Вода и её свойства

Молекула воды
Свойства воды
Вода - растворитель

Вода — одно из самых распространенных веществ на нашей планете; она имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы. На земле происходит непрерывный круговорот воды. В результате испарения воды в поверхности океанов и суши и выделения влаги растениями и живыми существами атмосфера насыщается парами воды. Неравномерное нагревание атмосферы вызывает в ней крупномасштабные перемещения воздушных масс над поверхностью земного шара, а вследствие конденсации вода снова возвращается на землю в виде росы, дождя, града и снега.
Часть воды испаряется непосредственно с почвы и покрывающей ее растительности сразу же после выпадения на землю. Другая часть просачивается в почву, где она либо задерживается и используется растениями, либо проникает в подпочвенные горизонты, где соединяется с грунтовыми, а затем через них и с поверхностными водами. Наконец, некоторое количество воды остается на поверхности почвы, постепенно стекая в поверхностные водотоки.
Вследствие постоянного контакта с окружающей средой и включения в эту среду вода всегда содержит какие-либо вещества и практически никогда не бывает химически чистой. В то же время характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества.

 

Молекула воды

Вода, или оксид водорода Н2О, имеет молекулярную массу 18,016. На водород приходится 11,19% массы, на кислород — 88,81%.
В природе встречаются три изотопа водорода: 1Н — протий, 2Н — дейтерий и 3Н — тритий и три изотопа кислорода 16O, 17О и 18O, образующих 9 устойчивых изотопных модификаций молекул воды. В природной воде на долю 1Н216O по массе приходится 99,73%. на долю 1Н218O - 0,2%, на 1Н217O — 0,04% и на 1Н2Н16O — около 0,03%; остальные пять разновидностей содержатся в ничтожных количествах. Помня о многообразии состава воды, мы тем не менее пользуемся привычной формулой 1Н216О, так как она является символом основного компонента.
В молекуле воды ядра водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два мелких ядра водорода, в вершине — более крупное ядро кислорода. Валентный угол у центрального атома кислорода, образованный связями Н—О—Н, составляет 104o27'. 

Две внешние пары электронов, образующих связи О—Н, смещены кг атому кислорода, поэтому вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда. Две неподеленные пары электронов также смещены относительно ядра атома кислорода, и их отрицательные заряды остаются частично не скомпенсированными.
Структура льда является наиболее упорядоченной и наименее плотной. Ее особенность заключается в наличии пустот, размеры которых превышают размеры молекул.

Свойства воды

Чистая вода — жидкость без запаха, вкуса и цвета (лишь в слое толщиной более 2 м голубоватая). Основные физические характеристики воды (при давлении 0,1 МПа) следующие:
Температура:
замерзания, плавления         0°C
кипения                            100°C
Плотность, при температуре, °C:
0                         0,99984 г/см3
     
