Good Mood

vatten är den kemiska substansen med kemisk formel h
2O; en molekyl av vatten har två väteatomer kovalent bundna till en enda syreatom.Vatten är en smaklös, luktfri vätska vid omgivningstemperatur och tryck. Flytande vatten har svaga absorptionsband vid våglängder på cirka 750 nm vilket gör att det verkar ha en blå färg. Detta kan lätt observeras i ett vattenfyllt bad eller handfat vars foder är vit. Stora iskristaller, som i glaciärer, verkar också blå.,

under standardförhållanden är vatten främst en vätska, till skillnad från Andra analoga hydrider i syrefamiljen, som i allmänhet är gasformiga. Denna unika egenskap hos vatten beror på vätebindning. Vattenmolekylerna rör sig ständigt om varandra, och vätebindningarna bryter och reformerar kontinuerligt vid tidsskalor snabbare än 200 femtosekunder (2×10-13 sekunder).Dessa bindningar är dock starka nog för att skapa många av de speciella egenskaperna hos vatten, varav några gör det integrerat i livet.,

vatten, is och ångor

inom jordens atmosfär och yta är vätskefasen den vanligaste och är den form som vanligtvis betecknas med ordet ”vatten”. Den fasta fasen av vatten är känd som IS och tar vanligen strukturen av hårda, amalgamerade kristaller, såsom isbitar, eller löst ackumulerade granulära kristaller, som snö. Bortsett från vanlig sexkantig kristallin is, andra kristallina och amorfa faser av IS är kända. Den gasformiga fasen av vatten är känd som vattenånga (eller ånga)., Synlig ånga och moln bildas från små droppar av vatten som suspenderas i luften.

vatten bildar också en superkritisk vätska. Den kritiska temperaturen är 647 K och det kritiska trycket är 22.064 mpa. I naturen sker detta endast sällan i extremt fientliga förhållanden. Ett sannolikt exempel på naturligt förekommande superkritiskt vatten ligger i de hetaste delarna av djupa vattenhydrotermiska ventiler, där vatten upphettas till den kritiska temperaturen av vulkaniska plymer och det kritiska trycket orsakas av havets vikt vid de extrema djup där ventilerna är belägna., Detta tryck uppnås på ett djup av ca 2200 meter: mycket mindre än havets Medeldjup (3800 meter).

värmekapacitet och värme av förångning och fusionEdit

vatten har en mycket hög specifik värmekapacitet på 4181,4 J / (kg·k) vid 25 °C – den näst högsta bland alla heteroatomära arter (efter ammoniak), som samt en hög värme av förångning (40.,65 kJ / mol eller 2257 kJ / kg vid normal kokpunkt), vilka båda är ett resultat av den omfattande vätebindningen mellan dess molekyler. Dessa två ovanliga egenskaper tillåter vatten att mildra jordens klimat genom att buffra stora temperaturfluktuationer. Det mesta av den extra energi som lagras i klimatsystemet sedan 1970 har ackumulerats i oceanerna.

den specifika entalpin av fusion (mer allmänt känd som latent värme) av vatten är 333.,55 kJ / kg vid 0 ° C: samma mängd energi krävs för att smälta is som att värma is från -160 °C upp till dess smältpunkt eller för att värma samma mängd vatten med ca 80 °C. av vanliga ämnen är endast ammoniak högre. Denna egenskap ger motstånd mot smältning på isen av glaciärer och drivis. Före och sedan tillkomsten av mekanisk kylning var IS och är fortfarande vanligt förekommande för att fördröja matförstöring.

isens specifika värmekapacitet vid -10 °C är 2030 J/(kg·k)och ångans värmekapacitet vid 100 °C är 2080 J/(kg·k).,

densitet av vatten och iceEdit

tätheten av vatten är ca 1 gram per kubikcentimeter (62 lb / cu ft): detta förhållande användes ursprungligen för att definiera gram. Densiteten varierar med temperatur, men inte linjärt: när temperaturen ökar stiger densiteten till en topp vid 3,98 °C (39,16 ° f) och minskar sedan; detta är ovanligt. Regelbunden sexkantig is är också mindre tät än flytande vatten – vid frysning minskar vattentätheten med ca 9%.,

