地球/5a. H2O:神奇的气体、液体和固体
水 (H2O) 是地球表面最丰富的物质,也是宇宙中最丰富的分子之一。液态水覆盖了地球表面的 71%,从太空中看地球呈现出醒目的蓝色。作为太阳系中唯一一颗深蓝色的星球,地球的位置非常理想,可以使 H2O 存在于三种状态:海洋中的液态水、云层中的水蒸气以及地球冰川和雪中的冰。地球最惊人的特征之一是,在其漫长的历史中,H2O 的三种状态都存在。
在木星冰封的卫星 木卫二 上,水被锁定在冰封的海洋之下,温度远低于 -150 摄氏度,而火星的平均温度为 -60 摄氏度,水只以冰的形式存在,主要集中在它的北极。
通过 好奇号火星车、火星勘测轨道飞行器 和其他火星探测任务,人们发现了火星早期存在液态水的证据,表明火星在几十亿年前的历史早期可能比现在更温暖。
金星比地球更靠近太阳,平均温度为 462 摄氏度,远高于水的沸点,金星上的所有水都以水蒸气的形式存在于其表面上方厚厚炎热的大气中。即使是地球的月球也缺乏明显的水的液态和气态形式,尽管其昼夜温差从夜间的 -173 摄氏度到白天的 127 摄氏度,但月球岩石和尘埃中痕量水的极端脱水和再水化导致几乎永久冻结的冰在靠近寒冷的极地以及太阳每日热量照射不到的冰冷阴影中积聚。
地球上动态的海洋液态水、大气中的水蒸气以及雪和冰在太阳系中确实是独一无二的。这是由于行星温度的微妙平衡,跨越了水的熔点和沸点,但不会在这个范围内变得过于寒冷或炎热。
水分子化学式为 H2O,每个水分子都有两个氢原子通过共价键与一个氧原子结合。在 1 个大气压(海平面)下,冷却到 0 摄氏度(32 华氏度)的水会冻结成冰,加热到 100 摄氏度(212 华氏度)的水会沸腾成蒸汽或水蒸气。“三相点”是相图上的一个点,它说明了物质在不同温度和压力下所有三种状态(气态、液态、固态)可以共存。水的三相点发生在 0.0075 °C(32.0135 °F)和 611.657 帕斯卡或 0.006 个大气压下。这个点类似于在海平面正常大气压下使水冻结的低温,但三相点可以在地球表面上方 36 公里的极低大气压下自然发生,导致冰、水和水蒸气在地球高空平流层中共存。
水、冰和水蒸气具有宽吸收带,包括可见光谱以外的电磁辐射的长波长,包括红外光和微波辐射长度。在视觉光谱中,水和冰分子弱吸收波长长达 750 纳米的波长,阻挡了一些可见的红色光波,导致水和冰呈现蓝色。水的红外电磁辐射的宽吸收带导致水的热容量很高。
事实上,水在常见分子中的比热容是最高的之一。水还表现出高汽化热,这使水在达到沸点之前不会沸腾。冻结的水具有很高的熔化比焓或潜热,这意味着与其他类型的分子相比,融化冰并升高水的温度需要大量的能量。由于这三种不寻常的热学性质,水及其在地球上的分布对地球的气候有深远的影响,因为它可以储存大量的热量,并且可以抵抗作为冰冻结时的升温。冰在 −10 °C 的比热容为 2.03 J/(g·K),蒸汽在 100 °C 的热容量为 2.08 J/(g·K)。这些不寻常的性质(高热容量、高汽化热和高熔化比焓)是单个分子之间形成的强氢键的结果。
在液态水中,水分子中的氢原子由于水分子轻微的极化而被吸引到相邻分子中的氧原子。氧原子包含 8 个质子(+8 电荷),它会比包含 1 个质子(+1 电荷)的氢原子更强烈地吸引轨道电子。这意味着水分子中的氧原子带有部分负电荷,这是因为负电荷电子被吸引到氧原子核,而氢原子将带有轻微的部分正电荷。这种极化导致水分子定向,使得氢原子被吸引到相邻分子。这种吸引力很弱,很容易断裂。水分子中单个氢键的寿命非常短,在一杯水中,新的氢键不断形成和断裂。这与将单个氧原子和两个氢原子结合在一起的强共价键非常不同。这些共价键需要相当大的能量才能断裂,并且牢固地结合在一起。
尽管氢键很弱,但它很重要,因为它导致了水所具有的独特化学性质。液态水具有很高的内聚力。内聚力是分子彼此之间相互吸引的力。氢键使液态水分子彼此吸引,使它们粘在一起,并使水在形成水滴时呈现出“皮肤”的外观。当液态水分子粘在一起时,它们会由于弱氢键将这些分子结合在一起而形成球形液滴,这就是内聚力。这种内聚力导致很强的表面张力,它是液体表面的抵抗外部力的性质。例如,如果你小心的话,你可以让一个回形针漂浮在液态水的表面上,这是由于这种高表面张力。水的表面张力很高,使水黾等昆虫(如水黾科昆虫)可以在水面行走而不沉入水中。水分子还与其他分子表现出轻微的附着力,特别是那些具有氧原子(如二氧化硅玻璃 SiO2)和氢原子(如塑料(C2H4)x 聚合物中发现的碳氢化合物)的分子。这种附着力会导致在玻璃边缘附近形成弯月面。
当水分子附着在固体表面(如试管、塑料烧瓶或酒杯)时,会形成一个凹陷的弯月面,称为弯月面。这是因为水分子与相邻的氧原子或氢原子之间存在弱氢键,这种粘附作用导致了水的表面张力。这种粘附力会导致毛细现象,使水能够被拉入细小的管子中,例如自然界中需要水的维管植物的根部和茎部,甚至在活体动物的血管中。
