Die Eigenschaften von Wasser: Isotope und Molekülstruktur.

Die Eigenschaften von Wasser: Isotope und Molekülstruktur.

Die Eigenschaften von Wasser 1: allgemein
Die Eigenschaften von Wasser 2: physikalische und chemische Eigenschaften

Isotopenzusammensetzung von Wasser

Wasser ist eine Mischung aus verschiedenen Kombinationen von Sauerstoff- und Wasserstoffisotopen, die sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, die mit den Protonen im Kern assoziiert sind.

1H,2 H (Deuterium)3H (Tritium)

16O, 17O,18O.

Die Isotopenverhältnisse sind wie folgt:

Für Wasserstoff:
2H/1H = 1 / 6900

3H/1H = 1 / 10 18

Tritium ist ein instabiles Element, seine Halbwertszeit beträgt 12,5 Jahre.

Für Sauerstoff:
18O/16O = 1 / 500

17O/16O = 1 / 2500

Die wichtigsten molekularen 4-Spezies und ihre Frequenzen sind wie folgt:

1H216O = 99,7%

1H2 18 O = 0,2%

1H217O = 0,04%

1HD16O = 0,03%

D216O = sehr schwach

Die verschiedenen Isotope bewirken Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der Moleküle, insbesondere in ihrer Dichte, aber die chemischen Eigenschaften bleiben gleich.

Schweres Wasser D.2O existiert in seinem natürlichen Zustand, aber in sehr
niedrig. Um eine nennenswerte Menge zu haben, müssen die Techniken der Isotopentrennung beherrscht werden: Dies war eine der grundlegenden Herausforderungen während des letzten Weltkrieges, um die Atomwaffe vorzubereiten.

Die Isotopenzusammensetzung der chemischen Bestandteile von Wasser wird zur Abschätzung thermodynamischer Parameter wie der Temperatur verwendet;
der Bericht 18 O/16O Eis aus den Polkappen und Wasser aus fossilem Grundwasser geben Auskunft über das Klima der Vergangenheit.

Die Verdampfung des Meerwassers erfolgt mit Isotopenfraktionierung: Das leichte Sauerstoffisotop verdampft gegenüber dem schweren Isotop. Die Ozeane sind reicher an schweren Isotopen als Wasser aus Wolken und Niederschlag.

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Wasserisotope im Regenwasser


Stabiler Isotopengehalt des Niederschlags (nach Blavoux und Letolle, 1995).

Sauerstoffisotope in Korallen
Variation des Sauerstoffisotopengehalts in Korallen in Mayotte (nach Casanova et al., 1994).

Struktur des Moleküls

Wasserstoff- und Sauerstoffatome bündeln ihre Elektronen, um eine vollständige Schicht wie die von Neon zu bilden. Tatsächlich fehlen dem Sauerstoffatom 2 Elektronen, um seine elektronische Hülle zu vervollständigen. Es sind die 2 Wasserstoffatome, die es liefern. Das gebildete H2O-Molekül ist stabil.

Sauerstoff: 8-Protonen + 8-Neutronen
Wasserstoff: 2 (2 * (1-Proton + 1-Neutron))

Gesamt: 10-Protonen gleichen die Ladungen der 10-Elektronen aus.

Die Wasserstoffkerne sind auf einer Seite des Sauerstoffs angeordnet, um einen charakteristischen „Mickey-Kopf“ zu bilden (der Wasserstoff sind die Ohren).

Molekülstruktur von Wasser

Der HOH-Winkel beträgt 104,474 ° (charakteristisch für die tetraedrische Geometrie). Der Abstand zwischen Sauerstoff und Wasserstoffatom liegt in Dampf nahe bei 1 A ° (0,95718 A °). Der effektive Durchmesser des Moleküls liegt in der Größenordnung von 2,82 A °.

Elektrische Ladungen sind in diesem kleinen Molekül ungleichmäßig verteilt. Elektronen werden vom Sauerstoffatom stärker angezogen als vom Wasserstoffatom. Es gibt 2 Zentren positiver Ladungen in der Nähe der Wasserstoffkerne und 2 Zentren negativer Ladungen in der Nähe des Sauerstoffkerns. Dieses Ungleichgewicht in der Ladungsverteilung in Kombination mit der nichtlinearen Geometrie des Wassermoleküls äußert sich in der Existenz eines starken elektrischen Dipolmoments. Das Wassermolekül ist polar; es verhält sich wie ein elektrischer Dipol, der sich so an andere polare Moleküle binden kann. In der Tat können die Wassermoleküle zwischen die Ionenbestandteile eines Kristalls eingefügt werden, indem ihr Teil der entgegengesetzten elektrischen Ladung auf sie gerichtet wird. Die Anziehungskraft kristalliner Ionen wird stark geschwächt und die Kohäsion des Kristalls wird verringert, was seine Auflösung erleichtert. Die polaren Eigenschaften des Wassermoleküls erklären die Technik der Mikrowellenerwärmung. In der Tat orientiert sich ein polarisiertes Molekül in Bezug auf ein elektrisches Feld; Wenn dies variiert, folgt das Molekül der Orientierungsänderung. Ab einer bestimmten Frequenz, einige GHz für Wasser, erzeugen die Bewegungen von Molekülen Wärme durch Reibung. Haushaltsöfen arbeiten normalerweise mit einer Frequenz von 2,45 GHz, was UHF ist.