dessa effekter beror på minskningen av termisk rörelse med kylning, vilket gör det möjligt för vattenmolekyler att bilda fler vätebindningar som förhindrar att molekylerna kommer nära varandra. Medan under 4 °C brytningen av vätebindningar på grund av uppvärmning tillåter vattenmolekyler att packa närmare trots ökningen i den termiska rörelsen (som tenderar att expandera en vätska), över 4 °C vatten expanderar när temperaturen ökar. Vatten nära kokpunkten är ca 4% mindre tätt än vatten vid 4 ° C (39 °f).,

under ökande tryck genomgår is ett antal övergångar till andra polymorfer med högre densitet än flytande vatten, såsom ice II, ice III, high-density amorphous ice (HDA) och very-high-density amorphous ice (VHDA).,

den ovanliga densitetskurvan och den lägre densiteten av IS än av vatten är avgörande för livet—om vatten var tätast vid fryspunkten, då på vintern skulle det mycket kalla vattnet vid ytan av sjöar och andra vattenkroppar sjunka, sjöar kunde frysa nerifrån och upp, och allt liv i dem skulle dödas. Dessutom, med tanke på att vatten är en bra termisk isolator (på grund av dess värmekapacitet), vissa frysta sjöar kanske inte helt tina på sommaren., Isskiktet som flyter på toppen isolerar vattnet nedan. Vatten vid ca 4 °C (39 °F) sjunker också till botten, vilket håller vattnets temperatur vid botten konstant (se diagram).

densitet av saltvatten och iceEdit

tätheten av saltvatten beror på det upplösta salthalten såväl som temperaturen. Is flyter fortfarande i oceanerna, annars skulle de frysa nerifrån och upp. Salthalten i oceanerna sänker dock fryspunkten med ca 1.,9 ° c (se här för förklaring) och sänker temperaturen för densiteten maximalt vatten till den tidigare fryspunkten vid 0 ° C. Det är därför, i havsvatten, den nedåtgående konvektionen av kallare vatten inte blockeras av en expansion av vatten eftersom det blir kallare nära fryspunkten. Oceanernas kalla vatten nära fryspunkten fortsätter att sjunka. Så varelser som lever på botten av kalla hav som Arktis lever i allmänhet i vatten 4 ° C kallare än på botten av frysta-över sötvatten sjöar och floder.

när ytan av saltvatten börjar frysa (vid -1.,9 ° C för normal salthalt havsvatten, 3.5%) isen som bildar är väsentligen saltfri, med ungefär samma densitet som sötvatten is. Denna Is flyter på ytan, och saltet som är ”fryst ut” lägger till salthalten och densiteten hos havsvatten strax under den, i en process som kallas saltlösning avstötning. Denna tätare saltvatten sjunker genom konvektion och ersätter havsvatten är föremål för samma process. Detta producerar i huvudsak sötvatten is vid -1,9 ° C på ytan. Den ökade tätheten av havsvatten under formnings isen får den att sjunka mot botten., I stor skala resulterar processen med saltlakeavstötning och sjunkande kallt saltvatten i havsströmmar som bildas för att transportera sådant vatten bort från polerna, vilket leder till ett globalt system av strömmar som kallas termohalincirkulationen.

blandbarhet och kondensationedit

vatten är blandbart med många vätskor, inklusive etanol i alla proportioner., Vatten och de flesta oljor är obegripliga som vanligtvis bildar lager enligt ökande densitet från toppen. Detta kan förutsägas genom att jämföra polariteten. Vatten som är en relativt polär förening tenderar att vara blandbart med vätskor med hög polaritet som etanol och aceton, medan föreningar med låg polaritet tenderar att vara urtagbara och dåligt lösliga, såsom med kolväten.

som gas är vattenånga helt blandbar med luft., Å andra sidan är det maximala vattenångtrycket som är termodynamiskt stabilt med vätskan (eller fast) vid en given temperatur relativt lågt jämfört med totalt atmosfärstryck.Till exempel, om ångans partialtryck är 2% av atmosfärstrycket och luften kyls från 25 °C, börjar vattnet vid ca 22 °C kondensera, definiera daggpunkten och skapa dimma eller dagg. Den omvända processen står för dimman som brinner av på morgonen., Om luftfuktigheten ökar vid rumstemperatur, till exempel genom att köra en varm dusch eller ett bad, och temperaturen förblir ungefär densamma, ångan når snart trycket för fasförändring och kondenserar sedan ut som minut vattendroppar, vanligen kallad ånga.

