KĀDAS IR ŪDENS ANOMĀLIJAS? - ĶĪMIJA - 2025

Ūdens anomālijas ir tās īpašības, kuras izšķir un tiek novietotas kā vissvarīgākā un īpašākā šķidrā viela. Fizikāli un ķīmiski ūdens parāda milzīgas atšķirības salīdzinājumā ar citiem šķidrumiem, pat pārsniedzot cerības un teorētiskos aprēķinus. Varbūt tas ir tik vienkārši, un vienlaikus tikpat sarežģīti kā pati dzīve.

Ja ogleklis ir dzīves stūrakmens, ūdens atbilst tā šķidrumam. Ja tas nebūtu unikāls un nesalīdzināms, tā anomāliju produkts, oglekļa saites, kas veido bioloģiskās matricas, nebūtu lietderīgas; dzīves uztvere sagrūs, okeāni pilnībā sasalst, un mākoņi debesīs netiks apturēti.

Aisbergi un ledus ķermeņi, kas peld uz ūdens, ir parasti nepamanīts vienas no ūdens anomālijām piemērs. Avots: Pexels.

Ūdens tvaiki ir daudz vieglāki nekā citas gāzes, un tā mijiedarbība ar atmosfēru rada mākoņu veidošanos; šķidrums ir ievērojami blīvāks attiecībā pret gāzi, un šī blīvuma atšķirība izskatās akcentēta salīdzinājumā ar citiem savienojumiem; un cietajai vielai anomāli ir daudz mazāks blīvums nekā šķidrumam.

Pēdējais piemērs ir novērojams faktā, ka aisbergi un ledus peld šķidrā ūdenī, kas ir tā zemāka blīvuma produkts.

Īpašs karstums

Pludmales - vēl viens dabisks piemērs, kur makroskopiski tiek novērots anomālais īpatnējais ūdens siltums. Avots: Pixabay.

Ūdens liecina par spēcīgu pretestību temperatūras paaugstināšanai pirms siltuma avota. Tāpēc avotam jāpiegādā pietiekami daudz siltuma, lai piespiestu ūdeni paaugstināt tā temperatūru par vienu grādu pēc Celsija; tas ir, tā īpatnējais siltums ir augsts, augstāks nekā jebkura parasta savienojuma, un tā vērtība ir 4,186 J / g ° ºC.

Iespējamie izskaidrojumi tā anomālajam īpatnējam karstumam ir saistīti ar faktu, ka ūdens molekulas nesakārtotā veidā veido vairākas ūdeņraža saites, un siltums tiek izkliedēts, lai palielinātu šādu tiltu vibrācijas; pretējā gadījumā ūdens molekulas vibrēs ne augstākā frekvencē, kas nozīmē temperatūras paaugstināšanos.

No otras puses, tiklīdz molekulas ir termiski ierosinātas, tām ir nepieciešams laiks, lai atjaunotu to ūdeņraža saišu sākotnējo stāvokli; tas ir tas pats, kas teikt, ka normālos apstākļos ir nepieciešams laiks, lai atdziest, izturoties kā siltuma rezervuārs.

Piemēram, pludmalēs tiek parādīta abu uzvedība dažādos gadalaikos. Ziemā tie paliek siltāki nekā apkārtējais gaiss, bet vasarā - vēsāki. Šī iemesla dēļ tas būs saulains, bet, peldoties jūrā, tas jūtas vēsāks.

Latentais iztvaikošanas siltums

Ūdenim ir ļoti augsts entalpijas vai latentais iztvaikošanas siltums (2257 kJ / kg). Šī anomālija sinerģizē ar tās īpašo siltumu: tā darbojas kā siltuma rezervuārs un regulators.

Tās molekulām jāuztver pietiekami daudz siltuma, lai tās nonāktu gāzes fāzē, un siltumu iegūst no apkārtnes; it īpaši uz virsmas, pie kuras tie ir piestiprināti.

Šī virsma var būt, piemēram, mūsu āda. Kad ķermenis vingro, tas izdala sviedrus, kuru sastāvs būtībā ir ūdens (vairāk nekā 90%). Sviedri absorbē siltumu no ādas, lai iztvaikotu, tādējādi radot dzesēšanas sajūtu. Tas pats notiek ar augsni, kas pēc mitruma iztvaicēšanas pazemina tās temperatūru un jūtas aukstāka.

Dielektriskā konstante

Ūdens molekula ir ārkārtīgi polāra. To atspoguļo tā dielektriskā konstante (78,4 pie 25ºC), kas ir augstāka nekā citām šķidrajām vielām. Lielās polaritātes dēļ tas spēj izšķīdināt lielu skaitu jonu un polāro savienojumu. Tieši šī iemesla dēļ to uzskata par universālu šķīdinātāju.

Difūzija

Ūdens difūzija caur cauruli. Avots: Pxhere.

