Water is de chemische stof met chemische formule H
2O; een molecuul water heeft twee waterstofatomen die covalent gebonden zijn aan een enkel zuurstofatoom.Water is een smaakloos, geurloos vloeistof bij omgevingstemperatuur en druk. Vloeibaar water heeft zwakke absorptiebanden bij golflengten van ongeveer 750 nm waardoor het een blauwe kleur lijkt te hebben. Dit kan gemakkelijk worden waargenomen in een met water gevuld bad of wastafel waarvan de voering is wit. Grote ijskristallen, zoals in gletsjers, zien er ook Blauw uit.,
onder standaardomstandigheden is water voornamelijk een vloeistof, in tegenstelling tot Andere analoge hydriden van de zuurstoffamilie, die over het algemeen gasvormig zijn. Deze unieke eigenschap van water is te wijten aan waterstofbinding. De watermoleculen bewegen voortdurend naar elkaar toe, en de waterstofbindingen breken en reformeren voortdurend op tijdschalen sneller dan 200 femtoseconden (2×10-13 seconden).Deze bindingen zijn echter sterk genoeg om veel van de eigenaardige eigenschappen van water te creëren, waarvan sommige het integraal maken voor het leven.,
Water, ijs en vapourEdit
in de atmosfeer en het oppervlak van de aarde is de vloeibare fase de meest voorkomende en is de vorm die meestal wordt aangeduid met het woord “water”. De vaste fase van water staat bekend als ijs en neemt meestal de structuur van harde, amalgamated kristallen, zoals ijsblokjes, of losjes geaccumuleerde korrelige kristallen, zoals sneeuw. Naast veelvoorkomende zeshoekige kristallijne ijsfasen zijn ook andere kristallijne en amorfe fasen van ijs bekend. De gasvormige fase van water staat bekend als waterdamp (of stoom)., Zichtbare stoom en wolken worden gevormd uit minuscule waterdruppels die in de lucht hangen.
Water vormt ook een superkritische vloeistof. De kritische temperatuur is 647 K en de kritische druk is 22.064 MPa. In de natuur komt dit slechts zelden voor in extreem vijandige omstandigheden. Een waarschijnlijk voorbeeld van natuurlijk voorkomende superkritisch water is in de heetste delen van diep water hydrothermale openingen, waarin water wordt verwarmd tot de kritische temperatuur door vulkanische pluimen en de kritische druk wordt veroorzaakt door het gewicht van de oceaan op de extreme dieptes waar de openingen zich bevinden., Deze druk wordt bereikt op een diepte van ongeveer 2200 meter: veel minder dan de gemiddelde diepte van de oceaan (3800 meter).
warmtecapaciteit en verdampings – en fusiewarmte
verdampingswarmte van water van smelting tot kritische temperatuur
Water heeft een zeer hoge soortelijke warmtecapaciteit van 4181,4 J/(kg·K) bij 25 °C-de op een na hoogste van alle heteroatomische soorten (na ammoniak), evenals een hoge hitte van verdamping (40.,65 kJ / mol of 2257 kJ / kg bij het normale kookpunt), die beide een gevolg zijn van de uitgebreide waterstofbinding tussen zijn moleculen. Deze twee ongewone eigenschappen zorgen ervoor dat water het klimaat van de aarde matigt door grote temperatuurschommelingen te bufferen. Het grootste deel van de extra energie die sinds 1970 in het klimaatsysteem is opgeslagen, heeft zich opgehoopt in de oceanen.
de specifieke enthalpie van fusie (beter bekend als latente warmte) van water is 333.,55 kJ / kg bij 0 °C: Voor het smelten van ijs is dezelfde hoeveelheid energie nodig als voor het opwarmen van ijs van -160 °C tot het smeltpunt of voor het verwarmen van dezelfde hoeveelheid water met ongeveer 80 °C. van gewone stoffen is alleen die van ammoniak hoger. Deze eigenschap verleent weerstand tegen smelten op het ijs van gletsjers en drijfijs. Voor en sinds de komst van mechanische koeling, ijs was en is nog steeds in gemeenschappelijk gebruik voor het vertragen van voedsel bederf.
