apa este substanța chimică cu formula chimică H
2o; o moleculă de apă are doi atomi de hidrogen legați covalent la un singur atom de oxigen.Apa este un lichid fără gust, inodor la temperatura și presiunea ambiantă. Apa lichidă are benzi slabe de absorbție la lungimi de undă de aproximativ 750 nm, ceea ce face ca aceasta să pară a avea o culoare albastră. Acest lucru poate fi observat cu ușurință într-o baie plină cu apă sau într-o chiuvetă a cărei căptușeală este albă. Cristalele mari de gheață, ca și în ghețari, apar și ele albastre.,în condiții standard, apa este în primul rând un lichid, spre deosebire de alte hidruri analoage ale familiei de oxigen, care sunt în general gazoase. Această proprietate unică a apei se datorează legării hidrogenului. Moleculele de apă se mișcă constant unul față de celălalt, iar legăturile de hidrogen se rup continuu și se reformează la intervale de timp mai repede de 200 de femtosecunde (2×10-13 secunde).Cu toate acestea, aceste legături sunt suficient de puternice pentru a crea multe dintre proprietățile specifice ale apei, dintre care unele o fac parte integrantă din viață.,
apă, gheață și vaporredit
în atmosfera și suprafața Pământului, faza lichidă este cea mai comună și este forma care este în general notată cu cuvântul „apă”. Faza solidă a apei este cunoscută sub numele de gheață și are în mod obișnuit structura cristalelor dure, amalgamate, cum ar fi cuburile de gheață sau cristalele granulare acumulate slab, cum ar fi zăpada. În afară de gheața cristalină hexagonală comună, sunt cunoscute și alte faze cristaline și amorfe ale gheții. Faza gazoasă a apei este cunoscută sub numele de vapori de apă (sau abur)., Aburul vizibil și norii se formează din picături mici de apă suspendate în aer.apa formează, de asemenea, un fluid supercritic. Temperatura critică este de 647 K, iar presiunea critică este de 22.064 mpa. În natură, acest lucru se întâmplă foarte rar în condiții extrem de ostile. Un exemplu probabil de apă supercritică naturală se află în cele mai fierbinți părți ale orificiilor hidrotermale de apă adâncă, în care apa este încălzită la temperatura critică de pene vulcanice, iar presiunea critică este cauzată de greutatea oceanului la adâncimi extreme unde se află orificiile., Această presiune este atinsă la o adâncime de aproximativ 2200 de metri: mult mai mică decât adâncimea medie a oceanului (3800 de metri).
capacitatea de Căldură și a căldurilor de vaporizare și fusionEdit
Căldura de vaporizare a apei de topire la temperatura critică
Apa are o foarte mare capacitate de căldură specifică de 4181.4 J/(kg·K) la 25 °C – cea de-a doua-cea mai mare dintre toate heteroatomic specii (după amoniac), precum și o mare căldură de vaporizare (40.,65 kJ / mol sau 2257 kJ / kg la punctul normal de fierbere), ambele fiind rezultatul legăturii extinse de hidrogen dintre moleculele sale. Aceste două proprietăți neobișnuite permit apei să modereze climatul Pământului prin tamponarea fluctuațiilor mari de temperatură. Cea mai mare parte a energiei suplimentare stocate în sistemul climatic din 1970 s-a acumulat în oceane.entalpia specifică a fuziunii (mai cunoscută sub numele de căldură latentă) a apei este 333.,55 kJ / kg la 0 °C: aceeași cantitate de energie este necesară pentru topirea gheții ca pentru încălzirea gheții de la -160 °C până la punctul său de topire sau pentru încălzirea aceleiași cantități de apă cu aproximativ 80 °C. dintre substanțele comune, numai cea a amoniacului este mai mare. Această proprietate conferă rezistență la topirea pe gheață a ghețarilor și a gheții în derivă. Înainte și de la apariția refrigerării mecanice, gheața a fost și este încă în uz comun pentru întârzierea alterării alimentelor.capacitatea termică specifică a ice la -10 °C este de 2030 J/(kg·K), iar capacitatea termică a aburului la 100 °C este de 