(1) Estructura del agua
En las moléculas de agua, los núcleos de hidrógeno y oxígeno están dispuestos en un triángulo isósceles. Los núcleos de oxígeno se encuentran en la parte superior de las esquinas donde se encuentran las dos cinturas. se cruzan, y los dos hidrógeno El núcleo está ubicado en los dos ángulos de la base de un triángulo isósceles, y el ángulo entre las dos cinturas es 104°45° [Figura 2.1(a)]. Todo el núcleo de la molécula de agua está sumergido en la nube de electrones compuesta por 10 electrones fuera del núcleo (Figura 2.1 (b)).
Esta disposición de los átomos de hidrógeno y oxígeno en las moléculas de agua hace que las cargas positivas y negativas y los centros de atracción electrostática de las moléculas de agua no se superpongan en la estructura, formándose así la naturaleza dipolar de las moléculas de agua, es decir, una El extremo del átomo de oxígeno es el electrodo negativo y el extremo ubicado en el átomo de hidrógeno es el electrodo positivo.
El grado de polaridad de una molécula dipolar se puede juzgar en función del tamaño de su momento dipolar. El momento dipolar μ de las moléculas de agua = 1,86 × 1O-18 unidades electrostáticas × centímetros Su momento dipolar es mayor que el de muchas otras sustancias y tiene una fuerte polaridad. Por lo tanto, cuando las moléculas de agua se acercan unas a otras, se produce una atracción electrostática entre moléculas de agua adyacentes debido a sus propiedades dipolares. Esta atracción se debe a la fuerte electronegatividad de los átomos de oxígeno en las moléculas de agua, que puede producir una atracción electrostática hacia los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua adyacentes, conectando así las moléculas de agua adyacentes. Un enlace formado por átomos de hidrógeno entre dos moléculas se llama enlace de hidrógeno y las moléculas de agua están conectadas por enlaces de hidrógeno.
Debido a los enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua adyacentes, el agua puede existir como moléculas gigantes de (H2O)n, pero no provocará cambios en las propiedades químicas del agua. Este fenómeno se llama degeneración de las moléculas de agua. efecto de asociación. Esta asociación se puede expresar mediante la siguiente fórmula de equilibrio:
Fundamentos de hidrogeoquímica
De hecho, el agua en la naturaleza sólo aparece como agua de una sola molécula cuando existe en estado de vapor, y cuando existe en estado líquido, existe en forma de moléculas gigantes cuando existe en estado sólido. Específicamente, n en (H2O)n generalmente varía entre 12 y 860, dependiendo principalmente de los cambios de temperatura. Sólo a 250-300 °C, el valor de n es cercano a 1, es decir, el agua tiene la forma de H2O.
El grado de asociación del agua aumenta a medida que disminuye la temperatura. Cuando la temperatura es de 4°C, el grado de asociación es máximo y la densidad del agua también es máxima.
Además, además de la forma de estructura normal del agua mencionada anteriormente, también existe una estructura de doble metamorfosis del agua, es decir, dos átomos de hidrógeno son capturados por la esquina opuesta de la otra superficie. En el agua, el contenido del estado de la estructura del agua normal cambia entre 0 y 75, mientras que el contenido de moléculas de agua en la estructura de doble metamorfosis cambia entre 25 y 100.
(2) Propiedades específicas del agua
Debido a que la estructura del agua es muy especial, tiene una serie de propiedades únicas. En comparación con los líquidos ordinarios, el agua presenta algunos fenómenos que no se ajustan a las reglas generales en términos de propiedades físicas y químicas. Las propiedades únicas del agua se pueden resumir de la siguiente manera:
1. El agua tiene propiedades térmicas únicas
(1) El calor de formación del agua es muy alto. El calor de formación se refiere al calor de reacción cuando un elemento estable produce 1 mol de un compuesto. El calor de formación del agua es -285,8 kJ/mol, por lo que la estabilidad térmica del agua es muy alta. A una temperatura alta de 2000 °C, su disociación es inferior al 1 %, que es aproximadamente 0,588. a la temperatura caliente de la Tierra primitiva.
(2) El agua tiene un punto de ebullición muy alto y una fase líquida muy larga antes de alcanzar el punto de ebullición. Esto se debe a que la atracción entre los dipolos de las moléculas de agua es mucho mayor que la de los líquidos ordinarios.
El agua es el hidruro de oxígeno. Al compararla con los hidruros de los correspondientes elementos del mismo período y familia del oxígeno, podemos ver esta característica del agua (Tabla 2.1). Como puede verse en la tabla, las propiedades térmicas de los hidruros de estos elementos disminuyen regularmente al disminuir el peso molecular. Según esta regla, el punto de fusión y el punto de ebullición del agua deben ser -106 °C y -81 °C respectivamente, lo que está lejos del punto de fusión y del punto de ebullición reales.
Tabla 2.1 Algunas propiedades térmicas de los hidruros de los principales elementos del grupo VI
El agua tiene un punto de fusión y un punto de ebullición anormalmente altos, así como un calor de fusión y un calor de vaporización de alto peso molecular, que el agua La transición de fase de las moléculas de hielo a agua y a vapor requiere mucha energía térmica para romper numerosos enlaces de hidrógeno. Es precisamente por esta característica anormal que puede existir agua líquida en la tierra y la materia viva puede reproducirse.
Debido a que la conducción de calor, la capacidad calorífica, el calor de fusión, el calor de vaporización y la expansión térmica del agua son más altos que casi todos los demás líquidos, el agua puede desempeñar un papel en la regulación de la temperatura de la naturaleza y prevenir la temperatura. diferencia con cambiar demasiado, haciendo que la tierra El clima sea adecuado para la habitación humana y el crecimiento de animales y plantas. Por el contrario, en la luna sin agua, la diferencia de temperatura entre el día y la noche llega a 200°C.