de specifieke warmtecapaciteit van ijs bij -10 °C is 2030 J/(kg·K)en de warmtecapaciteit van stoom bij 100 °C is 2080 J / (kg·K).,
dichtheid van water en ijsdit
dichtheid van ijs en water als functie van temperatuur
de dichtheid van water is ongeveer 1 gram per kubieke centimeter (62 lb/cu ft): deze relatie werd oorspronkelijk gebruikt om de gram te definiëren. De dichtheid varieert met de temperatuur, maar niet lineair: als de temperatuur stijgt, stijgt de dichtheid tot een piek bij 3,98 °C en neemt dan af; Dit is ongebruikelijk. Regelmatig, zeshoekig ijs is ook minder dicht dan vloeibaar water—bij bevriezing neemt de dichtheid van water met ongeveer 9% af.,
Deze effecten zijn te wijten aan de vermindering van thermische beweging met koeling, waardoor watermoleculen meer waterstofbindingen kunnen vormen die voorkomen dat de moleculen dicht bij elkaar komen. Terwijl onder 4 °C de breuk van waterstofbindingen als gevolg van verwarming watermoleculen in staat stelt om dichter verpakken ondanks de toename van de thermische beweging (die de neiging heeft om een vloeistof uit te breiden), boven 4 °C water uitzet als de temperatuur stijgt. Water in de buurt van het kookpunt is ongeveer 4% minder dicht dan water bij 4 °C (39 °F).,onder toenemende druk ondergaat ijs een aantal overgangen naar andere polymorfen met een hogere dichtheid dan vloeibaar water, zoals ice II, ice III, high-density amorfe ijs (HDA) en very-high-density amorfe ijs (VHDA).,
temperatuurverdeling in een meer in zomer en winter
de ongebruikelijke dichtheidscurve en lagere dichtheid van ijs dan van water is van vitaal belang voor het leven—als het water op het vriespunt het meest dicht was, dan zou in de winter het zeer koude water aan het oppervlak van meren en andere waterlichamen zinken, meren van onderaf kunnen bevriezen, en al het leven in ze zouden gedood worden. Bovendien, gezien het feit dat water een goede thermische isolator is (vanwege de warmtecapaciteit), kunnen sommige bevroren meren in de zomer niet volledig ontdooien., De laag ijs die bovenop drijft isoleert het water eronder. Water bij ongeveer 4 °c (39 °F) zinkt ook naar de bodem, waardoor de temperatuur van het water op de bodem constant blijft (zie diagram).
dichtheid van zoutwater en ijsdit
WOA oppervlaktedichtheid
de dichtheid van zoutwater is afhankelijk van het gehalte aan opgelost zout en de temperatuur. Ijs drijft nog steeds in de oceanen, anders zouden ze van onderaf bevriezen. Het zoutgehalte van oceanen verlaagt het vriespunt echter met ongeveer 1.,9 °C (Zie hier voor uitleg) en verlaagt de temperatuur van de dichtheid maximum van water tot het voormalige vriespunt op 0 °C. Daarom wordt in oceaanwater de neerwaartse convectie van kouder water niet geblokkeerd door een uitzetting van water als het kouder wordt in de buurt van het vriespunt. Het koude water van de oceanen bij het vriespunt blijft zinken. Dus wezens die leven op de bodem van koude oceanen zoals de Noordelijke IJszee leven in het algemeen in water 4 °C kouder dan op de bodem van bevroren zoetwatermeren en rivieren.
naarmate het zoutwateroppervlak begint te bevriezen (bij -1.,9 °C voor normaal zoutgehalte zeewater, 3,5%) het ijs dat zich vormt is in wezen zoutvrij, met ongeveer dezelfde dichtheid als zoetwaterijs. Dit ijs drijft op het oppervlak, en het zout dat is “bevroren” draagt bij aan het zoutgehalte en de dichtheid van het zeewater net eronder, in een proces dat bekend staat als pekelafstoting. Dit dichtere zoutwater zinkt door convectie en het vervangende zeewater is onderworpen aan hetzelfde proces. Dit produceert voornamelijk zoetwaterijs bij -1,9 °C op het oppervlak. De verhoogde dichtheid van het zeewater onder het vormende ijs zorgt ervoor dat het naar de bodem zinkt., Op grote schaal resulteert het proces van pekelafstoting en het zinken van koud zout water in de vorming van oceaanstromingen om dergelijk water weg te transporteren van de Polen, wat leidt tot een wereldwijd systeem van stromingen genaamd de thermohaliene circulatie.
