тепловая энергия - сумма кинетической энергии атомов и молекул вещества.
Тепловая энергия напрямую связана с температурой
Когда в чайнике нагревают воду, средняя скорость ее молекул возрастает. Повышается температура жидкости.
Если 2 тела соприкасаются друг с другом, более тёплый объект будет отдавать тепловую энергию более холодному до тех пор , пока их температуры не сравняются. Молекулы более холодного тела начнут двигаться быстрее за счёт тепловой энергии тела с более высокой температурой.

Кубик льда охлаждает чай не за счёт сообщения холода жидкой воде, но за счёт того, что по мере таяния, забирает ее тепловую энергию.
Теплота – это тепловая энергия, которая передаётся от одного тела к другому.
Единица измерения теплоты – калория (кал).
1 кал это количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть 1 г воды на 1 С .
Другая единица теплоты –джоулб
1 Дж – 0,239 кал.

Удельная теплоёмкость вещества – это количество теплоты, которое выделяет 1 г вещества при охлаждении на 1С или поглощает при нагревании на 1С.
Высокая удельная теплоёмкость обусловлена обилием водородных связей между ее молекулами. Когда вода поглощает тепловую энергию, часть ее расходуется на разрыв водородных связей, которые ограничивают подвижность молекул. После разрыва связей, скорость молекул воды может возрасти.
при понижении температуры воды будут образовываться водородные связи, что приведёт к высвобождению значительного количества энергии в виде тепла.
Высокая удельная теплоёмкость воды сводит к минимуму температурные колебания внутри мирового океана, что делает его благоприятной для морских обитателей.

В холодные периоды (по ночам, зимой) вода охлаждается, накопленное в ней тепло высвобождается в атмосферу и нагревает ее.
Это свойство воды уменьшает перепады температуры воздуха на побережьях.

В светлое время суток, вода поглощает и удерживает в своём объёме большое количество солнечного тепла

Молекулы воды удерживаются вместе за сет притяжения друг к другу.
Те из них, которые движутся со скоростью, достаточной для преодоления этого притяжения, могут переходить из жидкого в газообразную фазу (пар) - испарение (парообразование).
Даже при низкой температуре всегда есть молекулы, которые двигаются намного быстрее остальных и способны улетучиться, оторвавшись от поверхности.

Если жидкость подогреть, кинетическая энергия ее молекул повысится и испарение пойдёт быстрее.

Если оставить на длительное время стакан с водой при комнатной температуре, в какой то момент он опустеет, т.к. вся вода испарится.

Это количество теплоты, необходимое, чтобы обеспечить переход 1г жидкости в газообразное состояние.
Высокая теплота парообразования -свойство обусловленное суммарной силой водородных связей между ее молекулами. Чтобы молекулы воды перешли в пар, необходимо сначала разрушить эти связи.

Тот факт, что для испарения воды требуется много энергии, помогает поддерживать климат на Земле относительно стабильным: вода тропических морей поглощает тепло от Солнца и испаряется; влажный тропический воздух затем направляется к полюсам, при этом он остывает, а лищний водяной пар выпадает в виде осадков.

На организменном уровне высокая теплота парообразования воды может являться причиной ожогов, полученных от горячего пара.

Водяной пар конденсируется на поверхности кожи: при этом выделяется столько тепловой энергии, что велика вероятность травмирования кожных покровов.

Когда жидкость испаряется, ее поверхность становится более холодной. Такое испарительное охлаждение происходит благодаря тому, что жидкость в первую очередь покидают наиболее «горячие» молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией.
Испарительное охлаждение воды обеспечивает стабильность температуры в озёрах и прудах, а на организменном уровне создаёт механизм защиты от перегрева для наземных организмов.

Благодаря испарению воды с поверхности листьев растений их ткани листьев не перегреваются на солнце, а испарение пота с кожи человека рассеивает тепловой поток, идущий от тела, и предотвращает перегрев при высоких температурах воздуха или при повышенной физической активности

Распределение молекул воды вокруг ионов в растворе.
Более электроотрицательные атомы кислорода молекул воды обращены в сторону катиона, а вокруг аниона они направлены, наоборот наружу.

Молекулы воды разделяют ионы и удерживают их на определенном расстоянии друг от друга вследствие того, что в совокупности притяжение между ними и ионами сильнее, чем между катионами и анионами.

В растворе молекулы и ионы получают возможность двигаться более свободно, так что реакционная способность вещества возрастает. (реакции в водных растворах)

Когда вещество растворяется в воде, молекулы воды окружают ионы и полярные группы, отделяя ионы или молекулы друг от друга.

1. Вода – растворитель.
2. Вода –среда для транспорта различных веществ (кровь, лимфа, экскреторные системы, пищеварительный тракт, флоэма, ксилема).
3. Большая теплоемкость: существенное увеличение тепловой энергии вызывает сравнительно небольшое повышение ее температуры.
Удельная теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1º

Значительная часть энергии тратится на разрыв водородных связей. (разрыв склеенности)

4. Большая теплота испарения – (есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для ее перехода в пар, для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости).
На испарение тратится много энергии. Поэтому температура кипения воды необычайно высокая.
Испарение сопровождается охлаждением (у животных при потоотделении, при тепловой отдышке у млекопитающих, у некоторых рептилий (у крокодилов).
Отдача организмом даже больших количеств тепла сопровождается минимальными потерями воды, т.е. не обязательно ведет к его обезвоживанию.
5. Большая теплота плавления
Скрытая теплота плавления это мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твердого вещества