Water The H 2 O molecule bonding: usually we draw two - - PowerPoint PPT Presentation

Water ¡

The ¡H2O ¡molecule ¡

bonding: ¡usually ¡we ¡draw ¡two ¡lone ¡pairs ¡

• f ¡electrons ¡on ¡oxygen; ¡sp3 ¡hybridiza@on ¡

¡ ¡ Data: ¡OH ¡bond ¡length: ¡0.96-­‑1.01 ¡Å ¡ ¡ (depends ¡on ¡data ¡source) ¡ Dipole ¡moment: ¡1.83-­‑1.85 ¡D ¡

Photoelectron ¡spectroscopy ¡of ¡water ¡

• M. ¡Laing, ¡ ¡J. ¡Chem. ¡Educ. ¡1987, ¡

64, ¡124-­‑28. ¡

Conclusion: ¡

¡

• Experiment ¡says ¡two ¡nonbonding ¡pairs, ¡but ¡

with ¡different ¡energies ¡

• Crystal ¡structure ¡of ¡ice ¡does ¡make ¡it ¡seem ¡like ¡

water ¡has ¡two ¡lone ¡pairs ¡on ¡O… ¡

Crystal ¡structure ¡of ¡hexagonal ¡water ¡

JOM ¡1999, ¡51, ¡21. ¡ ¡ Each ¡water ¡has ¡4 ¡nearest ¡neighbors, ¡ Looks ¡like ¡each ¡O ¡hydrogen ¡bonds ¡ to ¡two ¡other ¡H’s. ¡

Phase ¡diagram ¡of ¡water, ¡showing ¡known ¡phases ¡of ¡ice ¡(wikipedia) ¡

Crystal ¡forms ¡of ¡ice ¡

Caltech ¡

Physics ¡World.com, ¡Feb ¡2011: ¡ Physicists ¡discover ¡new ¡quantum ¡state ¡of ¡ water ¡ ¡ Feb ¡4, ¡2011 ¡ ¡ Tiny ¡quan==es ¡of ¡water ¡are ¡different ¡thanks ¡ to ¡quantum ¡mechanics.Water's ¡strange ¡and ¡ life-­‑giving ¡quali=es ¡could ¡be ¡at ¡least ¡partly ¡ explained ¡by ¡quantum ¡mechanics. ¡That ¡is ¡the ¡ claim ¡being ¡made ¡by ¡a ¡group ¡of ¡physicists ¡in ¡ the ¡UK ¡and ¡the ¡US, ¡who ¡have ¡made ¡extremely ¡ sensi=ve ¡measurements ¡of ¡the ¡protons ¡in ¡=ny ¡ samples ¡of ¡water ¡and ¡have ¡found ¡that ¡these ¡ protons ¡behave ¡very ¡differently ¡to ¡those ¡in ¡ much ¡larger ¡sample. ¡

arXiv.org ¡> ¡cond-­‑mat ¡> ¡arXiv:1101.4994 ¡ ¡ ¡ Evidence ¡of ¡a ¡new ¡quantum ¡state ¡of ¡nano-­‑confined ¡water ¡

• G. ¡F. ¡Reiter, ¡A.I. ¡Kolesnikov, ¡S. ¡J. ¡Paddison, ¡P. ¡M. ¡Platzman, ¡A.P. ¡Moravsky, ¡M. ¡A. ¡

Adams, ¡J. ¡Mayers ¡ (Submibed ¡on ¡26 ¡Jan ¡2011) ¡ Deep ¡Inelas@c ¡Neutron ¡Scabering ¡provides ¡a ¡means ¡of ¡directly ¡and ¡accurately ¡ measuring ¡the ¡momentum ¡distribu@on ¡of ¡protons ¡in ¡water, ¡which ¡is ¡determined ¡ primarily ¡by ¡the ¡protons ¡ground ¡state ¡wavefunc@on. ¡We ¡find ¡that ¡in ¡water ¡confined ¡

• n ¡scales ¡of ¡20A, ¡this ¡wave ¡func@on ¡responds ¡to ¡the ¡details ¡of ¡the ¡confinement, ¡

corresponds ¡to ¡a ¡strongly ¡anharmonic ¡local ¡poten@al, ¡shows ¡evidence ¡in ¡some ¡cases ¡

• f ¡coherent ¡delocaliza@on ¡in ¡double ¡wells, ¡and ¡involves ¡changes ¡in ¡zero ¡point ¡kine@c ¡

energy ¡of ¡the ¡protons ¡from ¡-­‑40 ¡to ¡+120 ¡meV ¡difference ¡from ¡that ¡of ¡bulk ¡water ¡at ¡ room ¡temperature. ¡This ¡behavior ¡appears ¡to ¡be ¡a ¡generic ¡feature ¡of ¡nanoscale ¡