3,98                     0,99997 г/см3
 
20                         0,9982 г/см3
Удельная теплоемкость при t- 20°C
4,178 Дж/(г.К)
Вязкость при температуре, °C:
  0                  0,001792 Па·с  
25                   0,000895 Па·с
Удельная электрическая проводимость при t-20 °C  -   4,2·10-6 см/м
Относительная диэлектрическая постоянная при t-20°C    -    81
Поверхностное натяжение при t-18°C       -                      73·10-3Н/м
По сравнению с другими химическими соединениями вода обнаруживает необычные отклонения по ряду физических свойств — плотности, удельной теплоемкости и др. Эти аномалии воды в значительной степени связаны с ассоциацией ее молекул.
Уникальным свойством воды является ее способность при обычных температурах и давлении находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар).
Повышение температуры воды действует двояко: вызывает нарушение регулярной структуры и приводит к тепловому расширению. В интервале температур от 0 до 4°С (плавление льда) происходит разрушение части водородных связей, т.е. нарушается структура льда, достигается более плотная упаковка молекул в результате размещения отдельных молекул воды в пустотах оставшихся агрегатов. В этом интервале температур фактор нарушения структуры преобладает над тепловым расширением, и плотность воды повышается, достигая максимального значения при 3,98°С. При 3,98°С оба фактора взаимно уравновешиваются. Дальнейшее нагревание воды до 100°С сопровождается нормальным снижением плотности, так как преобладает действие теплового расширения. Эта аномалия обусловливает возможность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время. Поскольку лед легче воды (его плотность меньше), то он располагается на поверхности и защищает лежащие ниже слои воды от промерзания. При дальнейшем понижении температуры увеличивается толщина слоя льда, но температура воды подо льдом остается на уровне 4°С, что позволяет водным организмам сохранять жизнь.
Большое значение в жизни природы имеет также и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью — 4,18 Дж/(г.К). Высокая теплоемкость воды есть следствие расхода части теплоты на разрыв водородных связей. В природных условиях вода медленно остывает и медленно нагревается, являясь регулятором температуры на Земле.
Вязкость (способность жидкости оказывать сопротивление различным формам движения) воды закономерно изменяется в зависимости от температуры: уменьшается с ее возрастанием. С повышением концентрации растворенных в воде солей вязкость увеличивается. В то же время действие давления на вязкость воды довольно специфично: с понижением температуры при умеренном давлении вязкость воды снижается, хотя логично было бы ожидать ее повышения, а если давление увеличить значительно, то поведение воды подчиняется общему правилу.
Относительная диэлектрическая постоянная воды равна 81 — это очень высокая величина, чем и объясняется такая большая ионизирующая сила воды.
Вода имеет максимальное для жидкостей (кроме ртути) поверхностное натяжение, благодаря чему обеспечивается возможность движения соков в растениях, крови в сосудах животных и человека. С повышением температуры поверхностное натяжение воды уменьшается.
Оптические свойства воды оцениваются по ее прозрачности, которая в свою очередь зависит от длины волны луча, проходящего через воду. Ультрафиолетовые лучи легко проходят через воду, поэтому растительные организмы способны развиваться в толще воды и на дне водоемов, инфракрасные лучи проникают только в поверхностный слой и а незначительной степени. Вследствие поглощения оранжевых и красных компонентов видимого света вода приобретает голубоватую окраску.
Химически чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает некоторой электропроводимостью, так как она способна в очень незначительной степени диссоциировать на ионы водорода и гидроксил-ионы
Н2O H+ + OH-
По величине электропроводимости чистой воды вычислено, что при температуре 18°С в 10 млн л воды в диссоциированном состоянии находится 0,86 моля воды, при 22°С — 1 моль, при 25°С — 1,109 моля.
По закону Гульберга и Вааге скорость химической реакции прямо пропорциональна действующим массам, т.е. концентрациям реагирующих веществ. Поэтому можно написать
v1 = K1[H2O]; v2 = K2[H+][OH-],
где v1 и v2 — скорости прямой и обратной реакций; K1 и K2 — коэффициенты пропорциональности в выражениях скоростей, называемые константами реакций.
В момент равновесия процесса скорости v1 и v2 равны друг другу, следовательно
[H+][OH-]/[H2O] = K1/K2= K',
где K' — константа равновесия реакции при данной температуре, или константа диссоциации воды.
Уравнение можно переписать в таком виде:
[H+][OH-] = K'[H2O]
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул воды практически равна общей концентрации воды, т.е. 55,55 моль/л, а поэтому произведение K'[H2O] можно считать константой. Эту константу обозначают Kw и называют ионным произведением воды
Для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксил-ионов есть величина постоянная. Численное значение ионного произведения воды при 22°С составляет 10-14.
Вода — весьма реакционноспособное соединение. Она реагирует с оксидами многих металлов (Na2O, СаО и др.) и неметаллов (ClO2, СO2 и др.), образует кристаллогидраты с некоторыми солями [Al2(SO4)3'18H2O], вступает во взаимодействие с активными металлами (Na, К и др.).
Вода — катализатор многих химических реакций, и иногда для прохождения реакции необходимы хотя бы ее следы. Взаимодействуя с некоторыми солями, вода вызывает процесс обменного разложения их — гидролиз. Вода — участник и среда для протекания множества биохимических реакций в живых организмах. Жизнь человека, растений, животных и микроорганизмов связана с водными растворами. В частности, процессы питания включают перевод вещества в раствор.

