a) chuyển động dao động, b) chuyển động sóng, c) chuyển động khố
2.1. Cấu tạo phân tử của nước
Như đã biết, nhiều tính chất vật lý và hóa học của nước tự nhiên là do cấu trúc phân tử nước gây nên. Được biết, phân tử nước không đối xứng: ba hạt nhân làm thành một tam giác cân với hai hạt nhân hyđrô nằm ở đáy và một hạt nhân ôxy ở đỉnh. Góc tại đỉnh bằng 104o27’, còn chiều dài cạnh,
bằng 8
10 96
0, cm, có thể chấp nhận làm bán kính của phân tử. Khối lượng 1 phân tử gam nước bằng 18,02 g và trong đó chứa phân tử. Do đó, khối lượng trung bình một phân tử nước bằng khoảng g. Vì mật độ nước tinh khiết bằng 1 g/cm3, thể tích một phân tử sẽ tương ứng với
10
3 cm3. Nếu biểu diễn các phân tử nước dưới dạng những hình cầu, thì bán kính của chúng xét theo thể tích trên sẽ bằng cm, tức nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách bên trong phân tử. Điều này có nghĩa rằng các phân tử H2O trong nước được “xếp đặt” không gọn lắm.
2310 10 025 6, 10 3 8 10 93 23 23 1,
Tùy thuộc vào trạng thái pha của nước mà cấu trúc phân tử H2O sẽ khác nhau. Thật vậy, hơi nước chủ yếu cấu tạo từ các phân tử đơn độc. Trong trạng thái rắn (băng) cấu tạo nước trở nên có sắp xếp trật tự. Trong các tinh thể băng những phân tử nước làm thành một hệ thống lục giác với các liên hệ hyđrô bền vững. Cấu trúc như vậy rất xốp. Nước ở trạng thái lỏng giữ vị trí trung gian giữa hơi nước và băng, trong đó vẫn bảo tồn các yếu tố cấu trúc khung phân tử “giống băng”, còn các chỗ trống thì được làm đầy một phần bởi các phân tử đơn độc. Vì vậy “sự xếp đặt” các phân tử trong nước lỏng đã gọn chặt hơn so với băng, và sự nóng chảy của băng không làm giảm, mà làm tăng mật độ nước một cách “dị thường”.
nên độ thấm điện môi cao của nước - một đại lượng cho biết các lực tương tác của các điện tích khi chúng ở trong nước sẽ giảm đi bao nhiêu lần so với các lực tương tác đó khi ở trong chân không. Độ thấm điện môi cao của nước làm cho nó có khả năng ion hóa cao, tức khả năng phân tách các phân tử của những chất khác. Điều này có nghĩa rằng nước là một chất hòa tan mạnh. Mỗi phân tử nước có một điện tích dương và hai điện tích âm có khả năng tạo thành bốn mối liên kết hyđrô, tức mối liên kết của một nhân hyđrô tích điện dương (proton) liên hệ hóa học trong một phân tử, với một nguyên tử ôxy tích điện âm thuộc một phân tử khác.
Năm 1929 Jack và Jonston phát hiện rằng ngoài các nguyên tử ôxy với nguyên tử lượng 16 còn có các nguyên tử với khối lượng 17 và 18 (17O và
18O) - các đồng vị của ôxy. Như vậy, trong tự nhiên ôxy là hỗn hợp các nguyên tử khác nhau theo tỉ lệ: 16O : 18O : 17O = 3150 : 5 : 1.
Bảng 2.1. Các hợp phần của nước (theo Ditrich)
Thể tích Các phân tử nước % của tổng thể tích nước % của thể tích nước nặng 1H216O 99,73 - 1H218O 0,20 73,5 1H217O 0,04 14,7 1H216O2H 0,032 11,8 1H218O2H 0,00006 0,022 1H217O2H 0,00001 0,003 2H216O 0,000003 0,001 2H218O 0,000000006 0,000002 2H217O 0,000000001 0,0000003
Năm 1931 Berge và Bliqui phát hiện các đồng vị của hyđrô: 2H - deteri và 3H - triti. Ngày nay được biết năm đồng vị của hyđrô. Sự hiện diện của các đồng vị của ôxy và hyđrô dẫn tới chỗ nước là một hỗn hợp của tất cả các
hợp chất đồng vị của ôxy và hyđrô. Các phân tử nước tinh khiết 1H216O làm thành khối lượng chính của nước, tỉ phần của chúng bằng 99,73 % toàn thể tích nước. Phần thể tích còn lại là của các hợp chất phân tử của các đồng vị của hyđrô và ôxy trong dạng các tổ hợp khác nhau (bảng 2.1) được gọi là “nước nặng”. Bảng 2.2. So sánh các tính chất vật lý của nước thường và nước nặng hyđrô (D2O) Các tính chất vật lý 2H216O D2O Mật độ tại 20oC, g/cm3 0,9982 1,1056 Nhiệt độ mật độ lớn nhất, oC 4 11 Nhiệt độđóng băng, oC 0 3,8 Nhiệt độ sôi, oC 100 101,42 Hằng sốđiện môi tại 20oC (đơn vị CGS) 82 80,5 Độ nhớt tại 20oC (puazơ) 0,01082 0,01420 Sức căng bề mặt, đyn/cm 72,75 67,8
Từ bảng 2.1 suy ra rằng trong nước nặng các hợp chất phân tử 1H218O, gọi là nước nặng ôxy, chiếm áp đảo. Các hợp chất phân tử 2H216O (D2O) gọi là nước nặng hyđrô.
Các tính chất của nước tinh khiết 1H216O và các hợp phần nước nặng rất khác nhau. Những tính chất vật lý của nước nặng hyđrô D2O được nghiên cứu đầy đủ nhất (bảng 2.2). Mật độ D2O cao hơn so với H2O. Tuy nhiên, những khác biệt đáng kể nhất được nhận thấy trong nhiệt độ mật độ lớn nhất và nhiệt độ đóng băng.