• confinement. ¡It ¡is ¡exhibited ¡here ¡in ¡16A ¡inner ¡diameter ¡carbon ¡nanotubes, ¡two ¡

different ¡hydrated ¡proton ¡exchange ¡membranes(PEMs), ¡Nafion ¡1120 ¡and ¡Dow ¡858, ¡ and ¡has ¡been ¡seen ¡earlier ¡in ¡xerogel ¡and ¡14A ¡diameter ¡carbon ¡nanotubes. ¡The ¡ proton ¡conduc@vity ¡in ¡the ¡PEM ¡samples ¡correlates ¡with ¡the ¡degree ¡of ¡coherent ¡ delocaliza@on ¡of ¡the ¡proton. ¡

Uh ¡oh. ¡ ¡Polywater?? ¡

SCIENTIFIC ¡ORIGINS ¡OF ¡THE ¡POLYWATER ¡ CONTROVERSY ¡OF ¡1961-­‑1973 ¡ Science: ¡Doubts ¡about ¡Polywater ¡ (Time ¡magazine, ¡Oct. ¡19, ¡1970) ¡

Ever ¡since ¡it ¡was ¡reported ¡by ¡a ¡Russian ¡chemist ¡ named ¡Boris ¡Deryagin ¡in ¡1962, ¡polywater, ¡or ¡ polymerized ¡water,* ¡has ¡been ¡the ¡subject ¡of ¡ torrid ¡scien@fic ¡debate. ¡Deryagin ¡and ¡his ¡ supporters ¡in ¡the ¡West ¡contend ¡that ¡it ¡is ¡a ¡ totally ¡new ¡kind ¡of ¡water, ¡a ¡form ¡so ¡stable ¡that ¡ it ¡does ¡not ¡boil ¡under ¡1,000° ¡F., ¡does ¡not ¡ evaporate, ¡and ¡only ¡begins ¡to ¡freeze ¡at ¡—40° ¡

• F. ¡One ¡American ¡scien@st ¡has ¡even ¡speculated ¡

that ¡the ¡strange, ¡s@cky ¡substance ¡would, ¡if ¡ released ¡from ¡the ¡lab, ¡propagate ¡itself ¡by ¡ feeding ¡on ¡natural ¡water, ¡eventually ¡turning ¡ the ¡earth ¡into ¡another ¡Venus ¡(TIME, ¡Dec. ¡19). ¡ Other ¡scien@sts, ¡however, ¡have ¡found ¡all ¡such ¡ claims ¡hard ¡to ¡swallow.Read ¡more: ¡ hbp://www.@me.com/@me/magazine/ar@cle/ 0,9171,944149,00.html#ixzz1DslAVJ1O ¡

Ice-­‑nine ¡is ¡an ¡alterna@ve ¡structure ¡of ¡water ¡ that ¡is ¡solid ¡at ¡room ¡temperature. ¡When ¡a ¡ crystal ¡of ¡ice-­‑nine ¡contacts ¡liquid ¡water, ¡it ¡ becomes ¡a ¡ seed ¡crystal ¡that ¡makes ¡the ¡molecules ¡of ¡liquid ¡ water ¡arrange ¡themselves ¡into ¡the ¡solid ¡form, ¡ ice-­‑nine. ¡ …and ¡all ¡the ¡water ¡in ¡the ¡world's ¡seas, ¡rivers, ¡ and ¡groundwater ¡turns ¡into ¡ice-­‑nine, ¡killing ¡ almost ¡all ¡life ¡in ¡a ¡few ¡days. ¡ ¡ (wikipedia ¡summary ¡of ¡1963 ¡book0 ¡

“memory ¡effect” ¡of ¡water ¡

Nature ¡333, ¡816 ¡-­‑ ¡818 ¡(30 ¡June ¡1988); ¡doi:10.1038/333816a0 ¡ ¡ Human ¡basophil ¡degranula=on ¡triggered ¡by ¡very ¡dilute ¡an=serum ¡against ¡IgE ¡ ¡

• E. ¡DAVENAS, ¡F. ¡BEAUVAIS, ¡J. ¡AMARA*, ¡M. ¡OBERBAUM, ¡B. ¡ROBINZON†, ¡A. ¡MIADONNAI‡, ¡A. ¡TEDESCHI‡, ¡
• B. ¡POMERANZ§, ¡P. ¡FORTNER§, ¡P. ¡BELON, ¡J. ¡SAINTE-­‑LAUDY, ¡B. ¡POITEVIN ¡& ¡J. ¡BENVENISTE‖ ¡