 

Вода - растворитель

Энергия образования молекул воды высока, она составляет 242 кДж/моль. Этим объясняется устойчивость воды в природных условиях. Устойчивость в сочетании с электрическими характеристиками и молекулярным строением делают воду практически универсальным растворителем для многих веществ. Высокая диэлектрическая проницаемость обусловливает самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам, молекулы которых полярны. Из неорганических веществ в воде растворимы очень многие соли, кислоты и основания* Из органических веществ растворимы лишь те, в молекулах которых полярные группы составляют значительную часть — многие спирты, амины, органические кислоты, сахара и т.д.
Растворение веществ в воде сопровождается образованием слабых связей между их молекулами или ионами и молекулами воды. Это явление называется гидратацией. Для веществ с ионной структурой характерно формирование гид ратных оболочек вокруг катионов за счет донорно-акцепторной связи с неподеленной парой электронов атома кислорода. Катионы гидратированы тем в большей степени, чем меньше их радиус и выше заряд. Анионы, обычно менее гидратированные, чем катионы, присоединяют молекулы воды водородными связями.
В процессе растворения веществ изменяется величина электрического момента диполя молекул воды, изменяется их пространственная ориентация, разрываются одни и образуются другие водородные связи. В совокупности эти явления приводят к перестройке внутренней структуры.
Растворимость твердых веществ в воде зависит от природы этих веществ и температуры и изменяется в широких пределах. Повышение температуры в большинстве случаев увеличивает растворимость солей. Однако растворимость таких соединений, как CaSO4·2H2O, Ca(OH)2 при повышении температуры снижается.
При взаимном растворении жидкостей, одной из которых является вода, возможны различные случаи. Например, спирт и вода смешиваются друг с другом в любых соотношениях, так как оба полярны. Бензин (неполярная жидкость) в воде практически нерастворим. Наиболее общим является случай ограниченной взаимной растворимости. Примером могут служить системы вода—эфир, вода—фенол. При нагревании взаимная растворимость для одних жидкостей возрастает, для других — уменьшается. Например, для системы вода—фенол повышение температуры выше 68°С приводит к неограниченной взаимной растворимости.
Газы (например, NH3, СО2, SO2) хорошо растворимы в воде, как правило, в тех случаях, когда они вступают с водой в химическое взаимодействие; обычно же растворимость газов невелика. При повышении температуры растворимость газов в воде уменьшается. Ниже приведены данные по растворимости в воде (при атмосферном давлении) кислорода важнейшего элемента для всех биологических процессов в водоемах и сооружениях по очистке загрязненных вод.
Температура воды, °С           Концентрация О2, мг/л

                                   0                                           14,62

                                 10                                          11,33

                                 20                                            9,17

                                 30                                            7,63
Следует отметить, что растворимость кислорода в воде почти в 2 раза выше, чем растворимость азота. Вследствие этого состав растворенного в воде водоемов или очистных сооружений воздуха отличается от атмосферного. Растворенный воздух обогащен кислородом, что очень важно для организмов, обитающих в водной среде.
Для водных растворов, как и для любых других, характерны понижение упругости пара над раствором (по сравнению с чистым растворителем), понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения. Одно из общих свойств растворов проявляется в явлении осмоса. Если два раствора разной концентрации разделены полупроницаемой перегородкой, молекулы растворителя проникают через нее из разбавленного раствора в концентрированный. Механизм осмоса можно понять, если учесть, что, согласно общему естественному принципу, все молекулярные системы стремятся к состоянию наиболее равномерного распределения (в случае двух растворов — стремление к выравниванию концентраций по обе стороны перегородки). Количественной характеристикой осмоса служит осмотическое давление. По закону Вант-Гоффа осмотическое давление раствора равно давлению, которое проявляло бы растворенное вещество, если бы оно было газообразным и занимало бы объем, равный объему раствора.

www.ovode.net