水分子具有独特的极性,每侧带有微弱的正电荷和负电荷,这使得液态水分子能够破坏置于液态水中的固体的离子键。这使得水能够溶解固体,例如通过破坏固体中原子之间的弱离子键来溶解盐。能够溶解由弱离子键形成的固体物质的液体被称为溶剂。水被认为是地球上最重要的溶剂之一,它可以溶解比任何其他液体更多的固体物质。
食盐由带正电的钠离子 Na+ 和带负电的氯离子 Cl− 组成,它们通过相反的电荷相互吸引。当食盐放入液态水中时,它会分离并溶解。Na+ 会被带负电荷的水分子氧侧吸引,而 Cl− 会被带正电荷的水分子氢侧吸引,从而破坏 Na+ 和 Cl− 之间的离子键,形成固体盐晶体。这些离子将存在于盐水中,溶解在液态水中。如果在液态水中加入更多食盐,则液体将变得过饱和。过饱和液体是一种溶液,其中溶解物质的含量超过了溶剂所能溶解的量,并且将开始从水中析出。固体在液体中溶解的量取决于温度。这在制作糖果时经常被使用,在糖果制作过程中,将糖加入沸水中,随着水的冷却,能够溶解的糖量减少,糖晶体会形成。当分子中含有氢离子 H+ 或氢氧根离子 OH− 被添加到水中时,就会发生最有趣的化学性质之一。
19 世纪 90 年代,丹麦卡尔斯伯格啤酒厂的化学家 约翰·凯尔达尔 被赋予一项任务,即找出用于酿造啤酒的谷物中含有多少蛋白质。啤酒厂使用的谷物中蛋白质含量越低,啤酒产量就越高,因为蛋白质在酒精发酵过程中并不需要。凯尔达尔成功地开发了一种方法来测量谷物中氮的含量,氮存在于蛋白质中,而不存在于糖中。因此,谷物中发现的氮含量越高,谷物中所含的蛋白质就越多。1900 年 7 月的一天,约翰·凯尔达尔突然去世,年仅 50 岁。他在啤酒厂的职位空缺引起了年轻的丹麦化学家 索伦·彼得·劳里茨·索伦森 的注意。索伦森从小就想成为一名医生,但他对无机化学和地质学产生了兴趣。在大学期间,他夏季在丹麦的地质调查中工作,但他真正的热情是化学。他希望成为一名老师,但卡尔斯伯格啤酒厂的职位薪酬要高得多,他因此获得了这份工作。他承担了一项新任务,即了解蛋白质和其他复杂的有机分子是如何分解的。蛋白质可以通过将其加热到高温来分解,酿酒师将谷物煮沸以制作麦芽,但人们也知道酸也可以分解蛋白质。在啤酒厂工作期间,索伦森对酸的工作原理进行了仔细的研究。
当含有包含氢的离子键的物质的分子被添加到水中时,就会形成酸,例如 HCl(盐酸)。氢离子 H+ 会从 Cl− 阴离子中分离出来,导致溶解,就像盐(NaCl)一样。然而,氢离子 H+ 在溶解后反应性很强,会与复杂的蛋白质发生反应,将其分解。使液体成为酸的是溶解在液体中的氢离子 H+ 的数量。中和这些过量的氢离子 H+ 的一种方法是引入含有 OH− 阴离子的物质,例如 Ca(OH)2(氢氧化钙)。这些 OH− 阴离子会与 H+ 阳离子反应并形成 H2O。含有过量 OH− 阴离子的液体被称为碱性,而含有过量 H+ 阳离子的液体被称为酸性。纯水 (H2O) 不含过量的 H+ 阳离子,也不含过量的 OH− 阴离子,因此呈中性。
在啤酒厂的实验室里,索伦森需要开发一种方法,将各种液体分类成一个标尺,以表明它们在实验中的酸度或碱度。1909 年,他开发了一种对数标尺,现在广泛应用于化学、地质学和生物学领域。后来在 1924 年修改为pH 值标尺。
索伦森知道,即使在含有大量 OH− 阴离子的液体中,也总会存在少量的 H+ 阳离子。随着 OH− 阴离子含量的增加,H+ 阳离子的含量将呈指数级下降。在中性水中,索伦森发现活性 H+ 阳离子的含量仅为每摩尔 0.000000003540133 个,写出带有如此多零的如此小的数字并没有什么用,因此索伦森开发了一种简单的方法,使用反对数标尺,这意味着液体中 H+ 阳离子的含量越大,标尺上的数字就越小。
每摩尔含有 0.5 个 H+ 阳离子的液体将具有非常低的 pH 值 0.3,而含有微量(例如每摩尔 0.0000000001 个 H+ 阳离子)的液体将具有很高的 pH 值 10。pH 值低于 7 的液体为酸性,而 pH 值高于 7 的液体为碱性。漂白剂和其他家用清洁剂的 pH 值约为 13.5,而醋的 pH 值约为 3。极低的 pH 值和极高的 pH 值很容易分解蛋白质,过量的 H+ 阳离子或 OH− 阴离子都会导致这种情况。标尺上高低端这些液体具有很强的腐蚀性且很危险,包括液体排水管清洁剂(非常高的 pH 值)和电池酸(非常低的 pH 值)。了解 pH 值对于了解地球上的水非常重要,因为水是一种强大的溶剂,会破坏离子键,导致水中混合了不同数量的 H+ 阳离子或 OH− 阴离子。这对于了解地球上雨水、地下水、河流、湖泊和海洋的化学性质尤为重要。
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