¡ INSERM ¡U ¡200, ¡Université ¡Paris-­‑Sud, ¡32 ¡rue ¡des ¡Carnets, ¡92140 ¡Clamart, ¡France ¡ *Ruth ¡Ben ¡Ari ¡Ins@tute ¡of ¡Clinical ¡Immunology, ¡Kaplan ¡Hospital, ¡Rehovot ¡76100, ¡Israel ¡ †Department ¡of ¡Animal ¡Sciences, ¡Faculty ¡of ¡Agriculture, ¡PO ¡Box ¡12, ¡The ¡Hebrew ¡University ¡of ¡Jerusalem, ¡ Rehovot ¡76100, ¡Israel ¡ ‡Department ¡of ¡Internal ¡Medicine, ¡Infec@ous ¡Diseases ¡and ¡Immunopathology, ¡University ¡of ¡Milano, ¡Ospedale ¡ Maggiore ¡Policlinico, ¡Milano, ¡Italy ¡

§Departments ¡of ¡Zoology ¡and ¡Physiology, ¡Ramsay ¡Wright ¡Zoological ¡Laboratories, ¡University ¡of ¡Toronto, ¡25 ¡

Harbord ¡Street, ¡Toronto, ¡Ontario ¡M5S ¡1Al, ¡Canada ¡ ‖To ¡whom ¡correspondence ¡should ¡be ¡addressed ¡ ¡

Authors ¡claimed ¡that ¡10-­‑40 ¡M ¡solu@ons ¡were ¡s@ll ¡ac@ve ¡against ¡cells! ¡

Water ¡can ¡react ¡with ¡itself ¡

O H H O H H

+

Water ¡can ¡react ¡with ¡itself ¡

O H H O H H

+

O H H H

+

O H

H2O ¡+ ¡ ¡H2O ¡ ¡-­‑-­‑> ¡ ¡H3O+ ¡ ¡+ ¡ ¡OH-­‑ ¡

What ¡is ¡free ¡energy ¡change, ¡ ¡ equilibrium ¡constant ¡ ¡ for ¡this ¡reac@on? ¡ ¡ (dynamic ¡equilibrium; ¡pure ¡liquid ¡on ¡ ¡ le}, ¡aqueous ¡solu@ons ¡on ¡right) ¡

¡ ¡

H2O ¡+ ¡ ¡H2O ¡ ¡-­‑-­‑> ¡ ¡H3O+ ¡ ¡+ ¡ ¡OH-­‑ ¡

∆G˚ ¡= ¡∆G˚f ¡(H3O+(aq)) ¡ ¡+ ¡ ¡∆Gf˚(OH-­‑(aq)) ¡ ¡-­‑ ¡2 ¡∆Gf˚(H2O(l)) ¡ ¡ ∆G˚ ¡ ¡= ¡ ¡-­‑237.13 ¡kJ ¡ ¡+ ¡ ¡-­‑157.24 ¡kJ ¡ ¡-­‑ ¡(2 ¡mol) ¡(-­‑237.13 ¡kJ/mol) ¡ ¡ ∆G˚ ¡= ¡+79.89 ¡kJ ¡

H2O ¡+ ¡ ¡H2O ¡ ¡-­‑-­‑> ¡ ¡H3O+ ¡ ¡+ ¡ ¡OH-­‑ ¡

¡ ∆G˚ ¡= ¡+79.89 ¡kJ ¡

∆G˚ ¡= ¡-­‑RT ¡ln ¡K ¡ ¡ 79.89 ¡x ¡103 ¡J ¡= ¡-­‑(8.314 ¡J/K ¡mol) ¡(298 ¡K) ¡ln ¡K ¡ ¡ 1.0 ¡x ¡10-­‑14 ¡= ¡K ¡ ¡(rounding ¡a ¡bit) ¡ ¡ ¡

H2O ¡+ ¡ ¡H2O ¡ ¡-­‑-­‑> ¡ ¡H3O+ ¡ ¡+ ¡ ¡OH-­‑ ¡

¡ 1.0 ¡x ¡10-­‑14 ¡= ¡Kw ¡ ¡ autoioniza@on ¡equilibrium ¡for ¡water ¡ ¡ Kw ¡= ¡1.0 ¡x ¡10-­‑14 ¡= ¡[H3O+][OH-­‑] ¡ so ¡at ¡298 ¡K, ¡1.0 ¡x ¡10-­‑7 ¡M ¡= ¡[H3O+] ¡= ¡[OH-­‑] ¡ in ¡pure ¡water ¡ ¡ ¡