コア コンセプト
水の性質に関するこのチュートリアルでは、水の物理的および化学的性質について学びます。また、水分子の構造についても学びます。
他の記事で取り上げるトピック
水の極性
電気陰性
溶媒対溶質
比熱
密度
語彙
密度- 単位体積あたりの質量
比熱容量- 1kgの物質の温度を1℃上げるのに必要なエネルギー量
気化熱- ある量の液体を気体に変換するのに必要なエネルギー量
極性分子- 部分的に負に帯電した末端と部分的に正に帯電した末端を持つ分子
電気陰性度- 原子が化学結合で共有電子を引き寄せる傾向
水の性質の紹介
水 (H2O) は「普遍的な溶媒」であり、地球上で最も豊富な表面です。また、自然に固体、液体、気体として存在する唯一の共通物質でもあります。水分子は水素結合を形成し、非常に極性があります。水の 5 つの主な特性は、その高い極性、高い比熱、高い気化熱、固体としての低密度、および他の極性分子への引力です。
極性と構造
酸素原子 1 個と水素原子 2 個で水分子ができます。それは、酸素が 2 つの孤立電子対を持つ曲がった分子構造を持っています。酸素と水素の電気陰性度の違いにより、酸素は部分的に負の電荷を持ち、水素は部分的に正の電荷を持ちます。この電荷の違いにより極性が生じます。 1 つの水分子の水素の部分的な正電荷は、別の水分子の酸素の部分的な負電荷を引き付けます。この引力は水素結合と呼ばれます。
水素結合は、同じ分子の酸素と水素の間の共有結合よりも弱いですが、水のユニークな特性の多くを引き起こします.たとえば、水素結合を切断するにはより多くのエネルギーが必要なため、水は融点と沸点が高くなります。
万能溶剤
水は生命の溶媒です。親水性物質は水に溶ける物質で、疎水性物質は水とよく混ざらない物質です。物質は、水分子間の水素結合に適合または克服できる場合、水に溶解できます。できない場合、物質は沈殿物を形成します。酸、アルコール、および塩は水溶性ですが、油脂は疎水性です。
水に溶解したイオン性溶質が分離します。たとえば、NaCl は、水分子に囲まれた Na+ カチオンと Cl- アニオンに分離します。水は両性で、溶液によって酸にも塩基にもなります。 H+ イオンと OH- イオンの両方を生成できます。
比熱容量
水は、20℃で4184J/(kg×K)という高い比熱と、水素結合による高い気化熱を持っています。これにより、水域の温度変動が最小限に抑えられ、気候が調整されます。
水の高い気化熱により、人間は汗をかいて冷やすことができます。汗はほとんど水分でできています。蒸発する際に体の余分な熱を吸収します。このプロセスは蒸発冷却として知られています。
密度
水の密度は 1 立方センチメートルあたり 1 グラムです。これは、グラムを定義するために使用されます。熱膨張を受ける代わりに、密度は温度とともに上昇し、3.98 C のピークに達し、その後減少します。負の熱膨張は、32 ～ 39.16 F の間の密度の増加です。その結果、氷は密度が約 10% 減少する水より密度が低くなります。これが、水域の表面に氷の層があっても、その下に液体が含まれている理由です。これにより、魚や海洋生物は氷の下で生き残ることができます。比熱が高いため、冬の間、水の温度が比較的安定し、海洋生物が生き残ることができます。
塩分は海の凝固点をほぼ 2 ℃ 下げます。氷はまだ海に浮かんでいますが、氷はほぼ無塩であり、淡水域の氷と同様の密度です。塩は、対流によって沈む残りの水の塩分と密度を増加させます。このプロセスは塩水除去と呼ばれます。
圧縮率
圧縮性は、圧力と温度の結果です。水の圧縮率は非常に低いため、圧縮できないと見なされることがよくあります。圧縮率が低いため、圧力の高い深海の水は体積が 1.8% しか減少しません。
導電率
純水は優れた絶縁体ですが、脱イオン水は完全にイオンを含まないわけではありません。水は液体として自動イオン化と呼ばれるプロセスを経ます。これは、2 つの水分子が 1 つの水酸化物アニオン (OH-) と 1 つのヒドロニウム カチオン (H3) を形成できることを意味します。 0+).
結束と接着
水分子間の水素結合は、絶えず壊れて他の水分子と再形成されています。凝集力とは、水分子がくっつく能力です。水の極性はまた、水に高い接着力を与えます。つまり、他の表面にくっつく能力です。接着力は凝集力よりも強い.
強い凝集力と付着力により、水は毛細管現象を起こします。毛細管現象とは、液体が重力なしで、しばしば重力に逆らって狭い空間を流れるプロセスです。水は植物の根の壁に付着し、植物の中に上昇します。水などの多孔質材料も毛細管現象を示します。樹木は、毛細管現象によって水を 100 メートル以上運ぶことができます。
表面張力
また、水素結合により、水は 25 で 71.99mN/m の高い表面張力を持ちます。表面張力は、昆虫が水の上を歩くのに十分な高さです。表面張力は、水の凝集特性の結果です。ガラスの縁から水滴や水が浮き上がる様子は、水の高い表面張力を示しています。水の性質については、こちらをご覧ください。