Viena no šķidrā ūdens ziņkārīgajām anomālijām ir tā, ka tas caur daudzmazinātu caurumu izkliedējas daudz ātrāk, nekā aprēķināts. Šķidrumi parasti palielina ātrumu, kad tie plūst caur šaurākām caurulēm vai kanāliem; bet ūdens straujāk un vardarbīgāk paātrinās.

Makroskopiski to var novērot, mainot cauruļu šķērsgriezuma laukumu, caur kuru ūdens cirkulē. Un nanometriski to var izdarīt, bet, izmantojot aprēķinu pētījumus, izmantojot oglekļa nanocaurules, kas palīdz noskaidrot saistību starp ūdens molekulāro struktūru un dinamiku.

Blīvums

Sākumā tika minēts, ka ledus blīvums ir mazāks nekā ūdens. Papildus tam tā sasniedz maksimālo vērtību ap 4ºC. Kad ūdens atdziest zem šīs temperatūras, blīvums sāk samazināties un aukstāks ūdens paaugstinās; un visbeidzot, tuvu 0ºC, blīvums nokrītas līdz minimālajai vērtībai - ledus blīvumam.

Viena no galvenajām sekām ir ne tikai tas, ka aisbergi var peldēt; bet arī tas veicina dzīvi. Ja ledus būtu blīvāks, tas nogrimtu un atdzesētu dziļumu līdz sasalšanai. Jūras tad atdzistos no apakšas uz augšu, atstājot jūras faunai pieejamu tikai ūdens plēvi.

Turklāt, kad ūdens nokļūst iežu padziļinājumos un pazeminās temperatūra, tas izplešas, sasalstot, veicinot tā eroziju un ārējo un iekšējo morfoloģiju.

Viegls un smags ūdens

Ledus peldot, ezeru un upju virsmas sasalst, bet zivis var turpināt dzīvot dziļumā, kur skābeklis labi izšķīst un temperatūra ir virs vai zem 4ºC.

No otras puses, šķidrs ūdens faktiski netiek uzskatīts par ideāli viendabīgu, bet sastāv no strukturāliem agregātiem ar dažādu blīvumu. Virspusē atrodas vieglākais ūdens, savukārt apakšā - blīvākais.

Tomēr šādas šķidruma-šķidruma "pārejas" ir pamanāmas tikai atdzesētā ūdenī un simulācijās ar augstu spiedienu.

Ledus izplešanās

Vēl viena raksturīga ūdens anomālija ir tā, ka ledus pazemina tā kušanas temperatūru, palielinoties spiedienam; tas ir, augstākā spiedienā ledus kūst zemākā temperatūrā (zem 0ºC). It kā spiediena rezultātā ledus, tā vietā, lai saruktu, izplešas.

Šāda izturēšanās ir pretrunā ar citām cietām vielām: jo lielāks spiediens uz tām un līdz ar to to saraušanās, tām būs nepieciešama augstāka temperatūra vai karstums, lai tās izkustu un tādējādi spētu atdalīt molekulas vai jonus.

Ir arī vērts pieminēt, ka ledus ir viena no dabā visvairāk slidenām cietajām vielām.

Virsmas spraigums

Kukaiņu staigāšana pa ūdens virsmu. Avots: Pixabay.

Visbeidzot, kaut arī ir minētas tikai dažas anomālijas (no aptuveni 69 zināmajām un vēl daudzām citām, kuras vēl tiek atklātas), ūdenim ir neparasti augsts virsmas spraigums.

Daudzi kukaiņi izmanto šo īpašību, lai varētu staigāt pa ūdeni (augšējais attēls). Tas notiek tāpēc, ka tā svars nepieliek pietiekami daudz spēka, lai izjauktu ūdens virsmas spraigumu, kura molekulas tā vietā, lai izplestos, saraujas, neļaujot apgabalam vai virsmai palielināties.

Atsauces

1. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. (2008). Ķīmija. (8. izd.). CENGAGE mācīšanās.
2. Bērni un zinātne. (2004). Ūdens anomālija. Atgūts no: vias.org
3. Čaplins Martins. (2019. gads). Ūdens anomālās īpašības. Ūdens struktūra un zinātne. Atgūts no: 1.lsbu.ac.uk
4. ChimiSpiega. (2014. gada 2. februāris). Ūdens: nepāra gadījums ap mums. Chimicare. Atgūts no: chimicare.org
5. Nilsons, A., un Petterssons, LG (2015). Šķidrā ūdens anomālo īpašību strukturālā izcelsme. Dabas sakari, 6, 8998. doi: 10.1038 / ncomms9998
6. IIEH. (2014. gada 2. jūlijs). Ūdens anomālijas. Evolūcija un vide: Cilvēka evolūcijas pētījumu institūts AC Atgūts no: iieh.com
7. Pivetta Marcos. (2013). Ūdens dīvainā puse. FAPESP pētījumi. Atgūts no: revistapesquisa.fapesp.br