2. El agua tiene una tensión superficial mayor
En comparación con otros líquidos, el agua tiene una tensión superficial mayor (excepto el mercurio). Disminuye al aumentar la temperatura (ver Tabla 2.2).
La tensión superficial del agua es de gran importancia para el estudio de los fenómenos geoquímicos del agua de la zona vadosa.
3. El agua tiene pequeña viscosidad y gran fluidez
Tabla 2.2 Tensión superficial del agua
La viscosidad es una representación de la propiedad del grado de resistencia (fricción interna). ) entre partículas dentro de un líquido. En términos generales, el movimiento de un líquido puede considerarse como la deformación del líquido y la viscosidad es la capacidad de resistir la deformación entre partículas de líquido. La polaridad y los enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua determinan la baja viscosidad y la alta fluidez del agua. Según los datos existentes, bajo un campo eléctrico de 1V/cm, la actividad del H (protón) de las moléculas de agua es de 32,510-4cm/s, la actividad del OH- es de 17,810-4cm/s, mientras que las actividades de otros iones son sólo 6×10-4cm/s. Al mismo tiempo, las moléculas de agua a menudo sufren nuevas disposiciones y conexiones durante el movimiento térmico.
4. El agua tiene un alto efecto dieléctrico
Cuando los cristales de iones de sal se disocian en el agua, algunas moléculas de agua forman una capa alrededor de cada ion para compensar la atracción (o repulsión) electrostática externa de la membrana externa, que neutraliza parcialmente la carga de los iones y evita el nuevo enlace entre iones positivos y negativos. Esta capa cerrada de moléculas de agua desempeña un efecto aislante (o efecto protector), que se denomina efecto dieléctrico.
La constante dieléctrica ε del agua es 81 a temperatura ambiente, 88 a 0°C y 56 a 100°C. ε=81 a temperatura normal, lo que significa que la atracción mutua entre iones positivos y negativos en el agua es 81 veces menor que en el vacío.
5. El agua tiene la capacidad de hidratar iones de sal.
La atracción mutua entre los dipolos de los iones y las moléculas de agua en el agua hace que los iones positivos y negativos del agua queden rodeados. por moléculas de agua rodeadas, este proceso se llama hidratación de iones de sal (o solvatación de iones). Este efecto es el motivo por el que la mayoría de las sales son solubles en agua.
6. El agua tiene buenas propiedades de solubilidad
La propiedad de solubilidad del agua en sólidos se debe principalmente a que el agua es una molécula polar con alto efecto dieléctrico y puede hidratar iones salinos. Función y otras características.
A alta temperatura y alta presión, el agua es un tipo de agua activa y su estructura molecular del agua se encuentra en un estado metaestable. En este momento, las propiedades físicas y químicas del agua, como la conductividad, la solubilidad y el valor del pH, cambian, haciendo que el agua sea más corrosiva y, por lo tanto, aumentando su solubilidad. Investigadores de la antigua Unión Soviética realizaron pruebas de disolución de CaCO3 con agua activada en un autoclave caliente y descubrieron que la solubilidad del CaCO3 en agua activada era entre 1,15 y 2,6 veces mayor que antes de la activación.
Además, a alta temperatura y alta presión, el SiO2 puede disolverse en agua en grandes cantidades (Tabla 2.3).
Tabla 2.3 Prueba de disolución de SiO2 en condiciones de alta temperatura y alta presión
La prueba también demostró que en condiciones de 300-340 ℃, (390-400) × 105 Pa, el agua activa Se puede obtener a partir de granito de color claro, SiO2, A12O3, K2O, Na2O y otros componentes se disuelven en microclina y biotita.
(3) Productos de disociación del agua
El agua se puede disociar según la siguiente fórmula:
Conceptos básicos de hidrogeoquímica
Porque los protones (H) no puede existir solo. En solución acuosa, el H se asocia con H2O para formar H3Ogt (ion hidratado). En condiciones estándar, la constante de equilibrio del agua
Fundamentos de hidrogeoquímica
Debido a que el valor [H] es muy pequeño e incómodo de aplicar, el par negativo de concentración de iones [H] es utilizado generalmente El número se utiliza como indicador de la acidez y alcalinidad de una solución acuosa.
(4) Composición isotópica del agua
El protio (H), el deuterio (D) y el tritio (T) son los tres isótopos del hidrógeno.
El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno que emite rayos beta cuando se desintegra, produciendo helio: existe en el agua como agua tritiada (HTO). 16O, 17O y 18O son los tres isótopos del oxígeno. Su abundancia en el agua se muestra en la Tabla 2.4.
Tabla 2.4 Abundancia de isótopos de hidrógeno y oxígeno en el agua [8]
Si un elemento tiene varios isótopos, entonces, para un compuesto, hay muchas moléculas de isótopos. Se puede hacer referencia colectiva a las variantes. como moléculas isotópicas. Si no se consideran trazas de sH, los isótopos de hidrógeno y oxígeno en el agua natural pueden tener nueve moléculas de isótopos diferentes (Tabla 2.5).
Tabla 2.5 Moléculas isotópicas del agua natural
Nota: Los pesos moleculares están entre paréntesis
Las moléculas isotópicas del agua natural son las principales, y otras más abundantes incluyen lo siguiente: H217O (0,042), HD16O (0,032), mientras que la concentración de HTO es sólo