水の特性:同位体と分子構造。

水の特性:同位体と分子構造。

水の特性1:一般
2水の特性:物理的および化学的特性

水の同位体組成

水は、原子核内の陽子に関連する中性子の数が互いに異なる酸素と水素の同位体のさまざまな組み合わせの混合物です。

1H,2 H(重水素)3H(トリチウム)

16O, 17O,18O.

同位体の関係は次のとおりです。

水素の場合:
2H/1H = 1 / 6900

3H/1H = 1 / 10 18

トリチウムは不安定な元素であり、その半減期は12,5年です。

酸素の場合:
18O/16O = 1 / 500

17O/16O = 1 / 2500

主な4分子種とその頻度は次のとおりです。

1H216O = 99,7%

1H2 18 O = 0,2%

1H217O = 0,04%

1HD16O = 0,03%

D216O =非常に弱い

異なる同位体は、分子の物理的性質、特に密度に違いを引き起こしますが、化学的性質は同じままです。

重水D2Oはその自然状態で存在するが、非常に大量
低いです。 かなりの量を得るには、同位体分離の技術を習得する必要があります。これは、原子兵器を準備するための最後の世界大戦中の基本的な課題のXNUMXつでした。

水の化学成分の同位体組成は、温度などの熱力学的パラメーターの推定に使用されます。
レポート 18 O/16O 極地の氷冠からの氷と化石帯水層からの水は、過去の気候に関する情報を提供します。

海洋水は同位体分別で蒸発します。酸素の軽い同位体は、重い同位体より優先して蒸発します。 海洋は、雲や降水からの水よりも重い同位体が豊富です。

雨水中の水同位体
降水の安定同位体含有量(Blavoux and Letolle、1995以降)。

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サンゴの酸素同位体
マヨットサンゴの酸素同位体含有量の変動(Casanova et al。、1994より)。

分子の構造

水素と酸素原子は電子をプールしてネオンのような完全な層を形成します。 実際、酸素原子はその電子層を完成させるために2つの電子を欠いており、これらはそれを供給する2つの水素原子です。 形成されたH2O分子は安定しています。

酸素:8陽子+ 8中性子
水素:2(2 *(1陽子+ 1中性子))

合計:10電子の電荷のバランスをとる10陽子。

水素原子核は、酸素原子の片側に配置され、特徴的な「ミッキーヘッド」を形成します(水素は耳です)。

水の分子構造

HOH角度は104,474°(四面体ジオメトリの特性)です。 蒸気中の酸素と水素原子間の距離は1 A°(0,95718 A°)に近い。 分子の有効直径は約2,82 A°です。

電荷はこの小さな分子内に不均一に分布しています。 電子は、水素原子よりも酸素原子により強く引き付けられます。 水素原子核の近くに2つの正電荷中心が、酸素原子核の近くに2つの負電荷中心が作成されます。 電荷の分布のこの不均衡は、水分子の非線形幾何学と組み合わさって、強い電気双極子モーメントの存在によって現れます。 水分子は極性です。 それは電気双極子のように振る舞うため、他の極性分子と結合できます。 実際、水分子は、それらの反対の電荷部分をそれらの方向に向けることにより、結晶の構成イオン間に挿入することができます。 結晶性イオンの引力は大幅に弱まり、結晶の凝集力は低下し、溶解が促進されます。 水分子の極性特性は、マイクロ波加熱の技術を説明します。 実際、分極分子は電場に対して配向しています。 変化する場合、分子は方向の変化に追従します。 特定の周波数、水では数GHzから、分子の動きは摩擦により熱を発生します。 家庭用オーブンは通常、デシメトリック波に対応する2,45 GHzの周波数で動作します。

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分子の3つの核は固定されておらず、互いに対して移動し、分子が振動してねじれます。 液体の水では、分子が結合する傾向があります。ミッキーの頭は水素結合により耳をあごに結び付けます。 実際、8つの周辺酸素電子のうち、水素原子との共有結合に関与しているのは4つだけです。 残りの4つの電子は、フリー電子ダブレットと呼ばれる2つのペアにグループ化されます。 これらの負の電荷のダブレットはそれぞれ、近くの水分子の正に帯電した水素原子と静電結合を形成できます。 それにもかかわらず、室温で安定した水素結合は、共有結合と比較して壊れやすいです。 水分子では、2つの共有結合と2つの自由電子ダブレットの方向によって形成される形状は、その中心が酸素原子によって占められている四面体の形状に近いです。

しかし、水分子の大きな構造はまだ不完全に知られています。 X線および中性子回折スペクトルは、2つの主要な値を提供します。1A°に対応する信号、水素と酸素の原子核間の距離、および温度に応じて変化する2,84〜4 A°の値2つの酸素原子核間の距離に対応します。 RX回折測定により、特定の分子から距離Rにある液体の単位体積あたりの平均分子数を知ることもできます。 水分子には平均4,4個の隣接物があり、これは四面体メッシュを示唆しています。 水素結合で連結された分子に加えて、他の非結合分子が存在します。これは、厳密な四面体結晶化状態が課すように、隣接分子の数が4ではなく4よりわずかに多い理由を説明するかもしれません。 水素結合で連結された分子の結晶格子は、結合していない分子が留まる空洞を構成します。 別の仮説は、水素結合の歪みに基づいています。 後者は元々線形で、つまりO – HO原子が整列しているため、さまざまな程度でねじれ、隣接する分子よりも遠く離れた分子が中心分子に近づくことができます。

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最近、強力なコンピューターを使用して理論モデルが開発されました。 彼らは、水分子の約80%が3つまたは4つの水素結合に関与していることを示しています。 ただし、非結合分子の存在は除外されます。 コンピューターモデリングは、水が冷えると、分子のネットワークが氷のネットワークに似た六角形にますます似ていることを示唆しています。

固体状態は、より厳密な結晶配列に対応します。 通常の圧力では、氷は六角形の構造をしています。 低温(-80°C未満)では、立方体構造をとることがあります。 電荷は結晶格子内を移動し、イオン型の結晶欠陥を生成します:水和プロトンH3O +およびヒドロキシルイオンOH-。 氷の結晶格子は、分子の可能な限りコンパクトなスタックに対応していません。 融合では、水素結合が壊れて分子が少し近くなるため、欠陥が崩壊します:密度は4°Cで最大まで増加します。 その後、液体の水では、温度の上昇により分子が広がり、密度が低下します。

詳細、参考文献、および参考文献:

Blavoux B. and Letolle R.(1995)-地下水の知識への同位体技術の貢献。 Geochronic、54、p。 12-15。

Caro P.(1990)-水の物理的および化学的特性。 水の偉大な本、ラ・ヴィレット、p。 183から194まで。

Eagland D.(1990)-水の構造。 Research、221、p。 548-552。

Maidment DR(1992)-水文地質学のハンドブック。 Mc Graw Hill。

カサノバJ.、コロンナM.、およびジェルルードK.(1994)-Géoprospective-paléoclimatologie。 ラップ。 Scient。 BRGM、p。 76-79。

ソース:http://www.u-picardie.fr/

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