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Os dois [chamados] propriedades anômalas da água

" anomalias Quarenta e um de água "- alguns deles bastante esotérico.

A água tem sido desde há muito conhecidos por apresentar muitas propriedades físicas que o distinguem de outras pequenas moléculas de massa comparável. Embora os químicos referem-se a estes como as propriedades "anômalos" de água, eles não são de forma misteriosa, todos são conseqüências totalmente previsíveis à forma como o tamanho e carga nuclear do átomo de oxigênio conspiram para distorcer as nuvens de carga eletrônicas dos átomos do outro elementos quando estes estão quimicamente ligados ao átomo de oxigénio.

Ponto de ebulição

A peculiaridade mais aparente de água é o seu ponto de ebulição muito alto para uma molécula tal luz. O metano líquido CH ₄ (peso molecular 16) entra em ebulição a -161 ° C,

 

Como você pode ver a partir deste diagrama, a extrapolação dos pontos de ebulição das diversas Grupo 16 compostos de hidrogênio com H ₂ O sugere que esta substância deve ser um gás em condições normais.

 

 

Tensão superficial

Em comparação com a maioria dos outros líquidos, a água também tem uma alta tensão superficial .

Você já assistiu a um inseto caminhada em toda a superfície de uma lagoa? O Strider água toma vantagem do facto de que a superfície da água actua como uma película elástica, que resiste à deformação, quando um pequeno peso é colocado sobre ela. (Se você for cuidadoso, você também pode "flutuar" um clipe de papel pequeno ou grampo de aço sobre a superfície da água em um copo.) Isso tudo é devido à tensão superficial da água. Uma molécula dentro da maior parte das experiências de um líquido atrações para moléculas vizinhas em todas as direções, mas uma vez que estes média para zero, não há força resultante sobre a molécula. Para uma molécula que se encontra na superfície, a situação é muito diferente; experimenta forças apenas para os lados e para baixo, e isto é o que cria o efeito de membrana esticada.

A distinção entre as moléculas localizadas na superfície e aqueles profundamente dentro é especialmente importante em H ₂ O, devido às fortes forças de ligação hidrogénio-. A diferença entre as forças experimentadas por uma molécula na superfície e uma no líquido em volume dá origem a tensão superficial do líquido.

Este desenho destaca duas H ₂ O, uma moléculas na superfície, e o outro no seio do líquido. A molécula de superfície é atraído para os seus vizinhos abaixo e para ambos os lados, mas não há atrações apontando na ° de ângulo de ângulo sólido de 180 acima da superfície.Como consequência, uma molécula na superfície tenderá a ser arrastado para o seio do líquido. Mas uma vez que deve existir sempre uma superfície, o efeito global é minimizar a área de superfície de um líquido.

A forma geométrica que tem a menor proporção de área de superfície para o volume é a esfera , de modo que quantidades muito pequenas de líquidos tendem a formar gotas esféricas. Como as gotas ficam maiores, o seu peso deforma-los na forma típica lágrima.

[Imagem: Crawford Wilson III ]

 

Gelo flutua sobre a água

A configuração mais energeticamente favorável de H ₂ S moléculas é aquele em que cada molécula é de quatro moléculas vizinhas ligadas por hidrogénio. Devido aos movimentos térmicos descritos acima, este ideal nunca é atingido no líquido, mas quando a água congela, as moléculas de estabelecer-se em exatamente esse tipo de arranjo no cristal de gelo. Esta disposição requer que as moléculas de ser um pouco mais afastadas depois de outro modo seria o caso, como uma consequência, no gelo, em que a ligação de hidrogénio é máxima, tem uma estrutura mais aberta e, portanto, uma densidade inferior à da água.

Aqui estão visualizações tridimensionais de uma estrutura típica local de água (à esquerda) e gelo (right.) Observe a maior abertura da estrutura de gelo, que é necessário para garantir o grau mais forte de ligação de hidrogênio em um uniforme, estendido rede cristalina. O arranjo mais lotado e atrapalhado na água líquida pode ser sustentado apenas pela maior quantidade de energia térmica disponível acima do ponto de congelamento. [ fonte da imagem ]

Quando o gelo derrete, o movimento térmico mais vigorosa atrapalha muito da estrutura ligados a hidrogênio, permitindo que as moléculas de embalar mais de perto. A água é, assim, uma das poucas substâncias cuja forma sólida tem uma densidade mais baixa do que o líquido no ponto de congelamento.Agrupamentos localizados de ligações de hidrogênio ainda permanecem, no entanto, que são continuamente quebra e reforma como os movimentos térmicos sacudir e empurrar as moléculas individuais. À medida que a temperatura da água é elevado acima do congelamento, a extensão e as vidas ofthese aglomerados diminuem, de modo que a densidade da água aumenta.