en mättad gas eller en med 100% relativ fuktighet är när ångtrycket av vatten i luften är i jämvikt med ångtryck på grund av (flytande) vatten; vatten (eller Is, om det är tillräckligt kallt) kommer att misslyckas med att förlora massa genom avdunstning när den utsätts för mättad luft., Eftersom mängden vattenånga i luften är liten, relativ fuktighet är förhållandet mellan partialtrycket på grund av vattenångan och det mättade partiella ångtrycket mycket mer användbart.Ångtryck över 100% relativ fuktighet kallas supermättad och kan uppstå om luften snabbt kyls, till exempel genom att stiga plötsligt i en updraft.,

Vapor pressureEdit

CompressibilityEdit

kompressibiliteten av vatten är en funktion av tryck och temperatur. Vid 0 °C, vid gränsen för nolltryck, är kompressibiliteten 5,1×10-10 Pa-1. Vid nolltrycksgränsen når kompressibiliteten minst 4,4×10-10 Pa-1 runt 45 ° C innan den ökar igen med ökande temperatur., När trycket ökar minskar kompressibiliteten, vilket är 3,9×10-10 Pa-1 vid 0 ° C och 100 megapascal (1,000 bar).

bulkmodulen av vatten är ca 2.2 GPA. Den låga kompressibiliteten hos icke-gaser och av vatten i synnerhet leder till att de ofta antas vara inkompressibla. Den låga kompressibiliteten hos vatten innebär att även i de djupa oceanerna vid 4 km djup, där trycket är 40 MPa, finns det bara en 1,8% minskning av volymen.,

Triple pointEdit

temperaturen och trycket vid vilket vanligt fast, flytande och gasformigt vatten samexisterar i jämvikt är en trippelpunkt av vatten., Sedan 1954 hade denna punkt använts för att definiera basenheten för temperatur, kelvin men från och med 2019 definieras kelvin nu med Boltzmann-konstanten, snarare än den tredubbla punkten av vatten.

på grund av förekomsten av många polymorfer (former) av IS har vatten andra trippelpunkter, som antingen har tre polymorfer av is eller två polymorfer av IS och vätska i jämvikt. Gustav Heinrich Johann Apollon Tammann i Göttingen producerade data på flera andra trippelpunkter i början av 1900-talet. Kamb och andra dokumenterade ytterligare trippelpunkter på 1960-talet.,

de olika trippelpunkterna av vatten

faser i stabil jämvikt	Tryck	temperatur
flytande vatten, is Ih och vattenånga	611.657 Pa	273.16 k (0.01 °C)
flytande vatten, is IH och is III	209.9 mpa	251 k (-22 °C)
flytande vatten, is III och IS v	350.1 mpa	-17.0 °C
flytande vatten, IS v och IS v	350.1 mpa	-17.0 ° C
flytande vatten, is v och Is vi	632,4 mpa	0.,16 °C
ice Ih, Ice II och ice III	213 mpa	-35 °C
ice II, ice III och ice v	344 mpa	-24 °C
ice II, ice V och ice VI	626 mpa	-70 °C

smältpunktedit

smältpunkten för IS är 0 °C (32 ° f; 273 k) vid standardtryck; rent flytande vatten kan dock överkylas väl under den temperaturen utan att frysa om vätskan inte mekaniskt störs., Det kan förbli i flytande tillstånd ner till dess homogena kärnpunkt på ca 231 K (-42 °C; -44 °f). Smältpunkten för vanlig hexagonal is faller något under måttligt högt tryck, med 0.0073 °C (0.0131 °F)/atm eller ca 0.5 °C (0.90 °F)/70 atm eftersom stabiliseringsenergin för vätebindning överskrids av intermolekylär repulsion, men som is omvandlas till dess polymorfer (se kristallina istillstånd) över 209.9 MPa (2.072 atm), smältpunkten ökar markant med tryck, dvs når 355 K (82 °C) vid 2.216 GPa (21.870 atm) (21.870 atm).tredubbla punkt is VII).,

elektriska egenskaperedit

elektrisk ledningedit

rent vatten som inte innehåller några exogena joner är en utmärkt isolator, men inte ens ”avjoniserat” vatten är helt fri från joner. Vatten genomgår automatisk jonisering i flytande tillstånd när två vattenmolekyler bildar en hydroxidanjon (OH−
) och en hydroniumkatjon (H
3O+
).