mengbaarheid en condensatiedit
rode lijn toont verzadiging
Water is mengbaar met veel vloeistoffen, waaronder ethanol in alle verhoudingen., Water en de meeste oliën zijn niet mengbaar meestal het vormen van lagen volgens toenemende dichtheid van de top. Dit kan worden voorspeld door de polariteit te vergelijken. Water dat een relatief polaire samenstelling is zal de neiging hebben om mengbaar te zijn met vloeistoffen met een hoge polariteit zoals ethanol en aceton, terwijl verbindingen met een lage polariteit niet mengbaar en slecht oplosbaar zullen zijn zoals met koolwaterstoffen.
als gas is waterdamp volledig mengbaar met lucht., Aan de andere kant is de maximale waterdampdruk die thermodynamisch stabiel is met de vloeistof (of vaste stof) bij een bepaalde temperatuur relatief laag in vergelijking met de totale Atmosferische druk.Bijvoorbeeld, als de gedeeltelijke druk van de damp 2% van de atmosferische druk is en de lucht wordt gekoeld vanaf 25 °C, zal vanaf ongeveer 22 °C water beginnen te condenseren, het definiëren van het dauwpunt, en het creëren van mist of dauw. Het omgekeerde proces zorgt ervoor dat de mist afbrandt in de ochtend., Als de vochtigheid bij kamertemperatuur wordt verhoogd, bijvoorbeeld door het uitvoeren van een warme douche of een bad, en de temperatuur ongeveer hetzelfde blijft, bereikt de damp al snel de druk voor faseverandering en condenseert dan uit als minuscule waterdruppels, meestal aangeduid als stoom.
een verzadigd gas of een gas met een relatieve vochtigheid van 100% is wanneer de dampdruk van het water in de lucht in evenwicht is met de dampdruk als gevolg van (vloeibaar) water; water (of ijs, indien koel genoeg) verliest geen massa door verdamping wanneer het wordt blootgesteld aan verzadigde lucht., Omdat de hoeveelheid waterdamp in de lucht klein is, is de relatieve vochtigheid, de verhouding van de gedeeltelijke druk als gevolg van de waterdamp tot de verzadigde gedeeltelijke dampdruk, veel nuttiger.Dampdruk boven 100% relatieve vochtigheid wordt superverzadigd genoemd en kan optreden als de lucht snel wordt gekoeld, bijvoorbeeld door plotseling op te stijgen in een opwaartse luchtstroom.,
Vapor pressuredit
Vapor pressure diagrams of water
CompressibilityEdit
The samendrukbaarheid van water is een functie van druk en temperatuur. Bij 0 °C, bij de nuldrukgrens, is de samendrukbaarheid 5,1×10-10 Pa−1. Bij de nuldrukgrens bereikt de samendrukbaarheid een minimum van 4,4×10-10 Pa−1 rond 45 °C alvorens opnieuw te stijgen met stijgende temperatuur., Als de druk wordt verhoogd, neemt de samendrukbaarheid af, zijnde 3,9×10-10 Pa−1 bij 0 °C en 100 megapascal (1.000 bar).
De bulkmodulus van water is ongeveer 2,2 GPa. De lage samendrukbaarheid van niet-gassen, en van water in het bijzonder, leidt er vaak toe dat ze als niet-drukbaar worden beschouwd. De lage samendrukbaarheid van water betekent dat zelfs in de diepe oceanen op 4 km diepte, waar de druk 40 MPa is, er slechts een 1,8% daling van het volume.,
Triple pointEdit
Het Triple point of liquid water, ice Ih and water damp in the lower left portion of a water phase diagram.