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Die 3 Kerne des Moleküls sind nicht stationär, sie bewegen sich relativ zueinander, das Molekül vibriert und dreht sich. In flüssigem Wasser neigen Moleküle dazu, sich zu verbinden: Mickeys Köpfe verbinden das Ohr durch Wasserstoffbrückenbindung mit dem Kinn. Tatsächlich sind von den 8 peripheren Elektronen des Sauerstoffs nur 4 an kovalenten Bindungen mit Wasserstoffatomen beteiligt. Die verbleibenden 4 Elektronen sind in 2 Paare gruppiert, die als freie Elektronendubletts bezeichnet werden. Jedes dieser negativ elektrisch geladenen Dubletts kann eine elektrostatische Bindung mit einem positiv geladenen Wasserstoffatom eines nahe gelegenen Wassermoleküls eingehen. Die bei Raumtemperatur stabile Wasserstoffbindung ist im Vergleich zur kovalenten Bindung dennoch zerbrechlich. Im Wassermolekül liegt die Geometrie, die durch die Richtung der 2 kovalenten Bindungen und der 2 freien elektronischen Dubletts gebildet wird, nahe an der eines Tetraeders, dessen Zentrum von den Sauerstoffkernen besetzt ist.

Die große Struktur des Wassermoleküls ist jedoch noch unvollständig bekannt. Die Röntgen- und Neutronenbeugungsspektren liefern zwei Hauptwerte: ein Signal entsprechend 2 A °, Abstand zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffkernen und einen Wert von 1 bis 2,84 A °, der je nach Temperatur und Temperatur variiert entsprechend dem Abstand zwischen 4 Sauerstoffkernen. Die Röntgendiffraktometrie ermöglicht es auch, die durchschnittliche Anzahl von Molekülen pro Volumeneinheit der Flüssigkeit zu ermitteln, die sich in einem Abstand R von einem bestimmten Molekül befindet. Ein Wassermolekül hat durchschnittlich 2 Nachbarn, was auf ein tetraedrisches Netz hindeutet. Zusätzlich zu Molekülen, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind, gibt es andere ungebundene Moleküle, was möglicherweise erklärt, warum die Anzahl benachbarter Moleküle etwas größer als 4,4 ist und nicht 4 genau so, wie es für einen streng tetraedrisch kristallisierten Zustand erforderlich ist. Das Kristallgitter von Molekülen, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind, würde Hohlräume bilden, in denen ungebundene Moleküle untergebracht wären. Eine andere Hypothese basiert auf der Verzerrung von Wasserstoffbrücken. Letzteres, ursprünglich linear, dh mit ausgerichteten O-HO-Atomen, könnte sich in unterschiedlichem Maße verdrehen und es Molekülen ermöglichen, die weiter entfernt sind als die nahen Nachbarn, sich dem zentralen Molekül zu nähern.

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Theoretische Modelle wurden kürzlich unter Verwendung leistungsfähiger Computer entwickelt. Sie weisen darauf hin, dass etwa 80% der Wassermoleküle an 3 oder 4 Wasserstoffbrücken beteiligt sind; Andererseits schließen sie das Vorhandensein ungebundener Moleküle aus. Computermodelle legen nahe, dass die Netzwerke von Molekülen mit abkühlendem Wasser zunehmend Sechsecken ähneln, die denen im Eis ähneln.

Der feste Zustand entspricht einer strengeren kristallinen Anordnung. Bei normalem Druck hat Eis eine hexagonale Struktur. Bei niedriger Temperatur (unter -80 ° C) kann es eine kubische Struktur annehmen. Elektrische Ladungen können sich im Kristallgitter bewegen und Kristalldefekte vom ionischen Typ erzeugen: hydratisiertes Proton H3O + und Hydroxylion OH-. Das Kristallgitter des Eises entspricht nicht der kompaktesten möglichen Stapelung von Molekülen. Bei der Fusion kollabieren die Defekte, weil die Wasserstoffbrücken brechen und die Moleküle näher zusammenrücken: Die Dichte steigt bei 4 ° C auf ein Maximum an. Anschließend drückt der Temperaturanstieg in flüssigem Wasser die Moleküle auseinander und die Dichte nimmt ab.

Weitere Informationen, Referenzen und Bibliographie:

Blavoux B. und Letolle R. (1995) - Beitrag von Isotopentechniken zur Kenntnis des Grundwassers. Geochronics, 54, p. 12-15.

Caro P. (1990) - Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasser. Das große Buch des Wassers, La Villette, p. 183-194.

Eagland D. (1990) - Die Struktur des Wassers. La Recherche, 221, p. 548-552.

Maidment DR (1992) - Handbuch der Hydrogeologie. Mc Graw Hill.

Casanova J., Colonna M. und Djerroud K. (1994) - Geoprospektive - Paläoklimatologie. Rapp. Wissenschaftler. BRGM, p. 76-79.

Quelle: http://www.u-picardie.fr/

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