Tổng quan về nước
Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O. Với các tính chất lí hóa đặc biệt (ví dụ như
tính lưỡng
cực, liên kết hiđrô và
tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong
nhiều ngành khoa học và trong đời sống. 70% diện tích của Trái Đất được nước
che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể
khai thác dùng làm nước uống.
Bên cạnh nước "thông thường" còn có
nước nặng và nước siêu nặng. Ở các loại nước này, các nguyên tử hiđrô bình
thường được thay thế bởi các đồng vị đơteri và triti. Nước nặng có tính chất vật lý (điểm
nóng chảy cao hơn, nhiệt độ sôi cao hơn, khối lượng riêng cao hơn) và hóa học
khác với nước thường.
Cấu tạo và tính chất của
phân tử nước
Hình học của phân tử
nước
Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hiđrô và
một nguyên tử ôxy. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi
so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picômét.
Tính lưỡng cực
Tính lưỡng cực
Ôxy có độ âm điện cao hơn hiđrô. Việc cấu tạo
thành hình ba góc và việc tích điện từng phần khác nhau của các nguyên tử đã
dẫn đến cực tính dương ở các nguyên tử hiđrô và cực tính âm ở nguyên tử ôxy,
gây ra sự lưỡng cực. Dựa trên hai cặp điện tử đơn độc của nguyên tử ôxy, lý thuyết VSEPR đã
giải thích sự sắp xếp thành góc của hai nguyên tử hiđrô, việc tạo thành moment
lưỡng cực và vì vậy mà nước có các tính chất đặc biệt. Vì phân tử nước có tích
điện từng phần khác nhau nên một số sóng điện từ nhất định như sóng cực ngắn có khả năng làm cho các phân tử nước dao động,
dẫn đến việc nước được đun nóng. Hiện tượng này được áp dụng để chế tạo lò vi sóng.
Liên kết hiđrô
Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên
kết hiđrô và nhờ vậy có lực hút phân tử lớn. Đây không phải là một liên kết bền
vững. Liên kết của các phân tử nước thông qua liên kết hiđrô chỉ tồn tại trong
một phần nhỏ của một giây, sau đó các phân tử nước tách ra khỏi liên kết này và
liên kết với các phân tử nước khác.
Đường kính nhỏ của nguyên tử hiđrô đóng vai
trò quan trọng cho việc tạo thành các liên kết hiđrô, bởi vì chỉ có như vậy
nguyên tử hiđrô mới có thể đến gần nguyên tử ôxy một chừng mực đầy đủ. Các chất
tương đương của nước, thí dụ như đihiđrô sulfua (H2S), không tạo thành các liên kết
tương tự vì hiệu số điện tích quá nhỏ giữa các phần liên kết. Việc tạo chuỗi
của các phân tử nước thông qua liên kết cầu nối hiđrô là nguyên nhân cho nhiều
tính chất đặc biệt của nước, thí dụ như nước mặc dù có khối lượng mol nhỏ vào
khoảng 18 g/mol vẫn ở thể lỏng trong điều kiện tiêu chuẩn. Ngược lại, H2S
tồn tại ở dạng khí cùng ở trong những điều kiện này. Nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 4 độ Celcius và nhờ vào đó mà băng đá có thể
nổi lên trên mặt nước; hiện tượng này được giải thích nhờ vào liên kết cầu nối
hiđrô.
Các tính chất hóa lý của
nước
Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết
hiđrô giữa các phân tử là cơ sở cho nhiều tính chất của nước. Cho đến nay một
số tính chất của nước vẫn còn là câu đố cho các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã
được nghiên cứu từ lâu.
Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng làm hai
điểm mốc cho độ bách phân Celcius. Cụ thể, nhiệt độ nóng chảy của nước là 0 độ Celcius, còn nhiệt
độ sôi (760 mm Hg) bằng 100 độ Celcius. Nước đóng băng được gọi là nước đá. Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước. Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên
kết hiđrô
Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng
riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4 °C: 1 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn
nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4 °C. Điều này không được quan sát ở bất
kỳ một chất nào khác. Điều này có nghĩa là: Với nhiệt độ trên 4 °C, nước
có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độ dưới
4 °C, nước lại lạnh nở, nóng co. Do hình thể đặc biệt của phân tử nước
(với góc liên kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo
liên kết tinh thể lục giác mở. Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể
lỏng.