A temperaturas mais elevadas, um outro efeito, comum a todas as substâncias, começa a dominar: quando a temperatura aumenta, o mesmo acontece com a amplitude de movimentos térmicos. Este empurrões mais vigorosa provoca a distância média entre as moléculas para aumentar, reduzindo a densidade do líquido, isto é a expansão térmica normal.

Porque os dois efeitos concorrentes (ligação de hidrogénio a baixas temperaturas e expansão térmica a temperaturas mais elevadas) ambas conduzir a uma diminuição na densidade, segue-se que deve haver alguma temperatura na qual a densidade de água passa por um máximo. Esta temperatura é de 4 ° C, o que é a temperatura da água que você vai encontrar no fundo de um lago coberto de gelo em que a mais densa de toda a água tenha deslocado a água mais fria e empurrou-a mais perto da superfície.

3 Estrutura de água líquida

A natureza da água em estado líquido e como as H ₂ S moléculas dentro dela se organizam e interagem são questões que têm atraído o interesse de químicos por muitos anos. Provavelmente, não há líquido que já recebeu mais de estudo intensivo, e não existe uma vasta bibliografia sobre o assunto.

Os seguintes fatos são bem estabelecidos:

·         H ₂ O moléculas se atraem pelo tipo especial de interação dipolo-dipolo conhecida como ligação de hidrogênio

·         um agrupamento ligado por hidrogénio, em que quatro H ₂ Ss estão localizados nos cantos de um tetraedro imaginário é uma configuração especialmente favorável (energia de baixo potencial), mas ...

·         as moléculas sofrem movimentos rápidos térmicas numa escala de tempo de picosegundos (10 ^-12 segundos), de modo que o tempo de vida de qualquer configuração específica agrupado será fugaz breve.

Uma variedade de técnicas, incluindo a absorção de infravermelhos, a dispersão de neutrões, e de ressonância magnética nuclear foram utilizados para sondar a estrutura microscópica da água. A informação obtida a partir dessas experiências e de cálculos teóricos levou ao desenvolvimento de cerca de vinte "modelos" que tentam explicar a estrutura eo comportamento de água. Mais recentemente, simulações em computador de vários tipos têm sido utilizados para explorar a forma como esses modelos são capazes de prever as propriedades físicas observadas de água.

Este trabalho levou a um refinamento gradual dos nossos pontos de vista sobre a estrutura de água líquida, mas não produziu qualquer resposta definitiva. Há várias razões para isso, mas o principal deles é que o próprio conceito de "estrutura" (e de água "clusters") depende tanto da estrutura de tempo e volume considerado. Assim, as perguntas dos seguintes tipos ainda estão abertas:

·         Como você distingue os membros de um "cluster" de moléculas adjacentes que não estão nesse grupo?

·         Desde ligações de hidrogênio individuais são continuamente quebrando e re-formando-se em uma escala de tempo de picossegundos, não clusters de água tem qualquer existência significativa durante longos períodos de tempo? Em outras palavras, os clusters são transitórios, enquanto "estrutura" implica um arranjo molecular que é mais duradouro. Podemos usar legitimamente o termo "clusters" na descrição da estrutura da água?

·         Os locais possíveis de moléculas vizinhas em torno de um dado H ₂ O são limitados por considerações energéticas e geométricas, dando assim origem a um certo grau de "estrutura" no interior de qualquer elemento pequeno volume. Não é claro, no entanto, em que medida estas estruturas interagir como o tamanho do elemento de volume é aumentado. E, como mencionado acima, até que ponto são estas estruturas mantida por períodos mais longos do que alguns picossegundos?

Na década de 1950, foi assumido que a água líquida é constituída por uma mistura de aglomerados unidos em hidrogénio (H ₂ O) _n , em que n pode ter uma variedade de valores, mas pouca evidência para a existência de tais agregados nunca foi encontrado. O presente ponto de vista, apoiado por computador de modelagem e espectroscopia, é que, em uma escala de tempo muito curto, a água é mais como um "gel", que consiste de um enorme aglomerado único, ligado a hidrogênio. Em 10 ^-12 -10 ^-9 escala de tempo seg, rotações e outros movimentos térmicos causar ligações de hidrogênio individuais de quebrar e re-forma em novas configurações, induzindo em constante mudança descontinuidades locais, cuja extensão e influência depende da temperatura e pressão.