2080 J/(kg·K).,densitatea apei și a gheții este de aproximativ 1 gram pe centimetru cub (62 lb/cu ft): această relație a fost inițial utilizată pentru a defini gramul. Densitatea variază cu temperatura, dar nu liniar: pe măsură ce temperatura crește, densitatea crește de la un vârf la 3.98 °C (39.16 °F) și apoi scade; acest lucru este neobișnuit. Gheața hexagonală obișnuită este, de asemenea, mai puțin densă decât apa lichidă—la îngheț, densitatea apei scade cu aproximativ 9%.,aceste efecte se datorează reducerii mișcării termice cu răcire, ceea ce permite moleculelor de apă să formeze mai multe legături de hidrogen care împiedică moleculele să se apropie una de cealaltă. În timp ce sub 4 °c ruperea legăturilor de hidrogen din cauza încălzirii permite moleculelor de apă să se împacheteze mai aproape, în ciuda creșterii mișcării termice (care tinde să extindă un lichid), peste 4 °C apa se extinde pe măsură ce temperatura crește. Apa din apropierea punctului de fierbere este cu aproximativ 4% mai puțin densă decât apa la 4 °C (39 °F).,sub presiune crescândă, gheața suferă o serie de tranziții către alte polimorfe cu densitate mai mare decât apa lichidă, cum ar fi gheața II, gheața III, gheața amorfă de înaltă densitate (HDA) și gheața amorfă de foarte mare densitate (VHDA).,distribuția temperaturii într—un lac vara și iarna
curba de densitate neobișnuită și densitatea mai mică a gheții decât a apei sunt vitale pentru viață-dacă apa ar fi cea mai densă la punctul de îngheț, atunci iarna apa foarte rece de la suprafața lacurilor și a altor corpuri de apă s-ar scufunda, lacurile ar putea îngheța în ele ar fi ucis. În plus, având în vedere că apa este un bun izolator termic (datorită capacității sale de căldură), unele lacuri înghețate s-ar putea să nu se dezghețe complet vara., Stratul de gheață care plutește deasupra izolează apa de dedesubt. Apa la aproximativ 4 °C (39 °F) se scufundă, de asemenea, în partea de jos, menținând astfel temperatura apei la Constanta inferioară (vezi diagrama).
Densitatea de apă sărată și iceEdit
WOA densitate suprafață
densitatea de apă sărată depinde dizolvat sare de conținut, precum și temperatura. Gheața încă plutește în oceane, altfel ar îngheța de jos în sus. Cu toate acestea, conținutul de sare al oceanelor scade punctul de îngheț cu aproximativ 1.,9 °C (vezi AICI pentru explicații) și scade temperatura densității maxime a apei până la fostul punct de îngheț la 0 °C. Acesta este motivul pentru care, în apa oceanului, convecția descendentă a apei mai reci nu este blocată de o expansiune a apei, deoarece devine mai rece în apropierea punctului de îngheț. Apa rece a oceanelor din apropierea punctului de îngheț continuă să se scufunde. Așadar, creaturile care trăiesc pe fundul oceanelor reci precum Oceanul Arctic trăiesc în general în apă cu 4 °C mai rece decât pe fundul lacurilor și râurilor cu apă dulce înghețate.pe măsură ce suprafața apei sărate începe să înghețe (la -1.,9 °C pentru apa de mare de salinitate normală, 3, 5%) gheața care se formează este în esență fără sare, cu aproximativ aceeași densitate ca gheața de apă dulce. Această gheață plutește la suprafață, iar sarea care este „înghețată” adaugă salinitatea și densitatea apei de mare chiar sub ea, într-un proces cunoscut sub numele de respingere a saramurii. Această apă sărată mai densă se scufundă prin convecție, iar apa de mare de înlocuire este supusă aceluiași proces. Aceasta produce în esență gheață de apă dulce la -1, 9 °C la suprafață. Densitatea crescută a apei de mare sub gheața care formează o face să se scufunde spre fund., Pe o scară largă, procesul de saramură respingere și scufundarea rece apa sarata rezultate în curenții oceanici de formare pentru a transporta o astfel de apă departe de Poli, ceea ce duce la un sistem global de curenți numit termohaline circulație.
