Physikalische und chemische Eigenschaften von Wasser

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasser

Die Eigenschaften von Wasser: Allgemeingültigkeiten und Kuriositäten
Die Eigenschaften von Wasser: Isotope und Molekülstruktur

Geschichte

Wasser wurde von den Alten als eines der 4 Grundelemente angesehen: Die Welt bestand aus einer Mischung dieser 4 wesentlichen Prinzipien in unterschiedlichen Anteilen. Es galt bis zum 1774. Jahrhundert als einfacher Körper. Dann entdeckten mehrere Chemiker, dass Wasser kein einfacher Körper war, indem sie die Synthese und dann die Analyse durchführten. Zitieren wir die Vorläufer, Priestley, der Wasser aus der Verbrennung von Wasserstoff produzierte (1783), Watts (1783), der vermutete, dass Wasser kein einfacher Körper ist, Monge, der das erkannte Synthese unter Einwirkung eines elektrischen Funkens aus einem Gemisch von Sauerstoff und Wasserstoff. Das entscheidende Syntheseexperiment war jedoch das von Lavoisier und Laplace (1800), die in einem denkwürdigen öffentlichen Experiment Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff synthetisierten. Die Zersetzung von Wasser erfolgte später nach der Entdeckung der elektrischen Zelle durch Volta im Jahr 2. Die Elektrolyse von Wasser ermöglichte es, das jeweilige Verhältnis von Sauerstoff und Wasserstoff zu messen, um schließlich zu dem zu gelangen bekannte chemische Formel H1800O. Die erste praktische (und spektakuläre) Elektrolyse wurde 1803 in Paris von Robertson durchgeführt; Die chemische Formel wurde durch die theoretischen Arbeiten von Dalton (1811) und Avogadro (XNUMX) geklärt.

Physikalische Eigenschaften von Wasser

Wasser hat im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten ganz besondere physikalische Eigenschaften. Es erscheint als „strukturierte“ Flüssigkeit und ist nicht wie andere Flüssigkeiten ungeordnet, da seine elementaren Bestandteile miteinander verbunden sind.

Die Eigenschaften von Wasser dienen als Referenz für die internationale Standardisierung numerischer Skalen: Temperatur, Dichte, Masse, Viskosität, spezifische Wärme. Die spezifische Wärme ist außergewöhnlich hoch (18 Mol Kalorien pro Grad). Dies erklärt die große thermische Trägheit von Wasser und seine Rolle bei der Regulierung der Temperatur der Erdoberfläche. Die Ozeane speichern eine enorme Wärmemenge, die sie durch Meeresströmungen umverteilen. Die Verdunstung von Wasser absorbiert Energie in der aquatischen Umwelt und senkt deren Temperatur. Die Kondensation von Dampf zu Tröpfchen in Wolken gibt diese Wärme an die Atmosphäre ab. Die Wassermassen auf der Erdoberfläche sind echte thermische Schwungräder für das Klima.

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Die Dichte des Wassers variiert mit seiner Temperatur; Sie steigt an, wenn die Temperatur sinkt, aber die maximale Dichte liegt bei 4 ° C (0,997 g / cm3) und nicht wie erwartet bei 0 °. So gefrieren Meere und Seen von der Oberfläche und nicht vom Boden, wo sich das dichteste Wasser durch Schichtung ansammelt. Wasser im festen Zustand ist leichter als flüssiges Wasser (Eisdichte: 0,920 g / cm3).

Die Viskosität von Wasser hängt von seiner Isotopenzusammensetzung ab: Schweres Wasser ist 30% viskoser als gewöhnliches Wasser. Die Viskosität nimmt zuerst mit dem Druck ab und steigt danach an.

Der isotherme Kompressibilitätskoeffizient von Wasser ist klein (4,9 10-5 pro bar) und als erste Annäherung können wir Wasser als inkompressibel betrachten. Trotzdem wirken die großen atmosphärischen Depressionen auf den Meeresspiegel, der bei Stürmen ansteigt. Die Oberflächenspannung ist hoch: Wasser ist ein gutes Netzmittel (72 dyn / cm); es kriecht und dringt durch das Kapillaritätsphänomen in alle Zwischenräume und Poren von Gesteinen sowie in Böden ein. Diese Eigenschaft ist von grundlegender Bedeutung für die Speicherung von Wasser in Grundwasserleitern, für die Oberflächenerosion von Gesteinen (Platzen unter Frosteinwirkung: Der Wassereisdurchgang entwickelt einen Druck von bis zu 207 kPa). Die hohe Oberflächenspannung erklärt auch die Kugelform der Wassertropfen.