De temperatuur en druk waarbij in evenwicht gewoon vast, vloeibaar en gasvormig water naast elkaar bestaan, is een driepunt van water., Sinds 1954 werd dit punt gebruikt om de basiseenheid van temperatuur te definiëren, de kelvin, maar vanaf 2019 wordt de kelvin nu gedefinieerd met behulp van de Boltzmann-constante, in plaats van het drievoudige punt van water.door het bestaan van vele polymorfen (vormen) van ijs heeft water andere drievoudige punten, die ofwel drie polymorfen van ijs of twee polymorfen van ijs en vloeistof in evenwicht hebben. Gustav Heinrich Johann Apollon Tammann in Göttingen produceerde gegevens over verschillende andere drievoudige punten in het begin van de 20e eeuw. Kamb en anderen documenteerden verdere drievoudige punten in de jaren 1960.,
| Fasen in stabiel evenwicht | Druk | Temperatuur |
|---|---|---|
| vloeibaar water, ijs Ih, en waterdamp | 611.657 Pa | 273.16 K) (0,01 °C) |
| vloeibaar water, ijs Ih en ijs III | 209.9 MPa | 251 K (-22 °C) |
| vloeibaar water, ijs III, en ijs V | 350.1 MPa | -17.0 °C |
| vloeibaar water, ijs V, en ijs VI | 632.4 MPa | 0.,16 °C |
| ijs Ih -, Ijs-II, en ijs III | 213 MPa | -35 °C |
| ijs II, ijs III, en ijs V | 344 MPa | -24 °C |
| ijs II, ijs V, en ijs VI | 626 MPa | -70 °C |
Smelten pointEdit
Het smeltpunt van ijs is 0 °C (32 °F; 273 K) bij standaard druk; echter, puur vloeibaar water kan worden onderkoelde ruim onder die temperatuur zonder te bevriezen als de vloeistof is niet mechanisch verstoord., Het kan in een vloeibare toestand blijven tot aan zijn homogene kernpunt van ongeveer 231 K (-42 °C; -44 °F). Het smeltpunt van gewone zeshoekige ijs valt iets onder een matig hoge druk, door 0.0073 °C (0.0131 °F)/atm of ongeveer 0,5 °C (0.90 °F)/70 atm als de stabilisatie van de energie van waterstof binding wordt overschreden door intermoleculaire weerzin, maar als ijs transformeert in de polymorfen (zie kristallijne vorm van ijs) boven 209.9 MPa (2,072 atm), het smeltpunt stijgt sterk met de druk, d.w.z. het bereiken 355 K) (82 °C) bij 2.216 GPa (21,870 atm) (triple punt van Ijs VII).,
Elektrische eigenschappenedit
elektrische geleidbaarheid edit
zuiver water dat geen exogene ionen bevat, is een uitstekende isolator, maar zelfs “gedeïoniseerd” water is niet volledig vrij van ionen. Water ondergaat auto-ionisatie in vloeibare toestand wanneer twee watermoleculen één hydroxide−anion (OH –
) en één hydroniumkation (h
3O+
) vormen.
omdat water zo ‘ n goed oplosmiddel is, is er bijna altijd wat opgeloste stof in opgelost, vaak een zout., Als water zelfs maar een kleine hoeveelheid van zo ‘ n onzuiverheid heeft, dan kunnen de ionen ladingen heen en weer dragen, waardoor het water veel gemakkelijker elektriciteit kan geleiden.
Het is bekend dat de theoretische maximale elektrische weerstand voor water ongeveer 18,2 MΩ·cm (182 kΩ·m) bij 25 °C bedraagt.dit cijfer stemt goed overeen met wat gewoonlijk wordt gezien bij omgekeerde osmose, ultragefilterde en gedeïoniseerde ultrazuivere watersystemen die bijvoorbeeld in halfgeleiderfabrieken worden gebruikt., Een zoute of zure verontreinigingen niveau van meer dan 100 delen per biljoen (ppt) in, anders ultra-zuiver water begint te aanmerkelijk lager de weerstand door meerdere kΩ·m.
In zuiver water, gevoelige apparatuur kan detecteren een zeer lichte elektrische geleidbaarheid van 0.05501 ± 0.0001 µS/cm 25.00 °C. Water kan ook worden geëlektrolyseerde in zuurstof en waterstof gassen, maar in het ontbreken van opgeloste ionen, dit is een zeer langzaam proces, als zeer weinig stroom is uitgevoerd. In ijs zijn de primaire ladingsdragers protonen (zie Proton conductor)., Ijs werd eerder gedacht dat een kleine maar meetbare geleidbaarheid van 1×10-10 S/cm, maar deze geleidbaarheid wordt nu gedacht dat bijna volledig van oppervlaktefouten, en zonder die, ijs is een isolator met een onmetelijk kleine geleidbaarheid.