eftersom vatten är ett så bra lösningsmedel har det nästan alltid löst sig i det, ofta ett salt., Om vatten har till och med en liten mängd av en sådan förorening, kan jonerna bära laddningar fram och tillbaka, vilket gör att vattnet kan leda elektricitet mycket lättare.

det är känt att den teoretiska maximala elektriska resistiviteten för vatten är ungefär 18,2 MΩ * cm (182 kΩ * m) vid 25 °C. denna siffra överensstämmer väl med vad som vanligtvis ses på omvänd osmos, ultrafiltrerade och avjoniserade ultra-rena vattensystem som används, till exempel i halvledartillverkningsanläggningar., En salt eller syra halten av främmande ämnen som överstiger till och med 100 delar per biljoner (ppt) i övrigt ultra-rent vatten börjar märkbart lägre resistivitet med upp till flera kΩ·m.

I rent vatten, känslig utrustning som kan detektera mycket små elektriska ledningsförmåga 0.05501 ± 0.0001 µS/cm vid 25.00 °C. Vatten kan också vara electrolyzed till syre och väte gaser, men i avsaknad av lösta joner detta är en mycket långsam process, som är mycket lite ström är genomfört. I IS är de primära laddningsbärarna protoner (se protonledare)., Is ansågs tidigare ha en liten men mätbar ledningsförmåga på 1×10-10 s / cm, men denna ledningsförmåga är nu tänkt att vara nästan helt från ytdefekter, och utan dem är is en isolator med en oändligt liten ledningsförmåga.

polaritet och vätebindningedit

ett viktigt inslag i vatten är dess polära natur., Strukturen har en böjd molekylär geometri för de två hydrogenerna från syre vertex. Syreatomen har också två ensamma par elektroner. En effekt som vanligtvis tillskrivs de ensamma paren är att h–O-h gasfasböjningsvinkeln är 104.48°, vilket är mindre än den typiska tetraedriska vinkeln på 109.47°. De ensamma paren är närmare syreatomen än elektronerna sigma bundna till hydrogenerna, så de kräver mer utrymme. Den ökade repulsionen av de ensamma paren tvingar O-H-bindningarna närmare varandra.

en annan konsekvens av dess struktur är att vatten är en polär molekyl., På grund av skillnaden i elektronegativitet pekar ett bindningsdipolmoment från varje H till O, vilket gör syret delvis negativt och varje väte delvis positivt. En stor molekylär dipol, pekar från en region mellan de två väteatomerna till syreatomen. Laddningsskillnaderna orsakar att vattenmolekylerna aggregeras (de relativt positiva områdena lockas till de relativt negativa områdena). Denna attraktion, vätebindning, förklarar många av egenskaperna hos vatten, såsom dess lösningsmedelsegenskaper.,

även om vätebindning är en relativt svag attraktion jämfört med de kovalenta bindningarna inom själva vattenmolekylen, är den ansvarig för flera av vattnets fysikaliska egenskaper. Dessa egenskaper inkluderar dess relativt höga smält-och kokpunktstemperaturer: mer energi krävs för att bryta vätebindningarna mellan vattenmolekyler. Däremot har vätesulfid (H
2S) mycket svagare vätebindning på grund av svavels lägre elektronegativitet. H
2S är en gas vid rumstemperatur, trots vätesulfid som har nästan dubbelt så mycket vatten., Den extra bindningen mellan vattenmolekyler ger också flytande vatten en stor specifik värmekapacitet. Denna höga värmekapacitet gör vatten till ett bra värmelagringsmedium (kylmedel) och värmesköld.

sammanhållning och adhesionEdit

vattenmolekyler håller sig nära varandra (sammanhållning), på grund av den kollektiva verkan av vätebindningar mellan vattenmolekyler., Dessa vätebindningar bryts ständigt, med nya bindningar som bildas med olika vattenmolekyler; men vid varje given tidpunkt i ett prov av flytande vatten hålls en stor del av molekylerna samman av sådana bindningar.

vatten har också höga vidhäftningsegenskaper på grund av sin polära natur. På extremt rent / slät glas kan vattnet bilda en tunn film eftersom de molekylära krafterna mellan glas och vattenmolekyler (limkrafter) är starkare än de sammanhängande krafterna.,I biologiska celler och organeller är vatten i kontakt med membran-och proteinytor som är hydrofila; det vill säga ytor som har en stark attraktion mot vatten. Irving Langmuir observerade en stark repulsiv kraft mellan hydrofila ytor. För att dehydrera hydrofila ytor—för att avlägsna de starkt hållna lagren av vatten av hydratisering-kräver att man gör ett betydande arbete mot dessa krafter, kallade hydratiseringskrafter. Dessa krafter är mycket stora men minskar snabbt över en nanometer eller mindre., De är viktiga i biologi, särskilt när celler dehydreras genom exponering för torr atmosfär eller extracellulär frysning.

