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Tensão Superficial Água e Gás

A superfície da água

Moléculas de água na superfície interfacial gás-líquido tem uma forte atração para os granéis líquidos provocando uma alta tensão superficial . De gás em ar-água e outros gases-interfaces água se comporta como um plano de superfície hidrofóbica ^g com a diferença que o van der Waals interações entre o líquido e as superfícies de gás são desprezíveis.

superfície será fortemente atraído para as sondas se aproximando do lado de gás a uma distância de cerca de um micrômetro e pulando em contato quando ainda mais de 100 nm distante [ 1294 ], Mostrando a natureza de longo alcance da atraente forças de van der Waals. A estrutura da superfície não é completamente compreendido, mas algumas informações foi determinada.

Ligação de hidrogênio na superfície é mais forte do que a maior parte [ 1261 ] (E isso tem um efeito sobre a pressão osmótica ), mas algumas ligações de hidrogênio se perde, dando um ambiente mais reativa [ 594 ] E nucleação de gelo maior [ 914 ]. O aumento da força dos laços de hidrogênio da água de superfície é parcialmente devido à concorrência reduzida de moléculas de água vizinhos, mas tem pouco efeito sobre sua vida vibracional [ 1262 ]. Esta forte ligação é devido à menor anticooperativity e compensação para o potencial químico aumento na perda de alguma ligação.

A difusão dentro da superfície é aumentada para algumas moléculas (na superfície), mas diminuiu para os outros e depende do número de ligações de hidrogênio e tamanho dos clusters de água [ 1263 ]. O O · · · Distância O, entre as moléculas de água de superfície, dentro de 2-3 nm da superfície, expande-se 5,9% a 25 ° C. A análise da termodinâmica simples ^cmostra a superfície provavelmente tem estruturação considerável, de densidade idêntica à da água bruta em pouco menos de 4 ° C.

Além disso, a estruturação de água de superfície varia com a temperatura menor do que a granel.Estudo do índice de refração da superfície água-ar revela que ele seja cerca de 1,7 nm de espessura a 22 ° C e mais denso do que o de granéis líquidos (ou seja, ele se comporta como água a uma temperatura mais baixa) [ 1482 ].Espectroscopia vibracional recente mostra esta superfície a ser relativamente homogênea [ 1468a, c ] Embora este trabalho é questionado [ 1468b ].

Cerca de um quarto das moléculas de água cada um tem um 'pendurados' grupo OH [415 , 1613 ] Apontando para um ligeiro ângulo para fora da água [ 594 , 1261 ], de uma maneira oposta à que a água hidrófobo-superfícies, criando uma pequena carga negativa na superfície. ^um

A densidade, dielétrica (permissividade, [ 738b ]) e momento de dipolo de mudança da água interfacial de seus valores de água em massa para que o gás através de uma distância de menos de cerca de um nanômetro . Assim solvatação da água e as propriedades de ionização também mudança na interface, com íons e solutos hidrofílicos sendo geralmente gases menos solúveis, mas não-polar mais solúvel [ 1259 ]. Íons, incluindo o hidrogénio e hidróxido de íons e outros solutos irão se comportar de maneira diferente na superfície para o seu comportamento em massa.

Talvez a propriedade mais importante da superfície, após a tensão superficial, as preocupações como isso afeta a distribuição de íons local.Preferem alguns íons na superfície, como mostrado por seu efeito sobre a tensão superficial ( Jones-Ray efeito ) [ 674 ] Ecoalescência de bolhas . Ambos OH ^- [ 1025 , 1266 ] E H ₃ O ⁺ [ 1308 ] Pode se sentar em gás / água interfaces, embora claramente não ao mesmo tempo, devido à sua rápida recombinação para formar H ₂ O dentro dessa interface de baixo dielétrico.

Como OH ^- íons têm preferência sobre H ₃ O ⁺ íons (acima de cerca de pH 3), ^f isso geralmente reforça carga negativa da interface em comparação com o volume.

O estado 'natural' de tais interfaces parece ser negativa [ 1266 , 1433 ,1477 , 1591 ], ^ecomo em superfícies hidrofóbicas [ 1347 , 1607 ]. As interações de íons [ 1351 ], E particularmente H ⁺ e OH ^- íons [ 1641 ], Com a interface foi revisto. íons caotrópicos com baixa densidade de carga superficial e / ou alta polarizabilidade (como Cl ^- , Br ^- , I ^- , HO ₂^- e O ₂ · ^- , mas ver os efeitos de íons em espumas ) irá favor das interfaces gás-líquido [ 928 a] uma vez que só interagem fracamente com água, mas são influenciados pela superfície altamente polarizada.

Radicais aquosa também preferem residir em tais interfaces [ 939 ], Como fazem algumas espécies moleculares que preferem ligação de hidrogênio do lado de fora clathrate estruturas semelhantes; superóxido por exemplo [ 1260 ]. Pequenos cátions ( kosmotropes , mas ver os efeitos de íons em espumas ) são encontrados longe da interface para o grosso onde sua exigência para a hidratação eficiente pode ser satisfeita.

Cátions, tais apenas uma abordagem a interface em resposta à carga de superfície negativa. Uma exceção a isso é o íon oxonium, que tem uma preferência muito mais forte para a superfície do que outros pequenos cátions [ 1500 ].

Em soluções ácidas, os íons oxonium (H ₃ O ⁺ ) ponto de distância da superfície, pois só mal aceitar ligações de hidrogênio (mas fortemente doar três), com suas átomo de oxigênio apontando para a superfície [ 1308 ]. Isso encoraja esses íons se sentar na camada superficial [ 1308 ], na ausência de concorrentes, como ânions OH ^- (ver íons interfacial ), e pode levar à cobrança de superfícies hidrofóbicas em solução ácida [1584 ]. Principalmente no entanto em pH neutro, há uma menor concentração de íons de hidrogênio do que ânions na superfície.

O potencial zeta ^bda superfície da água é considerável (-65 mV para água deionizada [ 1264 ], -46 MV para 0,1 mM NaCl, -18,8 mV para 0,1 M NaCl [ 1265 ]). Isto dá uma densidade de carga de superfície variando de cerca de um elétron por 1000 nm ² de água pura para cerca de um elétron por 10 nm ² por 0,1 M NaCl (usando as equações de [ 1267 ]). A carga na superfície da água deionizada com o ar é semelhante ao encontrado em pequenas gotículas de óleo em água [ 711 c].

Microscopia de força atômica no ar / água de interfaces indicou que a polarização de superfície faz com que a presença de nano-aglomerados de água ^ddentro de cerca de 250 nm da interface [ 738 ].

A densidade reduzida e laços mais fortes de hidrogênio na superfície de ambas irá contribuir para a estabilização de clusters de água, particularmente a do <a data-cke-saved-href="https://www.lsbu.ac.uk/water/clusters.html#ES" href="https://www.lsbu.ac.uk/water/clusters.html#ES" style="padding-top: 0px; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; text-decoration: none; cursor: pointer; color: green; " title="ir para a página " clusters="" Água="" '"="">ES sobre <a data-cke-saved-href="https://www.lsbu.ac.uk/water/clusters.html#CS" href="https://www.lsbu.ac.uk/water/clusters.html#CS" style="padding-top: 0px; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; text-decoration: none; cursor: pointer; color: green; " title="ir para a página " clusters="" Água="" '"="">CS agrupamento total e parcial. Pequenas moléculas de gás se ligam a esses aglomerados superfície devido a múltiplas interações de van der Waals, e bom ajuste, entre as moléculas de gás e os cachos sem a influência negativa possivelmente causado pelo fechamento necessárias dos clusters dentro da massa. Isto oferece uma explicação para a maior solubilidade dos gases hidrofóbica na interface como eles podem ocupar clathrate do tipo água dodecaedros.

Isso também é apoiado pela diferença na densidade excepcionalmente pequena superfície da densidade como mostra o coeficiente de pressão anormalmente grande da tensão superficial

( ) [ 1280 ] A temperatura ambiente.

Curiosamente, a interface ar-água pode dar origem a seletividade quiral e reconhecimento [ 1285 ]. A superfície pode, portanto, agir, como a maior parte isotrópica não pode, como um mecanismo para a escolha de quiralidade no início da formação de moléculas da vida, por exemplo, o D-série de carboidratos e da L-série de aminoácidos.

Recentemente, descobriu-se que a carga na interface afeta o ponto de congelamento da água supercooled [ 1737 ].Sobre uma superfície sem campo elétrico, as gotas de água foram encontrados para congelar em torno de 12,5 ° C.-Sobre uma superfície de carga positiva, no entanto, o ponto de congelamento é levantada a -7 ° C, enquanto que, se a superfície é carregada negativamente a gota não se congela até que a temperatura chega a -18 ° C.

Se este estranho comportamento é devido à inversão da carga da superfície natural de carga negativa destruindo o agrupamento de água ainda não foi determinada.

fonte:https://www.lsbu.ac.uk/water/interface.html