Visualizações atuais da estrutura da água

O presente pensar, muito influenciado por simulações de modelagem molecular começando na década de 1980, é que, em uma escala de tempo muito curto (menos de um picossegundos), a água é mais como um "gel", que consiste de um enorme aglomerado único, ligado a hidrogênio. Em 10^-12 -10 ^-9 escala de tempo seg, rotações e outros movimentos térmicos causar ligações de hidrogênio individuais de quebrar e re-forma em novas configurações, induzindo em constante mudança descontinuidades locais, cuja extensão e influência depende da temperatura e pressão.

Trabalhos recentes do laboratório de Richard SayKally mostra que as ligações de hidrogênio em pausa água líquida e re-forma tão rapidamente (muitas vezes em configurações distorcidas) que o líquido pode ser considerado como uma rede contínua de moléculas ligadas a hidrogênio.

Esta visão nanoescala gerada por computador de água líquida é do laboratório de Gene Stanley, da Universidade de Boston [ fonte ].Os átomos de oxigênio são o vermelho, os átomos de hidrogênio branco

 

4 Ice

Gelo , como todos os sólidos, tem uma estrutura bem definida, cada molécula de água é rodeado por quatro H vizinha ₂ Ss. duas destas são hidrogénio ligado ao átomo de oxigénio na central H ₂ O molécula, e cada um dos dois átomos de hidrogénio é igualmente ligado a um outro vizinho H ₂ O.

Cristais formas de gelo que possuem uma estrutura hexagonal, que no seu desenvolvimento completo tenderiam a formar prismas hexagonais muito semelhantes às vezes visto em quartzo. Isso ocasionalmente acontecer, e qualquer pessoa que tenha feito muito montanhismo inverno tem provavelmente visto prismas em forma de agulhas de cristais de gelo que flutuam no ar. Na maioria das condições, no entanto, os cristais do floco de neve que vemos são achatadas nas belas estruturas hexagonais fractal-like que são comumente observadas.

Flocos de neve

Este excelente local CalTech tem muito mais em cristais de neve. Há algumas galerias de fotos lindas, e as instruções para o uso de campos elétricos para crescer "designer" flocos de neve.

Os H ₂ S moléculas que compõem as faces superior e inferior do plano do prisma são embalados muito de perto e ligado (por ligações de hidrogênio) para as moléculas no interior. Em contraste com isso, as moléculas que constituem os lados do prisma, e especialmente aqueles nos cantos hexagonais, são muito mais exposta, de modo que atmosférica H ₂ O moléculas que entram em contacto com a maioria dos locais sobre a superfície do cristal anexar muito frouxamente e migrar ao longo dela até que eles são capazes de formar ligações de hidrogênio-ligado a esses cantos, tornando-se parte do sólido e alargar a estrutura ao longo destas seis direções. Este processo se perpetua como as novas extensões de si mesmos adquirem uma estrutura hexagonal.

Por que é escorregadio gelo?

A temperaturas tão baixas como 200 K, a superfície de gelo é altamente desordenado e semelhante à da água. À medida que a temperatura se aproxima do ponto de congelação, esta região de desordem estende-se mais para baixo a partir da superfície e actua como um lubrificante.

A ilustração é tomada a partir de um artigo de 7 de abril de 2008 da C & ENhomenageando o físico-químico Gabor Somorjai pioneiro métodos modernos de superfícies estudando.

5 água "Pure"

Para um químico, o termo "puro" tem um significado único no contexto de uma aplicação ou processo em particular. A água destilada ou desionizada usamos no laboratório contém dissolvido gases atmosféricos e, ocasionalmente, alguns de sílica, mas suas pequenas quantidades e inércia relativo fazer essas impurezas insignificante para a maioria dos propósitos.Quando é necessária água de mais alta pureza obtido para determinados tipos de medições exigentes, é vulgarmente filtrada, de-ionizada, e triplo-destilado em vácuo. Mas mesmo esta água "quimicamente pura" é uma mistura de espécies isotópicas: há dois isótopos estáveis ​​de ambos hidrogénio (H ¹ e H ² , o último frequentemente designado por D) e de oxigénio (S ¹⁶ e S ¹⁸ ), que dão origem a combinações tais como H ₂ O ¹⁸ , HDO ¹⁶ , etc, todos os quais são prontamente identificáveis ​​no espectro de infravermelhos de vapor de água. E ainda por cima esta off, os dois átomos de hidrogênio em água contêm prótons cujos momentos magnéticos pode ser paralelo ou antiparalelo, dando origem a orto- e para- água, respectivamente. As duas formas estão normalmente presentes em um / pde 3:1.