Surface tensionEdit

vatten har en ovanligt hög ytspänning på 71,99 mN / m vid 25 °C som orsakas av vätgasbindningens styrka mellan vattenmolekyler. Detta gör det möjligt för insekter att gå på vatten.

kapillär actionEdit

eftersom vatten har starka sammanhängande och adhesiva krafter uppvisar den kapillärverkan., Stark sammanhållning från vätgasbindning och vidhäftning gör det möjligt för träd att transportera vatten mer än 100 m uppåt.

vatten som solventEdit

vatten är ett utmärkt lösningsmedel på grund av dess höga dielektriska konstant., Ämnen som blandas väl och löses upp i vatten kallas hydrofila (”vattenkärlande”) ämnen, medan de som inte blandar sig bra med vatten kallas hydrofoba (”vattenskrämmande”) ämnen. En ämnes förmåga att lösa upp i vatten bestäms av huruvida ämnet kan matcha eller bättre de starka attraktiva krafter som vattenmolekyler genererar mellan andra vattenmolekyler. Om ett ämne har egenskaper som inte tillåter det att övervinna dessa starka intermolekylära krafter, fälls molekylerna ut ur vattnet., I motsats till den vanliga missuppfattningen ”avvisar vatten och hydrofoba ämnen inte”, och hydratiseringen av en hydrofob yta är energiskt men inte entropiskt gynnsam.

När en jonisk eller polär förening kommer in i vatten, är den omgiven av vattenmolekyler (hydrering). Den relativt lilla storleken på vattenmolekyler (~3 angstroms) gör det möjligt för många vattenmolekyler att omge en molekyl av lösning. De delvis negativa dipoländarna av vattnet lockas till positivt laddade komponenter i lösningen och vice versa för de positiva dipoländarna.,

i allmänhet är joniska och polära ämnen som syror, alkoholer och salter relativt lösliga i vatten och icke-polära ämnen som fetter och oljor är inte. Icke-polära molekyler håller ihop i vatten eftersom det är energiskt mer gynnsamt för vattenmolekylerna till vätebindning till varandra än att engagera sig i van der Waals interaktioner med icke-polära molekyler.

ett exempel på en jonlösning är bordsalt; natriumklorid, NaCl, separerar i Na+
katjoner och Cl –
anjoner, var och en är omgiven av vattenmolekyler., Jonerna transporteras sedan lätt bort från deras kristallina gitter till lösning. Ett exempel på en nonionisk lösning är bordssocker. Vattendipolerna gör vätebindningar med sockermolekylens polära områden (OH-grupper) och tillåter att den transporteras bort i lösning.

Quantum tunnelingEdit

quantum tunneling dynamics i vatten rapporterades så tidigt som 1992. Vid den tiden var det känt att det finns rörelser som förstör och regenererar den svaga vätebindningen genom interna rotationer av de substituenta vattenmonomererna., Den 18 mars 2016 rapporterades det att vätebindningen kan brytas av kvanttunnling i vattenhexamer. Till skillnad från tidigare rapporterade tunnelrörelser i vatten involverade detta den samordnade brytningen av två vätebindningar. Senare samma år rapporterades upptäckten av kvanttunneln av vattenmolekyler.

elektromagnetisk absorbtionedit

vatten är relativt transparent för synligt ljus, nära ultraviolett ljus och långt rött ljus, men det absorberar mest ultraviolett ljus, infrarött ljus och mikrovågor., De flesta fotoreceptorer och fotosyntetiska pigment använder den del av ljusspektrumet som överförs väl genom vatten. Mikrovågsugnar dra nytta av vattnets opacitet till mikrovågsstrålning för att värma vattnet inuti livsmedel. Vattnets ljusblå färg orsakas av svag absorption i den röda delen av det synliga spektrumet.