Dlaczego ciepło właściwe wody jest tak wysokie?
Czytałem artykuł o hiperfizyce, ale nie mogłem go właściwie zrozumieć.
Odpowiedź
Woda zawiera wiązania wodorowe. Wiązanie wodorowe to rodzaj siły międzycząsteczkowej ( samouczek i strona wikipedii ), czyli zwykle widoczne w cząsteczkach, które mają $ \ ce {OH} $ , $ \ ce {NH} $ lub $ \ ce {FH} $ gdzieś w ich strukturze.
Jak to się dzieje?
Atom wodoru jest naprawdę mały (promień atomu: około 37 pm) Kiedy wiąże się z pewnymi bardzo elektroujemnymi cząsteczkami, takimi jak atom O (w przypadku wody), elektron jest silnie absorbowany przez bardziej elektroujemny. Powoduje to stosunkowo wysokie stężenie ładunku dodatniego. Drugi atom O w wodzie jest przyciągany do H i to jest podstawa wiązania wodorowego.
Więc …?
Wiązania wodoru w wodzie są zbyt słabe, aby je porównać z wiązania wewnątrzcząsteczkowe, takie jak wiązania kowalencyjne lub jonowe, ale są na tyle silne, że ich zerwanie wymaga dużej ilości energii. Dlatego woda wrze w temperaturze 100 ° C $ .
Wiele osób wie, że przyczyną wysokiego ciepła właściwego wody jest wiązanie wodorowe. Częściowo ma to związek z tym, że podczas podgrzewania wody część ciepła jest " wydał " na rozluźnienie wiązań wodorowych, zamiast na zwiększenie energii kinetycznej wody. Argument jest słuszny i nie widziałem nikogo, kto przedstawiłby dowody na jego istnienie źle, ale inny powód, który podała hiperfizyka, opiera się na ruchu wody.
Rozwijanie tematu nie jest konieczne i doprowadzi do zamieszania. Krótko mówiąc, cząsteczka wody jest nieliniowe. To spowoduje trzy rotacyjne
stopnie swobody , które pozwalają mu na bardzo dużo ruchów obrotowych! (Więcej rodzajów ruchów jest przyczyną dodatkowej premii do ciepła właściwego)
Płynny amoniak ma wyższe ciepło właściwe z tego samego powodu.
Jeszcze łatwiejszym powodem do zrozumienia jest stosunkowo niska masa molowa wody: $ \ frac { 18 g} {mol} $ . Co to powinno oznaczać? Więcej moli wody na kilogram.
Podsumowując, powody są następujące:
- Podgrzana woda w znacznym stopniu przyczyni się do rozluźnienia, zgięcia lub zerwania wiązań wodorowych.
- Woda miała trzy obrotowe stopnie swobody. Oprócz wibracji, cząsteczki wody często się obracają. W rezultacie w wyższej pojemności cieplnej.
- Ciepło właściwe jest definiowane jako ilość ciepła wymagana na jednostkę masa podnieść temperaturę o jeden stopień Celsjusza. Stosunkowo niewielka masa molowa wody pozwala na uzyskanie większej ilości moli tam w jednostce masy (kg lub g)
Na marginesie, wyjątkowo wysokie ciepło właściwe nie jest jedyną dziwną właściwością wody. Zobacz na przykład tutaj .
Odpowiedź
Wyższe ciepło właściwe wody wynika z obecności w niej międzycząsteczkowych wiązań wodorowych. Ilość dostarczonego ciepła jest początkowo wykorzystywana do przerwania wiązania. Z tego powodu woda ma wysoką pojemność cieplną właściwą
Uwagi
- Witam na chemistry.stackexchange.com. Ponieważ wziąłeś już udział w wycieczce , możesz odszukać wszelkie pytania dotyczące działania witryny w pomocy centrum .
Odpowiedź
Generalnie zwiększenie absorpcji energii cieplnej spowoduje wzrost energii kinetycznej cząsteczek, a nawet poszczególnych atomów. To samo można powiedzieć o wodzie. Jednak ponieważ woda stale tworzy wiązania H, część energii cieplnej zostanie wykorzystana do zerwania wiązań wodnych. Im więcej wiązań trzeba rozerwać i rozdzielić (nie jest to łatwe w wodzie), tym więcej ciepła woda może wchłonąć. Gdy temperatura na zewnątrz spada, wiązania zerwane przez ciepło zreformują się i uwolnią energię do otoczenia.
Komentarze
- Ale ciekły amoniak ' s ciepło właściwe jest wyższe niż woda. Sugerujesz, że dzieje się tak tylko dlatego, że wiązanie wodorowe jest silniejsze w amoniaku?