Miscibilitate și condensationEdit
linia Roșie indică saturația
Apa este miscibil cu multe lichide, inclusiv etanol în toate proporțiile., Apa și cele mai multe uleiuri sunt nemiscibile, de obicei, formând straturi în funcție de creșterea densității din partea de sus. Acest lucru poate fi prezis prin compararea polarității. Apa fiind un compus relativ polar va tinde să fie miscibil cu lichide cu polaritate ridicată, cum ar fi etanolul și acetona, în timp ce compușii cu polaritate scăzută vor tinde să fie nemiscibili și slab solubili, cum ar fi cu hidrocarburile.ca gaz, vaporii de apă sunt complet miscibili cu aerul., Pe de altă parte, presiunea maximă a vaporilor de apă care este stabilă termodinamic cu lichidul (sau solid) la o temperatură dată este relativ scăzută în comparație cu presiunea atmosferică totală.De exemplu, dacă presiunea parțială a vaporilor este de 2% din presiunea atmosferică și aerul este răcit de la 25 °C, începând cu aproximativ 22 °C, apa va începe să se condenseze, definind punctul de rouă și creând ceață sau rouă. Procesul invers reprezintă ceața care arde dimineața., Dacă umiditatea este crescută la temperatura camerei, de exemplu, prin rularea unui duș fierbinte sau a unei băi, iar temperatura rămâne aproximativ aceeași, vaporii ajung în curând la presiunea pentru schimbarea fazei și apoi se condensează sub formă de picături de apă minute, denumite în mod obișnuit abur.un gaz saturat sau unul cu umiditate relativă de 100% este atunci când presiunea de vapori a apei din aer este în echilibru cu presiunea de vapori datorată apei (lichide); apa (sau gheața, dacă este suficient de rece) nu va pierde masa prin evaporare atunci când este expusă la aer saturat., Deoarece cantitatea de vapori de apă din aer este mică, umiditatea relativă, raportul dintre presiunea parțială datorată vaporilor de apă și presiunea parțială saturată a vaporilor este mult mai util.Presiunea vaporilor peste umiditatea relativă de 100% se numește Super-saturată și poate apărea dacă aerul este răcit rapid, de exemplu, prin creșterea bruscă într-un updraft.,
Vapori pressureEdit
presiunea de Vapori diagrame de apă
CompressibilityEdit
compresibilitate al apei este o funcție de presiune și temperatură. La 0 °C, la limita presiunii zero, compresibilitatea este de 5,1×10-10 Pa−1. La limita de presiune zero, compresibilitatea atinge un minim de 4,4×10-10 Pa−1 în jurul valorii de 45 °C înainte de a crește din nou odată cu creșterea temperaturii., Pe măsură ce presiunea crește, compresibilitatea scade, fiind de 3,9×10-10 Pa−1 la 0 °C și 100 megapascali (1000 bar).
modulul în vrac al apei este de aproximativ 2,2 GPa. Compresibilitatea scăzută a non-gazelor și, în special, a apei duce la presupunerea lor adesea ca incompresibilă. Compresibilitatea scăzută a apei înseamnă că, chiar și în oceanele adânci la adâncimea de 4 km, unde presiunile sunt de 40 MPa, există doar o scădere a volumului cu 1, 8%.,
Triple pointEdit
Solid/Lichid/Vapori punctul triplu al apei lichide, gheață Ih și vapori de apă în partea de jos stânga parte de o apă diagramă de fază.temperatura și presiunea la care apa obișnuită solidă, lichidă și gazoasă coexistă în echilibru este un punct triplu al apei., Din 1954, acest punct a fost folosit pentru a defini unitatea de bază a temperaturii, kelvin, dar, începând cu 2019, kelvin este acum definit folosind constanta Boltzmann, mai degrabă decât punctul triplu al apei.datorită existenței multor polimorfe (forme) de gheață, apa are alte puncte triple, care au fie trei polimorfe de gheață, fie două polimorfe de gheață și lichid în echilibru. Gustav Heinrich Johann Apollon Tammann din Göttingen a produs date despre alte câteva puncte triple la începutul secolului al XX-lea. Kamb și alții au documentat alte puncte triple în anii 1960.,
| Faze în echilibru stabil | Presiune | Temperatura |
|---|---|---|
| lichide de apă, gheață Ih, și vapori de apă | 611.657 Pa | 273.16 K (0,01 °C) |
| lichide de apă, gheață Ih, și gheață a III-a | 209.9 MPa | 251 K (-22 °C) |
| lichide de apă, gheață III, și gheață V | 350.1 MPa | cu 17.0 °C |
| lichide de apă, gheață V, și de gheață a VI-a | 632.4 MPa | 0.,16 °C |
| ice Ih, Gheata II, și de gheață a III-a | 213 MPa | -35 °C |
| ice a II-a, ice III, și gheață V | 344 MPa | -24 °C |
| ice a II-a, ice V, și gheață a VI-a | 626 MPa | -70 °C |
Topire pointEdit
punctul de topire al gheții este de 0 °C (32 °F; 273 K) la presiune standard; cu toate acestea, pură apă lichidă poate fi racim sub temperatura asta fara congelare dacă lichidul nu este mecanic deranjat., Poate rămâne într-o stare fluidă până la punctul său de nucleație omogen de aproximativ 231 K (-42 °c; -44 °F). Punctul de topire al ordinare hexagonale de gheață scade ușor sub moderat presiuni ridicate, de 0.0073 °C (0.0131 °F)/atm sau aproximativ 0,5 °C (0.90 °F)/70 atm ca stabilizarea energia legăturilor de hidrogen este depășit de intermoleculare repulsie, dar ca de gheață se transformă în polimorfi (a se vedea cristalină membre ale ice) de mai sus 209.9 MPa (2,072 atm), punctul de topire crește semnificativ cu presiunea, respectiv, ajungând la 355 K (82 °C) la 2.216 GPa (21,870 atm) (triplu punct de Gheață VII).,
Electrice propertiesEdit
Electrice conductivityEdit
apa Pura care nu conțin exogene ioni este un izolator excelent, dar nu chiar „deionizată” apa este complet gratuit de ioni. Apa suferă autoionizare în stare lichidă atunci când două molecule de apă formează un anion hidroxid (OH−
) și un cation de hidroniu (H
3o+
).deoarece apa este un solvent atât de bun, aproape întotdeauna are un solut dizolvat în ea, adesea o sare., Dacă apa are chiar și o cantitate mică de astfel de impuritate, atunci ionii pot transporta încărcături înainte și înapoi, permițând apei să conducă electricitatea mult mai ușor.
se știe că rezistivitatea electrică maximă teoretică pentru apă este de aproximativ 18,2 mω * cm·182 kΩ * m) la 25 °C. Această cifră este de acord cu ceea ce se vede de obicei pe osmoza inversă, sistemele de apă ultra-filtrată și deionizată ultra-pură utilizate, de exemplu, în fabricile de semiconductori., O sare sau acid contaminant nivel care depășește 100 părți per trilion (ppt) în caz contrar ultra-pura apa începe să simțitor mai mică sale rezistivitatea de până la câțiva kΩ·m.
În apă pură, echipamente sensibile pot detecta o foarte ușoară conductivitate electrică de 0.05501 ± 0.0001 µS/cm la 25.00 °C. Apa poate fi, de asemenea, electroliza în hidrogen și oxigen, gaze dar în absența ionilor dizolvați acesta este un proces foarte lent, ca foarte putin curent este realizat. În ice, purtătorii de sarcină primară sunt protoni (vezi conductorul de protoni)., Se credea anterior că Ice are o conductivitate mică, dar măsurabilă, de 1×10-10 s/cm, dar această conductivitate este acum considerată a fi aproape în întregime din defecte de suprafață, iar fără acestea, ice este un izolator cu o conductivitate incomensurabil de mică.
Polaritate și hidrogen bondingEdit
O diagramă care arată parțială de taxe la atomii într-o moleculă de apă
O caracteristică importantă de apă este polară natura., Structura are o geometrie moleculară îndoită pentru cei doi hidrogeni din vârful oxigenului. Atomul de oxigen are, de asemenea, două perechi de electroni singuri. Un efect atribuit de obicei perechilor singuratice este că unghiul de îndoire a fazei gazoase H–O–H este de 104,48°, care este mai mic decât unghiul tetraedric tipic de 109,47°. Perechile singuratice sunt mai aproape de atomul de oxigen decât electronii sigma legați de hidrogeni, deci necesită mai mult spațiu. Repulsia crescută a perechilor singure forțează legăturile O-H mai aproape una de cealaltă. o altă consecință a structurii sale este că apa este o moleculă polară., Datorită diferenței de electronegativitate, un moment dipol de legătură indică de la fiecare H la O, făcând oxigenul parțial negativ și fiecare hidrogen parțial pozitiv. Un dipol molecular Mare, puncte dintr-o regiune între cei doi atomi de hidrogen la atomul de oxigen. Diferențele de încărcare determină agregarea moleculelor de apă (zonele relativ pozitive fiind atrase de zonele relativ negative). Această atracție, legarea hidrogenului, explică multe dintre proprietățile apei, cum ar fi proprietățile sale de solvent.,deși legarea hidrogenului este o atracție relativ slabă în comparație cu legăturile covalente din molecula de apă în sine, este responsabilă pentru mai multe dintre proprietățile fizice ale apei. Aceste proprietăți includ temperaturile relativ ridicate de topire și punctul de fierbere: este necesară mai multă energie pentru a rupe legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă. În schimb, hidrogenul sulfurat (h
2s), are o legătură mult mai slabă a hidrogenului datorită electronegativității scăzute a sulfului. H
2S este un gaz la temperatura camerei, în ciuda hidrogenului sulfurat având aproape de două ori masa molară a apei., Legătura suplimentară dintre moleculele de apă oferă, de asemenea, apei lichide o capacitate mare de căldură specifică. Această capacitate mare de căldură face ca apa să fie un bun mediu de stocare a căldurii (lichid de răcire) și scut termic.
de Coeziune și adhesionEdit
picaturi de Roua aderarea la o panza de paianjen
moleculele de Apă stați aproape unul de altul (de coeziune), ca urmare a acțiunii colective de legături de hidrogen între moleculele de apă., Aceste legături de hidrogen sunt în mod constant de rupere, cu noi legături fiind format cu diferite molecule de apă; dar la un moment dat într-o probă de apă lichidă, o mare parte din molecule sunt ținute împreună de astfel de legături.apa are, de asemenea, proprietăți de aderență ridicate datorită naturii sale polare. Pe sticla extrem de curată / netedă, apa poate forma o peliculă subțire, deoarece forțele moleculare dintre moleculele de sticlă și apă (forțele adezive) sunt mai puternice decât forțele coezive.,În celulele biologice și organele, apa este în contact cu suprafețele membranare și proteice care sunt hidrofile; adică suprafețe care au o atracție puternică față de apă. Irving Langmuir a observat o puternică forță respingătoare între suprafețele hidrofile. Pentru a deshidrata suprafețele hidrofile—pentru a îndepărta straturile puternice de apă de hidratare-este nevoie de o muncă substanțială împotriva acestor forțe, numite forțe de hidratare. Aceste forțe sunt foarte mari, dar scad rapid peste un nanometru sau mai puțin., Ele sunt importante în biologie, în special atunci când celulele sunt deshidratate prin expunerea la atmosfere uscate sau la înghețarea extracelulară.
apa de Ploaie flux de un baldachin. Printre forțele care guvernează formarea picăturilor: tensiunea superficială, coeziunea (chimia), forța Van der Waals, instabilitatea platou–Rayleigh.
