Nước là một hợp chất Hydro, việc tìm hiểu phân tử nước rất có ích cho chúng ta trong việc mở mang kiến thức, tư duy, khám phá góc nhìn về thế giới bên cạnh đó rất có lợi cho con người trong đời sống hàng ngày. Cùng tìm hiểu thử xem phân tử nước được hình thành và có các cách chuyển đổi phân tử như thế nào.
Nước là gì?
Theo thống kê, 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ có khoảng 0,3% nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống.
Nước tinh khiết không có mùi và vị. Nước không có màu, nếu có màu thì màu sắc của nước phụ thuộc vào góc phản xạ và khúc xạ của ánh sáng chiếu đến, với độ dày 10 mét trở lên, màu sắc của nước (hoặc băng) thường sẽ là màu ngọc lam (màu xanh lục nhạt), vì quang phổ hấp thụ của nước có độ sắc nét tối thiểu ở màu tương ứng của ánh sáng (1/227 m −1 tại 418 nm). Độ dày cấu trúc phân tử nước càng tăng thì màu sắc của càng mạnh và tối.
Cấu tạo phân tử nước gồm có
- Mô hình phân tử nước
- Tính lưỡng cực
- Tính liên kết Hydro
Phân tử nước ở thể lỏng
Đây là hình thể thường thấy nhất của nước, tổng lượng nước trên Trái Đất đạt khoảng 1,38 tỷ km3 trong đó 97% lại là nước mặn tồn tại ở các đại dương, 3% còn lại là nước ngọt có thể uống, nhưng không phải tất cả, nước ngọt tồn tại ở dạng băng tuyết đóng ở hai cực và trên các đỉnh núi, chỉ có 3,6 triệu km3 nước ngọt trong các mạch nước ngầm là có thể khai thác để uống còn lại ở dạng tiềm ẩn
Đối với sự sống con người cũng vậy, 71% cơ thể người là nước, tham gia vào quá trình trao đổi chất, tạo ra năng lượng cho cơ thể hoạt động bình thường.
Phân tử nước ở thể rắn
Như đã nói nước ở nhiệt độ 0 độ C sẽ đóng băng, có một hiện tượng đặc biệt chỉ xuất hiện ở phân tử nước đó là xuống dưới 40 độ C nước sẽ nóng co lại , lạnh sẽ nở, trong khi trái với các chất khác khi lạnh sẽ co lại , nóng sẽ nở. Vì các phân tử nước khi lạnh sẽ rời xa ra, tạo thành các liên kết tinh thể hình lục giác mở. Tạo nên hiện tượng băng tuyết, mưa đá…
Phân tử nước ở thể khí
Điều này còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, thông thường các phân tử nước không đủ khả năng tách ra và bốc hơi nếu không có quá trình xúc tác như đun sôi hay nhiệt độ môi trường tăng lên. Ai trong chúng ta cũng đều được dạy rằng nước bốc hơi lên gặp lạnh sẽ ngưng tụ thành những đám mây, gặp điều kiện thời tiết thích hợp sẽ rơi xuống thành mưa, trở thành một vòng tuần hoàn nuôi dưỡng sự sống.
Cách tiếp cận mới
Để nghiên cứu độ nhớt của nước đã cho thấy những hiểu biết mới về hành vi của các phân tử nước và có thể mở ra con đường cho các thiết bị điện tử có sử dụng chất lỏng.
Độ nhớt của một chất lưu là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy. Khi các dòng chất lưu sát kề có tốc độ chuyển động khác nhau, ngoài sự va đập giữa các phần tử vật chất còn có sự trao đổi xung lượng giữa chúng. Những phần tử trong dòng chảy có tốc độ cao sẽ làm tăng động năng của dòng có tốc độ chậm và ngược lại phần tử vật chất từ các dòng chảy chậm sẽ làm kìm hãm chuyển động của dòng chảy nhanh. Kết quả là giữa các lớp này xuất hiện một ứng suất tiếp tuyến gây nên ma sát (lực ma sát trong)
Theo Phys, Một nhóm các nhà nghiên cứu do Phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia Oak Ridge sử dụng một kỹ thuật tán xạ tia X có độ phân giải cao để đo liên kết chặt chẽ liên quan đến một nguyên tử hydro nằm kẹp giữa hai nguyên tử oxy. Liên kết hydro này là một hiện tượng cơ lượng tử chịu trách nhiệm về các tính chất khác nhau của nước, kể cả độ nhớt, nó xác định khả năng chịu nước của chất lỏng hoặc thay đổi hình dạng.
Nước là chất dồi dào nhất trên thế giới
Takeshi Egami, nhà khoa học nổi tiếng thuộc trường Đại học Tennessee-ORNL, cho biết: “Chúng ta cần hiểu rõ hơn về nước để mở ra tiềm năng to lớn của nó, đặc biệt trong công nghệ thông tin và năng lượng”.
Công trình của nhóm nghiên cứu được công bố trong tạp chí Science Advances, đã chứng minh rằng có thể thăm dò được sự năng động của nước và các chất lỏng khác trong thời gian thực. Các nghiên cứu trước đây đã cung cấp những bức ảnh chụp cấu trúc nguyên tử của nước, nhưng ít ai biết được các phân tử nước di chuyển như thế nào.
Egami nói: “Liên kết hydro có tác động mạnh đến tương quan năng động giữa các phân tử khi chúng di chuyển qua không gian và thời gian. Nhưng cho đến nay, dữ liệu chủ yếu là quang phổ laze quang học, mang lại kết quả rộng hoặc” mơ hồ “với độ chi tiết thấp”.
Egami cho biết: “Chúng tôi thấy rằng khoảng thời gian cần thiết cho một phân tử để thay đổi phân tử hàng xóm của nó sẽ xác định độ nhớt của nước”. Khám phá mới này sẽ kích thích các nghiên cứu tiếp theo về kiểm soát độ nhớt của các chất lỏng khác.
Egami xem công việc hiện tại như là một bàn đạp để nghiên cứu sâu hơn nhằm thúc đẩy các kỹ thuật tán xạ neutron.
Cách tiếp cận của các nhà nghiên cứu cũng có thể được sử dụng để mô tả hành vi phân tử và độ nhớt của chất lỏng ionic, muối và các chất lỏng khác, giúp phát triển các loại thiết bị bán dẫn mới với lớp cách điện chất lỏng, pin tốt hơn và chất bôi trơn được cải thiện.
Chuyển động phân tử nước
Để có một bức tranh rõ nét hơn, nhóm ORNL-UT đã sử dụng một kỹ thuật X-ray tiên tiến được gọi là tán xạ tia X không đàn hồi để xác định chuyển động phân tử. Họ phát hiện ra rằng sự năng động của sự liên kết oxy với oxy giữa các phân tử nước không ngẫu nhiên nhưng có sự phối hợp cao.
Khi mối liên kết giữa các phân tử nước bị gián đoạn, các liên kết hydro mạnh sẽ duy trì một môi trường ổn định trong một khoảng thời gian nhất định.
Đây là khẩu thần công giúp làm sạch bầu không khí ô nhiễm tại New Delhi, Ấn Độ, có thể phun 100 lít nước/phút