Der physikalische Zustand des Wassers hängt von Temperatur und Druck ab. Der Flüssiggasdurchgang erfolgt üblicherweise bei 100 ° C bei Normaldruck, jedoch bei 72 ° C nur auf der Spitze des Everest (8 m). Die Schmelztemperatur des Eises nimmt mit dem Druck ab: Unter Druckeinwirkung wird das Eis wieder flüssig: So gleiten die Skater tatsächlich auf einem dünnen Film aus flüssigem Wasser, der sich unter dem Druck des Skates bildet . Der Tripelpunkt von Wasser liegt bei 848 ° C unter 0,01 mbar.

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Wasser kann unterhalb des Schmelzpunktes von Eis flüssig bleiben: Dieses Unterkühlungsphänomen kann bis zu einer Temperatur von -40 ° C aufrechterhalten werden. Dies wird durch das Fehlen von Keimen erklärt, um eine feste Kristallisation zu initiieren. In der Natur wird der Keim von einem verbreiteten Bakterium, Pseudomonas syringae, bereitgestellt. Die genetische Manipulation dieses Bakteriums ermöglicht es, entweder das Einfrieren von Obstbäumen zu verzögern oder den Frost zu beschleunigen, um künstlichen Schnee leichter zu machen.

Schließlich ist Wasser ein ausgezeichnetes Lösungsmittel, das als Vehikel für die meisten Ionen auf der Erdoberfläche dient.

Chemische Eigenschaften von Wasser

Wasser ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel, das eine große Anzahl von Salzen, Gasen und organischen Molekülen löst. Die chemischen Reaktionen des Lebens finden in einem wässrigen Medium statt; Organismen sind sehr wasserreich (bis zu über 90%). Es wurde lange Zeit als neutrales Lösungsmittel angesehen, das nur wenig oder gar nicht in chemische Reaktionen eingreift. Die Verdünnung in Wasser ermöglichte es insbesondere, die Aktivität der Reagenzien zu verlangsamen. Tatsächlich ist Wasser ein sehr aggressives chemisches Mittel, das die Wände des Behälters angreifen kann, in dem es sich befindet: In einer Glasflasche passieren Siliziumionen das Wasser. Reines Wasser kann unter regulatorischen Gesichtspunkten existieren, d. H. Wasser ohne bakterielle und chemische Verunreinigungen, aber es existiert praktisch nicht unter chemischen Gesichtspunkten: Selbst destilliertes Wasser enthält Spuren von Ionen oder organische Moleküle aus Rohren und Gefäßen.

Bei chemischen Reaktionen greift Wasser zunächst durch seine Dissoziation in H + -Protonen, die häufig mit H2O assoziiert sind, um hydratisierte Protonen H3O + zu bilden, und in OH-Hydroxylionen ein. Es ist das Verhältnis zwischen diesen beiden Arten von Ionen, das den pH-Wert der Lösung bestimmt (pH: Logarithmus der Umkehrung der molaren Konzentration von H +). Viele Metalle können Wasser zersetzen und dabei Wasserstoff und ein Metallhydroxid abgeben.

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Die Auflösung von Ionen (Salze, Säuren, Basen) ist eine Folge der polaren Natur von Wasser. Die Ionenkonzentration eines Salzes charakterisiert das Löslichkeitsprodukt. Salze haben Produktwerte unterschiedlicher Löslichkeit, was das Phänomen der fraktionierten Kristallisation während des Verdampfens einer Salzlösung erklärt. In Salzwiesen lagert Meerwasser zuerst Calciumcarbonat ab. Calciumsulfat, dann Natriumchlorid und schließlich sehr lösliche Salze wie Kalium, Iodide und Bromide.

Eine wichtige Eigenschaft auf der Erdoberfläche ist die Auflösung von CO2, das eine schwache Säure, Kohlensäure, erzeugt, die für die chemische Verwitterung vieler Gesteine, insbesondere von Kalkstein, verantwortlich ist. Die Menge an gelöstem CO2 ist eine Funktion des Drucks und eine umgekehrte Funktion der Temperatur. Calciumcarbonat kann in Form von Säurecarbonat gelöst und dann gemäß Temperatur- und Druckschwankungen wie bei Karstnetzwerken wieder ausgefällt werden.

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

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