Suprafata tensionEdit
Acest clip de hârtie este sub nivelul apei, care a crescut ușor și lin., Tensiunea superficială împiedică clema să se scufunde și apa să se revarsă pe marginile sticlei.
dependența de Temperatură a tensiunii de suprafață de apă pură
Apa are un neobișnuit de înaltă tensiune superficială de 71.99 mN/m la 25 °C care este cauzată de puterea de legături de hidrogen între moleculele de apă. Acest lucru permite insectelor să meargă pe apă.deoarece apa are forțe coezive și adezive puternice, ea prezintă acțiune capilară., Coeziunea puternică de la lipirea și aderența hidrogenului permite copacilor să transporte apă mai mult de 100 m în sus.
Apa ca un solventEdit
Prezența coloidal, carbonat de calciu la concentrații mari de var dizolvat se transformă apa de Havasu Falls turcoaz.
apa este un solvent excelent datorită Constantei sale dielectrice ridicate., Substanțele care se amestecă bine și se dizolvă în apă sunt cunoscute ca substanțe hidrofile („iubitoare de apă”), în timp ce cele care nu se amestecă bine cu apa sunt cunoscute ca substanțe hidrofobe („temătoare de apă”). Capacitatea unei substanțe de a se dizolva în apă este determinată de faptul dacă substanța se poate potrivi sau nu cu forțele puternice atractive pe care moleculele de apă le generează între alte molecule de apă. Dacă o substanță are proprietăți care nu îi permit să depășească aceste forțe intermoleculare puternice, moleculele sunt precipitate din apă., Contrar concepției greșite comune, apa și substanțele hidrofobe nu” resping”, iar hidratarea unei suprafețe hidrofobe este energetică, dar nu entropică, favorabilă.când un compus ionic sau polar intră în apă, acesta este înconjurat de molecule de apă (hidratare). Dimensiunea relativ mică a moleculelor de apă (~ 3 angstromi) permite multor molecule de apă să înconjoare o moleculă de solut. Capetele dipolului parțial negative ale apei sunt atrase de componentele încărcate pozitiv ale soluției și invers pentru capetele dipolului pozitiv.,în general, substanțele ionice și polare, cum ar fi acizii, alcoolii și sărurile, sunt relativ solubile în apă, iar substanțele nepolare, cum ar fi grăsimile și uleiurile, nu sunt. Moleculele nepolare rămân împreună în apă, deoarece este mai favorabil din punct de vedere energetic pentru moleculele de apă să se lege între ele decât să se angajeze în interacțiunile van der Waals cu moleculele nepolare.un exemplu de solut ionic este sarea de masă; clorura de sodiu, NaCl, se separă în cationi Na+și anioni Cl−
, fiecare fiind înconjurat de molecule de apă., Ionii sunt apoi ușor transportați departe de rețeaua lor cristalină în soluție. Un exemplu de solut neionic este zahărul de masă. Dipolii de apă fac legături de hidrogen cu regiunile polare ale moleculei de zahăr (grupări OH) și permit ca aceasta să fie transportată în soluție.
tunelul Cuanticedit
dinamica tunelului cuantic în apă a fost raportată încă din 1992. La acea vreme se știa că există mișcări care distrug și regenerează legătura slabă de hidrogen prin rotații interne ale monomerilor de apă substituenți., La 18 martie 2016, sa raportat că legătura de hidrogen poate fi ruptă prin tunelul cuantic în hexamerul de apă. Spre deosebire de mișcările de tunel raportate anterior în apă, aceasta a implicat ruperea concertată a două legături de hidrogen. Mai târziu, în același an, a fost raportată descoperirea tunelului cuantic al moleculelor de apă.
Electromagnetice absorptionEdit
Apa este relativ transparente la lumina vizibilă, aproape de lumina ultravioleta, și lumină roșie îndepărtată, dar se absoarbe mai ultraviolete, infraroșii, microundele., Majoritatea fotoreceptorilor și pigmenților fotosintetici utilizează porțiunea spectrului luminos care este transmisă bine prin apă. Cuptoarele cu microunde profită de opacitatea apei la radiațiile cu microunde pentru a încălzi apa din interiorul alimentelor. Culoarea albastru deschis a apei este cauzată de absorbția slabă în partea roșie a spectrului vizibil.