polariteit en waterstofbindendedit
een diagram dat de partiële ladingen op de atomen in een watermolecuul
een belangrijk kenmerk van water is de polaire aard., De structuur heeft een gebogen moleculaire geometrie voor de twee waterstofatomen van het zuurstofpunt. Het zuurstofatoom heeft ook twee eenzame paren elektronen. Een effect meestal toegeschreven aan de eenzame paren is dat de H–O–H gas-fase bocht hoek 104,48°, die kleiner is dan de typische tetrahedrale hoek van 109,47°. De eenzame paren zijn dichter bij het zuurstofatoom dan de elektronen sigma gebonden aan de waterstofatomen, dus ze hebben meer ruimte nodig. De toegenomen afstoting van de eenzame paren dwingt de O-H-banden dichter bij elkaar.
een ander gevolg van zijn structuur is dat water een polair molecuul is., Door het verschil in elektronegativiteit wijst een bonddipoolmoment van elke H naar de O, waardoor de zuurstof gedeeltelijk negatief is en elke waterstof gedeeltelijk positief. Een grote moleculaire dipool wijst van een gebied tussen de twee waterstofatomen naar het zuurstofatoom. De ladingsverschillen veroorzaken watermoleculen om samen te voegen (de relatief positieve gebieden worden aangetrokken tot de relatief negatieve gebieden). Deze aantrekking, waterstofbinding, verklaart veel van de eigenschappen van water, zoals de oplosmiddeleigenschappen.,
hoewel waterstofbinding een relatief zwakke aantrekking is in vergelijking met de covalente bindingen in het watermolecuul zelf, is het verantwoordelijk voor verschillende fysische eigenschappen van het water. Deze eigenschappen omvatten de relatief hoge smelt-en kookpunttemperaturen: er is meer energie nodig om de waterstofbindingen tussen watermoleculen te breken. Waterstofsulfide (H
2S) daarentegen heeft een veel zwakkere waterstofbinding door de lagere elektronegativiteit van zwavel. H
2S is een gas bij kamertemperatuur, ondanks het feit dat waterstofsulfide bijna tweemaal de molaire massa van water heeft., De extra hechting tussen watermoleculen geeft ook vloeibaar water een grote specifieke warmtecapaciteit. Deze hoge warmtecapaciteit maakt van water een goed warmteopslagmedium (koelmiddel) en hitteschild.
cohesie en adhesionEdit
watermoleculen blijven dicht bij elkaar (cohesie) door de collectieve werking van waterstofbindingen tussen watermoleculen., Deze waterstofbindingen breken voortdurend, waarbij nieuwe bindingen worden gevormd met verschillende watermoleculen; maar op een gegeven moment in een monster van vloeibaar water, wordt een groot deel van de moleculen bij elkaar gehouden door dergelijke bindingen.
Water heeft ook een hoge hechting vanwege zijn polaire aard. Bij extreem schoon / glad glas kan het water een dunne laag vormen omdat de moleculaire krachten tussen glas en watermoleculen (kleefkracht) sterker zijn dan de cohesieve krachten.,In biologische cellen en organellen, is het water in contact met membraan en eiwitoppervlakken die hydrofiele zijn; dat wil zeggen, oppervlakken die een sterke aantrekking aan water hebben. Irving Langmuir observeerde een sterke afstotende kracht tussen hydrofiele oppervlakken. Om hydrofiele oppervlakken uit te drogen—om de sterk vastgehouden lagen water van hydratatie te verwijderen-vereist het doen van substantieel werk tegen deze krachten, genaamd hydratatiekrachten. Deze krachten zijn zeer groot, maar nemen snel af over een nanometer of minder., Ze zijn belangrijk in de biologie, vooral wanneer cellen worden uitgedroogd door blootstelling aan droge atmosferen of aan extracellulair bevriezen.