Khi đông lạnh dưới 4 °C, các phân tử nước
phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở.
Nước là một dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng
cực. Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axít, rượu và muối đều dễ tan
trong nước. Tính hòa tan của nước đóng vai trò rất quan trọng trong sinh học vì
nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xẩy ra trong dung dịch nước.
Nước tinh khiết không dẫn điện. Mặc dù vậy, do
có tính hòa tan tốt, nước hay có tạp chất pha lẫn, thường là các muối, tạo ra
các ion tự do trong dung dịch nước cho phép dòng điện chạy qua.
Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính,
có thể phản ứng như một axit hay
bazơ. Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH-) cân bằng
với hàm lượng của hydronium (H3O+). Khi phản ứng với một
axit mạnh hơn thí dụ như HCl, nước phản ứng như một chất kiềm:
HCl + H2O ↔
H3O+ + Cl-
Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-
người làm:ngô hoàng minh tâm
Nước trong đời sống
Cuộc sống trên Trái Đất bắt nguồn từ trong
nước. Tất cả các sự sống trên Trái Đất đều phụ thuộc vào nước và vòng tuần hoàn
nước.
Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu và là
nguyên nhân tạo ra thời tiết. Năng lượng mặt trời sưởi ấm không đồng đều các
đại dương đã tạo nên các dòng hải lưu trên toàn cầu. Dòng hải lưu Gulf Stream vận chuyển nước ấm từ vùng Vịnh Mexico đến Bắc
Đại Tây Dương làm ảnh hưởng đến khí hậu của vài vùng châu Âu.
Nước là thành phần quan trọng của các tế bào
sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản như quang hợp.
Hơn 70% diện tích của Trái Đất được bao phủ
bởi nước. Lượng nước trên Trái Đất có vào khoảng 1,38 tỉ km³. Trong đó 97,4% là
nước mặn trong các đại dương trên thế giới, phần còn lại, 2,6%, là nước ngọt,
tồn tại chủ yếu dưới dạng băng tuyết đóng ở hai cực và trên các ngọn núi, chỉ
có 0,3% nước trên toàn thế giới (hay 3,6 triệu km³) là có thể sử dụng làm nước
uống. Việc cung cấp nước uống sẽ là một trong những thử thách lớn nhất của loài
người trong vài thập niên tới đây. Nguồn nước cũng đã là nguyên nhân gây ra một
trong những cuộc chiến tranh ở Trung Cận Đông.
Nước được sử dụng trong công nghiệp từ lâu như
là nguồn nhiên liệu (cối xay nước, máy hơi nước, nhà máy thủy điện), là chất
trao đổi nhiệt.
Nhà triết học người Hi Lạp Empedocles đã coi nước là một trong bốn nguồn
gốc tạo ra vật chất (bên cạnh lửa, đất và không khí). Nước cũng nằm trong Ngũ Hành của triết học cổTrung Hoa.
Với tình trạng ô nhiễm ngày một nặng và dân số
ngày càng tăng, nước sạch dự báo sẽ sớm trở thành một thứ tài nguyên quý giá
không kém dầu mỏ trong thế kỷ trước. Nhưng không như dầu mỏ có thể thay thế
bằng các loại nhiên liệu khác như điện, nhiên liệu sinh học, khí đốt..., nhưng nước thì không thể thay thế và trên
thế giới tất cả các dân tộc đều cần đến nó để bảo đảm cuộc sống của mình, cho
nên vấn đề nước trở thành chủ đề quan trọng trên các hội đàm quốc tế và những
mâu thuẫn về nguồn nước đã được dự báo trong tương lai.
Nhãn:
