معلومة

2. III: تفكك الماء - علم الأحياء


2. III: تفكك الماء

الماء ودرجة الحموضة

جزيء الماء هو رباعي السطوح غير منتظم وغير منتظم منحرف قليلاً مع وجود ذرة أكسجين في مركزه. الماء مذيب لمجموعة واسعة من الجزيئات العضوية. يمكن أن تتفكك جزيئات الماء إلى أيونات الهيدروكسيد (OH-) والبروتونات (H +).

هيكل الماء

الماء جزيء ثنائي القطب. تحتوي جزيئات الماء على روابط هيدروجينية داخلية وداخلية. عادة ما يكون الماء في صورة سائلة في درجة حرارة الغرفة. درجة غليان الماء 100 درجةج ونقطة التجمد 0 درجةج.
جزيئات الماء على شكل حرف V بزاوية 104.5 درجة. الماء قطبي بسبب ارتفاع كهرسلبية الأكسجين. يتكون جزيء الماء من ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة مرتبطة برابطتين سيجما وله زوجان وحيدان من الإلكترونات. يشار إلى هندسة جزيئات الماء على أنها يلوي أو الزاوي مع sp3 تهجين.

الأكسجين كهرسلبي للغاية مقارنة بالهيدروجين ، لذا فإن مشاركة الإلكترون بين الأكسجين والهيدروجين غير متساوية. غالبًا ما تكون الإلكترونات بالقرب من الأكسجين بدلاً من الهيدروجين. ينتج عن هذا تطوير شحنة موجبة جزئية في كل هيدروجين. هذا بسبب وجود روابط هيدروجينية. الروابط الهيدروجينية ضعيفة نسبيًا ، والطاقة المطلوبة لكسر الرابطة (طاقة تفكك الرابطة) تبلغ حوالي 23 كيلو جول / مول.

ثابت تفكك الماء

  • يتم تحديد قيمة Keq بواسطة قياس الموصلية الكهربائية للمياه النقية وهي 1.8 X 10-16.


منتج [H +] [OH-] عند 25 درجةج في aq. الحل دائمًا هو 1.0 X 10-14 M2. . هناك تركيزات متساوية تمامًا من H + و OH- في الماء النقي ، لذلك يكون المحلول عند درجة الحموضة المحايدة.


تفكك الماء

عندما ينفصل الماء ، تترك إحدى نوى الهيدروجين الإلكترون خلفها مع ذرة الأكسجين لتصبح أيون هيدروجين ، بينما يتحول الأكسجين وذرات الهيدروجين الأخرى إلى أيون هيدروكسيد. نظرًا لعدم احتواء أيون الهيدروجين على إلكترون لتحييد الشحنة الموجبة على بروتونه ، فإنه يحتوي على وحدة كاملة من الشحنة الموجبة ويُرمز لها بالرمز H +. يحتفظ أيون الهيدروكسيد بالإلكترون المتخلف ، وبالتالي يحتوي على وحدة كاملة من الشحنة السالبة ، والتي يرمز إليها بـ OH-. لا يتجول أيون الهيدروجين (البروتون) لفترة طويلة من تلقاء نفسه قبل أن يلتصق بذرة الأكسجين لجزيء ماء ثانٍ غير متأين ليشكل أيون الهيدرونيوم (H3O +)

في أي عينة من الماء ، يتم فصل عدد قليل جدًا من الجزيئات في وقت واحد: في الواقع ، واحد فقط من كل 550 مليون. ومع ذلك ، هناك تغيير ثابت حيث يعيد أيون الهيدروجين الاتصال بأيون الهيدروكسيد لتكوين جزيء ماء ، وينفصل جزيء ماء آخر ليحل محل أيون الهيدروجين وأيون الهيدروكسيد في المحلول.


مشكلة: هيدروكسيلامين NH2OH قاعدة ضعيفة. فيما يلي معادلة التوازن لتفاعلها مع الماء: NH2OH (aq) + H2O (l) ⇌ NH3OH + (aq) + OH - Kb = 9.1 x 10 -9 ما هو الأس الهيدروجيني لمحلول 2.37 M NH 2OH؟ أ) 1.15 ب) 3.83 ج) 4.99 د) 6.72 هـ) 8.13

نحن مطالبون بذلك احسب الأس الهيدروجيني من أ 2.37 م NH2حل OH .

منذ NH2OH لديها K منخفضب القيمة ، إنها قاعدة ضعيفة. تذكر ذلك قواعد ضعيفة تنفصل جزئيًا في الماء وذاك تقبل القواعد H + من الحمض (الماء في هذه الحالة). تفكك NH2OH كما يلي:

نيو هامبشاير2أوه (عبد القدير) + ح2O (l) ⇌ OH - (aq) + NH3أوه + (عبد القدير) كب = 9.1 × 10 –9

من هذا ، يمكننا بناء جدول ICE. تذكر أنه يتم تجاهل السوائل في جدول ICE.


ال كب التعبير لـ NH2OH هي:

لاحظ أن كل تركيز يتم رفعه بواسطة معامل القياس المتكافئ: [NH2OH] و [OH -] و [NH3OH +] مرفوعة إلى 1.

تفاصيل المشكلة

هيدروكسيلامين ، NH2أوه ، قاعدة ضعيفة. فيما يلي معادلة التوازن لتفاعلها مع الماء:

نيو هامبشاير2أوه (عبد القدير) + ح2O (ل) ⇌ NH3OH + (aq) + OH - Kb = 9.1 × 10 -9


ملخص

  • لأي محلول محايد ، (pH + pOH = 14.00 ) (عند 25 درجة مئوية) و (pH = ce <1/2> pK_w ).
  • ثابت المنتج الأيوني للماء السائل: [K_w = [H_3O ^ +] [OH ^ & minus] nonumber ]
  • تعريف (pH ): [pH = & minus log_ <10> [H ^ +] nonumber ] أو [H ^ +] = 10 ^ <& minuspH> nonumber ]
  • تعريف (pOH ): [pOH = & ناقص log_ <10> [OH ^ +] nonumber ] أو [OH ^ & minus] = 10 ^ <& minuspOH> nonumber ]
  • العلاقة بين (pH ) و (pOH ) و (pK_w ): [pK_w = pH + pOH nonumber ]

الماء برمائي: يمكن أن يكون بمثابة حمض عن طريق التبرع بالبروتون لقاعدة لتكوين أيون الهيدروكسيد ، أو كقاعدة عن طريق قبول بروتون من حمض لتكوين أيون الهيدرونيوم ( (H_3O ^ + )). ينتج التأين الذاتي للماء السائل (OH ^ & minus ) و (H_3O ^ + ) أيونات. يسمى ثابت التوازن لهذا التفاعل بثابت المنتج الأيوني للماء السائل ( (K_w )) ويتم تعريفه على أنه (K_w = [H_3O ^ +] [OH ^ & minus] ). عند 25 درجة مئوية ، (K_w ) هو (1.01 مرات 10 ^ <& ناقص 14> ) وبالتالي (الرقم الهيدروجيني + الأس الهيدروجيني = pK_w = 14.00 ). هذه العملية ماصة للحرارة ، وبالتالي مدى التأين والتركيزات الناتجة من أيون الهيدرونيوم وأيون الهيدروكسيد تزيد مع درجة الحرارة. على سبيل المثال ، عند 100 درجة مئوية ، تكون قيمة (K_ ce) تقريبًا (5.1 times 10 ^ <& minus13> ) ، تقريبًا أكبر 100 مرة من القيمة عند 25 درجة مئوية.


عندما تقول أن الماء متسخ على الرغم من أنه يتمتع بمقاومة عالية (هل هذا 10 ميغا أوم سم؟) ، أعتقد أنك تعني أنه يحتوي على بعض الغبار.
يمكنك قياس مستويات الغبار عن طريق تسليط ليزر أحمر صغير رخيص في الماء في كفيت زجاجي شفاف وقياس كمية الضوء المنتشر. يمكنك الحكم بالعين أو القيام بذلك بشكل أكثر منهجية باستخدام الثنائي الضوئي (أيضًا رخيص وقوي) جنبًا إلى جنب مع مرشح بصري مطابق لطول موجة الليزر. يمكن تصفية الغبار باستخدام المرشحات الغشائية المتوفرة من عدة موردين.

يجب أن يكون الماء المقطر بشكل صحيح أو الماء المنقى بالتناضح العكسي أنظف بشكل عام من الماء الذي تم تشغيله للتو من خلال راتينج التبادل الأيوني. أكره تقديم المشورة الفنية بشأن شيء لا أمتلك فيه خبرة مباشرة ، لكن لا يمكنني التفكير في أي سبب يجعلك تتجنب الماء المقطر أو التناضح العكسي. هل الماء غير المتأين أرخص؟


خطوة أقرب إلى الاقتصاد المعتمد على الهيدروجين باستخدام أنود فعال لتقسيم المياه

تمثيل تخطيطي لعملية تفكك الماء عند جهد زائد منخفض يبلغ حوالي 32 مللي فولت باستخدام NiSx أسلاك نانوية محشوة في سي3ن4 غمد كأنود لأكسدة الماء. الائتمان: جامعة نيجاتا

في الماضي القريب ، كان هناك تحول نموذجي نحو مصادر الطاقة المتجددة من أجل معالجة المخاوف المتعلقة بالتدهور البيئي والوقود الأحفوري المتضائل. تكتسب مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة الخضراء البديلة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية المائية والمد والجزر وما إلى ذلك ، اهتمامًا لتقليل البصمة الكربونية العالمية. أحد التحديات الرئيسية مع تقنيات توليد الطاقة هذه هو أنها متقطعة وليست متاحة بشكل مستمر.

"لا يمكننا استخدام الطاقة الشمسية في الليل وطاقة الرياح عندما لا تهب الرياح. ولكن يمكننا تخزين الكهرباء المتولدة في بعض الأشكال الأخرى والاستفادة منها عند الحاجة. هذه هي الطريقة التي يسد بها تجزئة المياه الفجوة وبرزت ككهرباء واعدة للغاية. تكنولوجيا تخزين الطاقة "، قال البروفيسور ماسايوكي ياغي ، الذي يجري بحثًا حول مواد تخزين الطاقة والتكنولوجيا في قسم علوم وتكنولوجيا المواد ، كلية الهندسة / كلية الدراسات العليا للعلوم والتكنولوجيا ، جامعة نيغاتا. يعد تجزئة المياه أحد حلول تخزين الطاقة الواعدة التي من المحتمل أن تدفع العالم نحو اقتصاد يعتمد على الهيدروجين.

تستخدم عملية تفكك الماء ، والمعروفة باسم التمثيل الضوئي الاصطناعي ، الكهرباء تقليديًا لتقسيم جزيء الماء من خلال تفاعلين نصفين في خلية كهروكيميائية. يحدث تفاعل تطور الهيدروجين عند القطب السالب حيث يتم توليد وقود الهيدروجين وتحدث أكسدة الماء عند الأنود حيث يتم إطلاق الأكسجين القابل للتنفس. على الرغم من أن الماء هو جزيء بسيط يتكون من ثلاث ذرات فقط ، إلا أن عملية فصله مكثفة وصعبة للغاية.

تلعب الطاقة الأولية ، المعروفة من الناحية العلمية باسم الطاقة المفرطة ، دورًا مهمًا في التأثير على تقدم التفاعل. بالنسبة للمواد التي تم استكشافها حتى الآن ، فإن الطاقة الأولية المطلوبة لتحريك تطور الهيدروجين عند الكاثود وتطور الأكسجين عند الأنود عالية جدًا لدرجة أن العملية تصعد التكلفة الإجمالية للتفاعل ، وبالتالي تؤثر سلبًا على استخدامها التجاري. هذا بشكل خاص مصدر قلق كبير في الأنود لأن تفاعل تطور الأكسجين يتضمن نقل أربعة إلكترونات تتطلب طاقة أولية أعلى مقارنة بالتفاعل عند الكاثود.

يقوم فريق بحث البروفيسور ياغي في جامعة نيجاتا ، بالاشتراك مع باحثين متعاونين في جامعة ياماغاتا ، بالتحقيق في تقسيم المياه الكهربائي ومعالجة أوجه القصور الرئيسية. لقد نجحوا في تطوير عملية فعالة لتفكيك المياه باستخدام مركبات النانو القائمة على النيكل كأقطاب ، والتي تم نشرها في مقال علمي في الطاقة وعلوم البيئة في 20 مايو.

في هذه الدراسة ، لاحظ فريق البروفيسور ياغي أن الأنود القائم على أسلاك كبريتيد النيكل قد دعم تقليل الطاقة الأولية اللازمة لتفاعل تطور الأكسجين. "لقد صنعنا القطب الموجب باستخدام نموذج فريد من الأسلاك النانوية كبريتيد النيكل المحشوة في غمد نيتريد الكربون. تمنع غمدات نيتريد الكربون المنطقة الأساسية من النيكلx قضبان من التحول إلى أكسيدها ، وبالتالي حمايتها من مزيد من التدهور. على سطح الأسلاك النانوية لكبريتيد النيكل ، يتشكل فيلم أكسيد رقيق نتيجة التلامس مع محلول الإلكتروليت ، مما يسهل تفاعل تطور الأكسجين "، أوضح البروفيسور ياغي.

لاحظ فريق البحث ، بمساعدة تقنيات الفحص المجهري المتقدمة والقياسات الكهروكيميائية ، أن الأنود المُصنَّع يساعد في تقليل الطاقة الأولية ، مما يسرع عملية نقل الإلكترونات الأربعة في تفاعل تطور الأكسجين. النتائج البحثية لفريق البروفيسور ياغي لديها إمكانات هائلة في تحسين الأداء طويل المدى واستقرار الخلية الكهروكيميائية.

تعتبر هذه الدراسة البحثية معلما هاما نحو تحسين كفاءة تقنية تقسيم المياه. قال البروفيسور ياغي ، "هذه النتيجة هي اختراقة كبيرة في نظام فصل المياه كهربائيا ويمكن أن تسهم بلا شك في تحقيق مجتمع بشري منزوع الكربون في المستقبل القريب."


الملخص

باستخدام محاكاة الديناميكيات الجزيئية وطرق أخذ العينات المهمة ، نقوم بدراسة الديناميكا الحرارية وديناميكيات كلوريد الصوديوم في طبقة الانصهار المائي المتكونة تلقائيًا عند السطح البيني بين الجليد وبخاره. نكشف عن تسلسل هرمي للمقاييس الزمنية التي تميز ديناميكيات الاسترخاء لهذا النظام ، والتي تمتد من البيكو ثانية للحركة الأيونية إلى عشرات أو مئات النانو ثانية المرتبطة بتقلبات واجهة البلورة السائلة في وجودها. نجد أن الأيونات تشوه كلا الواجهتين المحليتين ، وتتحمل قوى استعادة تؤدي إلى بقاء الأيونات بشكل تفضيلي في منتصف الطبقة. في حين أن تفكك زوج الأيونات مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية ، فإن هذه التأثيرات الهيكلية والديناميكية تتسبب في اختلاف معدله على مدى ترتيب من حيث الحجم عبر الطبقة ، مع انخفاض كبير في المعدل الأقصى من القيمة الحجمية المقابلة. تختلف بيئة الذوبان للأيونات في طبقة الانصهار المسبق عن تلك الموجودة في السائل الكتلي ، حيث تهيمن عليها إعادة التنظيم البطيئة لجزيئات الماء وهيكل مائي وسيط بين الجليد وذوبانه.


الملخص

تفكك هيدروتروكسي (HOOO) جذري لـ OH و O2 تمت دراسته نظريًا باستخدام طرق المجموعات المزدوجة. طاقة التفكك المحسوبة لـ عبر-HOOO isomer 2.5 كيلو كالوري مول −1 بما في ذلك تصحيحات نقطة الصفر. تم استكشاف الحد الأدنى من مسار الطاقة للانفصال وتم الكشف عن حاجز الخروج ، مما قد يساعد في تبرير الخلاف الواضح بين النظرية والتجربة حول حجم طاقة الرابطة.


إجابة

طرحنا هذا السؤال على Luca Montabone ، قسم فيزياء الغلاف الجوي والمحيطات والكواكب ، جامعة أكسفورد.

على الأرض ، يمكن أن يوجد الماء في جميع الأشكال الثلاثة ، أي مادة صلبة أو سائلة أو غازية. يحول التبخر الماء السائل إلى بخار ماء يمكن أن يتحرك بحرية في الغلاف الجوي كغاز.

الآن ، جزيئات الغلاف الجوي ، بما في ذلك جزيئات بخار الماء ، في حركة دائمة في جميع الاتجاهات. بدون مجال جاذبية الأرض ، سيضيع أولئك الذين يبتعدون عن الكوكب. حتى مع مجال الجاذبية ، في الجزء العلوي الرقيق من الغلاف الجوي ، فإن الجزيء المتحرك للخارج لديه فرصة ضئيلة للتصادم مع آخر ، وبالتالي سيكون قادرًا على الهروب إذا كان لديه سرعة كافية.

متوسط ​​سرعة الغاز ، على سبيل المثال بخار الماء ، يعتمد على درجة حرارته. تشير ظروف درجة الحرارة على الارتفاع الذي تستطيع جزيئات الماء الهروب منه إلى أن الأرض يمكن أن تحتفظ ببخار الماء على مدى فترات زمنية جيولوجية ، أي على مدى عدة مليارات من السنين.

يُفضل أيضًا الاحتفاظ ببخار الماء على كوكبنا من خلال حقيقة أنه يمكن أن يتكثف ، ويشكل غيومًا على ارتفاع أقل بكثير من ذلك الذي يمكن لجزيئات الماء الهروب منه والعودة إلى الأرض كمطر أو ثلج.

إضافة إلى كل ذلك ، علينا أن نتذكر أن الماء يدخل أيضًا في الدورة الهيدرولوجية من باطن الكوكب ، على سبيل المثال ، في كل مرة يحدث فيها ثوران بركاني.

لذا ، للتلخيص ، حتى لو فقدت بعض جزيئات الماء باستمرار في الفضاء ، فإن المستوى المتوسط ​​يظل ثابتًا إلى حد ما على مدى الأزمنة الجيولوجية ، وهو ما نريده!


شاهد الفيديو: Water Cycle. Biology. Ecology (كانون الثاني 2022).