A quantidade de isótopos raros de oxigênio e hidrogênio em água varia bastante de lugar para lugar que agora é possível determinar a idade e origem de uma amostra de água em particular com alguma precisão. Estas diferenças são refletidas nos perfis isotópicos H e O de organismos. Assim, a análise isotópica de cabelo humano pode ser uma ferramenta útil para as investigações criminais e de investigação da antropologia. Veja também estapágina Micróbio Forensics , e este recurso geral de isótopos de água.

6 Mais informações sobre ligações de hidrogênio

As ligações de hidrogênio se formam quando a nuvem de elétrons de um átomo de hidrogênio que está ligado a um dos átomos mais eletronegativos é distorcida por esse átomo, deixando uma carga positiva parcial sobre o hidrogênio. Devido ao tamanho muito pequeno do átomo de hidrogênio, a densidade dessa carga parcial é grande o suficiente para permitir que ele interaja com os elétrons solitário de par em um átomo eletronegativo nas proximidades. Apesar de ligação de hidrogênio é comumente descrita como uma forma de dipolo-dipolo atração, agora está claro que se trata de uma certa medida de compartilhamento de elétrons (entre os elétrons não-ligantes externos e hidrogênio), bem como, de forma que estes títulos possuem algum covalente personagem.

As ligações de hidrogênio são mais longas do que as ligações covalentes comuns, e eles também são mais fracos. A evidência experimental para a ligação de hidrogênio geralmente vem de estudos de difração de raios-X em sólidos que revelam distâncias mais curtas do que o normal entre hidrogênio e outros átomos.

Ligação de hidrogénio, em moléculas pequenas

Os exemplos a seguir mostram um pouco do vasto leque de ligações de hidrogênio nas moléculas.

	Amônia (mp -78, -33 pb ° C) está nos estados líquido e sólido ligado a hidrogênio.
	O hidrogénio é responsável pela ligação de amoníaco é notavelmente elevada solubilidade em água.
	Muitos (carboxílicos) ácidos orgânicos formam dímeros ligados a hidrogênio no estado sólido.
	Aqui, o receptor da ligação de hidrogênio é a nuvem de elétrons π de um anel de benzeno. Este tipo de interacção é importante na manutenção da forma das proteínas.
	Fluoreto de hidrogénio(pf -92, pb 33 ° C) é uma outra substância comum que é fortemente nas suas fases condensadas ligado por hidrogénio.
	O ião de bifluoreto (para os quais nenhuma estrutura de Lewis adequado pode ser escrita) pode ser considerado como um ião complexo mantidos juntos por uma ligação de hidrogénio mais forte conhecido: cerca de 155 kJ mol -1 .
	" tão lento quanto melaço no inverno! "Vários grupos hidroxila fornecer muitas oportunidades para ligação de hidrogênio e levar às altas viscosidades de substâncias como a glicerina e açúcar xaropes .

 

Ligação de hidrogênio em biopolímeros

Hidrogénio ligação desempenha um papel essencial em polímeros naturais de origem biológica, de duas maneiras:

·         Ligação de hidrogênio entre cadeias de polímeros adjacentes (ligação intermolecular);

·         Ligação de hidrogênio entre as diferentes partes da mesma cadeia (ligação intramolecular;

·         Hidrogénio ligação de moléculas de água para grupos-OH na cadeia polimérica ("água ligada"), que ajuda a manter a forma do polímero.

Os exemplos que se seguem são representativos de vários tipos de biopolímeros.

Celulose

A celulose é um polímero linear de glicose (ver acima), contendo 300 a mais de 10000 unidades, dependendo da fonte. À medida que o componente estrutural principal das plantas (juntamente com a lignina em árvores), a celulose é a substância orgânica mais abundante na terra. O papel da ligação de hidrogênio é a moléculas individuais cruz-link para construir folhas, como mostrado aqui. Estas folhas do que empilhar em uma matriz escalonada mantidas juntas por forças de van der Waals. Além disso hidrogênio-ligação de pilhas adjacentes agrupa-los juntos em uma estrutura mais forte e mais rígida.

[ imagem da Wikimedia Commons ]

Proteínas

Estes polímeros feitos a partir de aminoácidos R-CH (NH ₂ ) COOH depender de ligação de hidrogénio intramolecular para manter a sua forma (estrutura secundária e terciária), que é essencial para a sua importante função como catalisadores biológicos (enzimas). Moléculas de água ligada a hidrogénio incorporados na proteína também são importantes para a sua integridade estrutural.

A principal ligação de hidrogénio em proteínas é entre os grupos-N-H das "amino" partes com o-C = S grupos de as partes "ácidas". Estas interacções dar origem aos dois principais tipos de estrutura secundária, que se refere ao arranjo da cadeia de polímero de aminoácidos:

alfa-hélice   [ imagens ]

beta-folha

Apesar de carbono não é geralmente considerada particularmente electronegative, ligações C-H ---- X de hidrogênio também são conhecidos agora a ser significativo em proteínas.

 

 

mais: Wayne State U -

DNA (ácido desoxirribonucléico)

Quem você é, é totalmente dependente de ligações de hidrogênio! DNA, como você provavelmente sabe, é o mais famoso dos biopolímeros, devido ao seu papel central na definição da estrutura e função de todos os organismos vivos.

[ imagem ]

Cada cadeia de ADN é construído a partir de um squence de quatro diferentes monómeros nuclotide constituídos por um açúcar desoxirribose,grupos de fosfato , e uma base azotada convencionalmente identificados pelas letras A, T, C e G. próprio DNA consiste de duas destas cadeias de polynuclotide que é enrolado em torno de um eixo comum de uma configuração algo como o alfa-hélice proteína representado acima. As espinhas dorsais e açúcar-fosfato estão na outiside de modo que as bases nucleotídicas estão no interior e frente a frente. As duas fitas são mantidas juntas por ligações de hidrogênio que ligam um átomo de nitrogênio de um nucleotídeo em uma cadeia com um azoto ou oxigénio no nucleotídeo que fica em frente a ele em outra cadeia.

 

Ligação de hidrogênio eficiente dentro desta configuração só pode ocorrer entre os pares AT e CG, então esses dois pares complementares constituem o "alfabeto", que codifica a informação genética que será transcrita sempre que novas moléculas de proteínas são construídas.

As moléculas de água, para as partes externas do hélice do DNA ligado a hidrogênio, ajudar a estabilizá-lo.

[ ← imagem de Radboud U, Holanda]

Mais sobre o DNA:

·         Uma boa série de ilustrações de DNA animados aqui .

·         A excelente página da Wikipedia sobre o DNA e sua replicação

Alguns outros recursos sobre a água

Estrutura e Propriedades da Água é um site desenvolvido por Martin Chaplin no South Bank University, na Inglaterra. É uma coleção cientificamente sólida, bem tranquila de artigos sobre a água e sua estrutura, que deve responder a todas as suas perguntas.

Tudo sobre a água é uma outra versão desta página destina-se a um público mais geral. Ele contém material adicional sobre a água potável, a água em nossos corpos, "obrigado" a água e "bioágua" e pseudociência água.

O mistério, a arte ea ciência da água . Este site oferece uma visão da água em todas as muitas formas que os impactos sobre as múltiplas facetas de nossa cultura.Altamente recomendado.

Propriedades de Ordinary água-substância em todas as suas fases por Noah E. Dorsey (Reinhold, 1940) é provavelmente o livro mais completo sobre a água que já foi publicado. A maioria das bibliotecas universitárias maiores têm cópias. Infelizmente, é apenas minimamente pesquisável on Google Livros .

O congelamento de água quente mais rápido do que água fria? Sim, isso pode acontecer sob as condições certas. Breve explicação , explicação mais completa . Veja também água quente vibra por um longo tempo .

Relatório Especial sobre a Química da Água da Fundação Nacional de Ciência dos EUA. Um resumo interessante de novos trabalhos sobre a água e sua estrutura, com algumas imagens marcantes.

Água na Terra: a hidrosfera e os oceanos - este site, do ex-curso do Autor em Química Ambiental, apresenta um levantamento geral.

Porque é que a água azul? É tudo sobre a ligação OH alongamento! Um site mais técnico . Veja também este artigo muito bem ilustrado NASA Onde está o mais azul do oceano ?

Para uma visão mais escura da água , consulte a Ban DHMO página

 

FONTE :https://www.chem1.com/acad/webtext/states/water.html