Геометрия молекулы воды

Необычные химические и физические свойства воды обусловлены геометрией ее молекулы . Связанные в нем атомы расположены не линейно (в одну линию ), но химические связи между атомами образуют угол примерно 105 ° . Полярность связей (различные сродства этих водорода и атомами кислорода ) и упомянутая нелинейность молекулы обусловлены полярности молекулы воды. Свойства молекул обуславливают хорошую растворимость полярных и ионных веществ в воде, являются причиной высокой электрической проницаемости воды и их способности вступать в Водородные связи (также называемые водородными связями ) являются причиной значительных аномалий плотности воды .

Изотопный состав
Природная вода на Земле содержит не только изотоп легкого водорода 1 H и кислорода 16 O, но и более тяжелые стабильные изотопы этих элементов. Стандартная океанская вода, используемая, например, для прежнего определения кельвина в качестве основной единицы СИ , содержит 0,15576 ммоль дейтерия 2 H на 1 моль водорода 1 H и 1 O 0,3799 ммоль кислорода 17 O и 2,0052 ммоль кислорода на 1 моль кислорода 16 O 18 O. Природная вода за пределами океанов может иметь меньшую долю тяжелых изотопов, но не настолько, чтобы вызывать различия в физических свойствах.

Можно искусственно создавать изотопно однородные формы воды, некоторые из которых имеют специальное название. Мы разделяем изотопологов по количеству нейтронов в атоме водорода.

легкая вода (оба атома водорода — протий , химическая формула — 1 H 2 O),
полутяжелая вода (один водород — протий, другой — дейтерий , формулу можно записать как HDO),
тяжелая вода (оба атома водорода — дейтерий, формула 2 H 2 O, но также может быть записана как D 2 O; вода состоит из тяжелых атомов водорода, в природе довольно часто смешивается с обычной водой в низкой концентрации , тяжелая вода используется на строительство первых ядерных реакторов ) и
тритиевая вода (также называемая сверхтяжелой водой, в которой один или оба атома водорода являются радиоактивно нестабильным тритием ( 3 H, также T).
Вода также может быть обогащена более тяжелыми изотопами кислорода 17 O и 18 O.

Отдельные изотопически однородные формы значительно отличаются друг от друга по своим физическим и даже некоторым химическим свойствам (поскольку разная масса ядра частично влияет на энергию связи электронов в атомной оболочке). Например, тяжелая вода имеет более высокую плотность, температуры плавления и кипения и pH, чем легкая вода. Плотность воды с кислородом 18 O аналогична плотности тяжелой воды, вода с кислородом 17 O аналогична плотности полутяжелой воды.

Поэтому следующие физические свойства относятся только к природному изотопному составу (если не указано иное) и не могут применяться к изотопно чистым формам воды, особенно к тем, которые содержат тяжелые изотопы водорода или кислорода.

Плотность
Самая высокая плотность не у льда, а у жидкой воды при 3,95 ° C, при дальнейшем понижении температуры снова увеличивается объем единицы веса воды. Это связано с полимеризацией молекул воды водородными связями и углом между атомами водорода — благодаря этому у молекулы может быть только 4 ближайших соседа во льду, и в кристаллической структуре создаются пустые пространства. Эта особенность имеет, например, следующие последствия:

Лед образуется на поверхности воды и таким образом изолирует незамерзшую воду, вода не замерзает так сильно на глубину , а вода с температурой 3,95 ° C накапливается на дне воды. Этот факт очень важен для выживания водных организмов.
Этот процесс ускоряет выветривание — повышенная вода «рвет» камни и другие вещества.
Увеличение объема важно для растений и сельского хозяйства — при промерзании верхний слой почвы рыхлится.