Regenwaterstroom uit een luifel. Onder de krachten die de vorming van druppels regelen: oppervlaktespanning, cohesie (chemie), van der Waals kracht, plateau–Rayleigh instabiliteit.
oppervlaktespanning
deze paperclip bevindt zich onder het waterpeil, dat zacht en soepel is gestegen., De oppervlaktespanning voorkomt dat de clip onder water komt te staan en dat het water de glaskanten overloopt.
temperatuurafhankelijkheid van de oppervlaktespanning van zuiver water
Water heeft een ongewoon hoge oppervlaktespanning van 71,99 mN / m bij 25 °C, die wordt veroorzaakt door de sterkte van de waterstofbindingen tussen watermoleculen. Hierdoor kunnen insecten op water lopen.
capillaire werking
omdat water sterke bindings-en houdkrachten heeft, vertoont het capillaire werking., Door de sterke samenhang van waterstofbinding en hechting kunnen bomen water meer dan 100 m omhoog transporteren.
Water als solventEdit
aanwezigheid van colloïdaal calciumcarbonaat uit hoge concentraties opgeloste kalk verandert het water van Havasu turquoise.
Water is een uitstekend oplosmiddel vanwege de hoge diëlektrische constante., Stoffen die goed mengen en oplossen in water zijn bekend als hydrofiele (“waterminnende”) stoffen, terwijl degenen die niet goed mengen met water zijn bekend als hydrofobe (“water-vrezende”) stoffen. Het vermogen van een stof om op te lossen in water wordt bepaald door de vraag of de stof de sterke aantrekkelijke krachten die watermoleculen genereren tussen andere watermoleculen al dan niet kan evenaren. Als een stof eigenschappen heeft die het niet mogelijk maken om deze sterke intermoleculaire krachten te overwinnen, worden de moleculen uit het water neergeslagen., In tegenstelling tot de algemene misvatting, water en hydrofobe stoffen niet “afstoten”, en de hydratatie van een hydrofobe oppervlak is energetisch, maar niet entropisch, gunstig.
wanneer een ionische of polaire verbinding in water komt, wordt deze omgeven door watermoleculen (hydratatie). De relatief kleine grootte van watermoleculen (~3 angstroms) staat veel watermoleculen toe om één molecuul opgeloste stof te omringen. De gedeeltelijk negatieve dipooleinden van het water worden aangetrokken door positief geladen componenten van de opgeloste stof, en vice versa voor de positieve dipooleinden.,
in het algemeen zijn ionische en polaire stoffen zoals zuren, alcoholen en zouten relatief oplosbaar in water, en niet-polaire stoffen zoals vetten en oliën niet. Apolaire moleculen blijven bij elkaar in water omdat het energetisch gunstiger is voor de watermoleculen om waterstof aan elkaar te binden dan om deel te nemen aan Van der Waals interacties met apolaire moleculen.
een voorbeeld van een ionische opgeloste stof is keukenzout; het natriumchloride, NaCl, scheidt in Na+
kationen en Cl−
anionen, elk omgeven door watermoleculen., De ionen worden dan gemakkelijk van hun kristallijne rooster naar oplossing getransporteerd. Een voorbeeld van een nietionische opgeloste stof is tafelsuiker. De waterdipolen maken waterstofbindingen met de poolgebieden van de suikermolecule (OH-groepen) en laten het wegvoeren in oplossing.
Quantum tunnelingdit
De quantumtunnelingdynamiek in water werd al in 1992 gerapporteerd. In die tijd was bekend dat er bewegingen zijn die de zwakke waterstofbinding vernietigen en regenereren door interne rotaties van de substituente watermonomeren., Op 18 maart 2016 werd gemeld dat de waterstofbinding kan worden verbroken door kwantumtunneling in de waterhexamer. In tegenstelling tot eerder gemelde tunnelbewegingen in water, betrof dit het gezamenlijk breken van twee waterstofbindingen. Later in hetzelfde jaar werd de ontdekking van de kwantumtunneling van watermoleculen gemeld.
elektromagnetische absorptiedit
Water is relatief transparant voor zichtbaar licht, in de buurt van ultraviolet licht en verrood licht, maar het absorbeert de meeste ultraviolet licht, infrarood licht en microgolven., De meeste fotoreceptoren en fotosynthetische pigmenten gebruiken het deel van het lichtspectrum dat goed door water wordt overgebracht. Magnetrons profiteren van de ondoorzichtigheid van het water naar microgolfstraling om het water in voedsel te verwarmen. De lichtblauwe kleur van het Water wordt veroorzaakt door een zwakke absorptie in het rode deel van het zichtbare spectrum.
