ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.              

Изотопный состав. Существуют девять устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее: 1Н216О – 99,73%, 1Н218О – 0,2%,

1Н217О – 0,04%, 1H2Н16О – 0,03%. Остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожно малых количествах.

Строение молекулы. Как известно, свойства химических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О – Н 0,957 нм; валентный угол Н – О – Н 104o 27’.

Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле воды, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул.Такая химическая связь называется в о д о р о д н о й. Она обьединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения. В водяном паре присутствует около 1% димеров воды. Расстояние между атомами кислорода – 0,3 нм. В жидкой и твёрдой фазах каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две – как донор протонов и две – как акцептор протонов. Средняя длина этих связей – 0, 28 нм, угол Н – О – Н стремится к 1800 .Четыре водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Структура модификаций льда представляет собой трёхмерную сетку. В модификациях, существующих при низких давлениях, так называемый лёд – I , связи Н – О – Н почти прямолинейны и направлены к вершинам правильного тетраэдра. Но при высоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемые лёд – II, лёд – III так далее – более тяжёлые и плотные кристаллические формы этого вещества. Самые твёрдые, плотные и тугоплавкие пока – лёд – VII и лёд – VIII. Лёд – VII получен под давлением 3 млрд Па, он плавится при температуре + 1900 C . В модификациях – лёд – II - лёд – VI – с вязи Н – О – Н искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда. Только в модификациях лёд – VII и лёд – VIII достигается самая высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, выстроенные из тетраэдров, вставлены одна в другую, при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей.

Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всём интервале от температуры плавления до критической температуры, равной + 3,980 С. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей.

Искривление водородных связей увеличивается с ростом температуры и давления, что ведёт к возрастанию плотности. С другой стороны при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьщается. Совместное действие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре + 3, 980 С.

Физические свойства воды аномальны, что объясняется приведёнными выше данными о взаимодействии между молекулами воды.

Вода – единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях – жидком, твёрдом и газообразном.

Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При 00С 1 грамм льда занимает объём 1,0905 кубических сантиметров, а 1 грамм жидкой воды занимает объём 1,0001 кубических сантиметров. И лёд плавает, оттого и не промерзают обычно насквозь водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом.

Температурный коэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соответственно ниже  - 2100 С и + 3,980 С.

Теплоёмкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 00 С до 1000 С почти не зависит от температуры.

Вода имеет незакономерно высокие температуры плавления и кипения в сравнении с другими водородными соединениями элементов главной подгруппы VI группы таблицы Менделеева.

                 теллуроводород селеноводород сероводород вода

                        Н2Те           Н2Sе          Н2S          Н2О                             

_____________________________________________________

t плавления - 510 С         - 640 С    - 820 С        00 С      

_____________________________________________________

t кипения   - 40 С           - 420 С     - 610 С   1000 С

_____________________________________________________

Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды. Благодаря этой особенности вода формирует климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым “выравнивает” климат. Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример – влияние Гольфстрима, мощной системы тёплых течений, идущих от полуострова Флорида в Северной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстриму средняя температура января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом, такая же, как в степной части Крыма, - около 00 С, т. е. повышена на 15 – 200 С. А в Якутии на той же широте, но вдали от Гольфстрима – минус 400 С. А от космического холода предохраняют Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров. Водяной пар создаёт мощный “парниковый эффект”, который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не даёт ей охлаждаться. По расчётам М.И.Будыко, при уменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 50 С (с 14,3 до 90 С). На смягчение земного климата, в частности на выравнивание температуры воздуха в переходные сезоны – весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды.

Но не только поэтому мы считаем воду жизненно важным веществом. Дело в том, что тело человека почти на 63 – 68 % состоит из воды. Почти все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в водных растворах. С водой удаляются из нашего тела ядовитые шлаки; вода, выделяемая потовыми железами и испаряющаяся с поверхности кожи, регулирует температуру нашего тела. Представители животного и растительного мира содержат такое же обилие воды в своих организмах. Меньше всего воды, лишь 5 – 7% веса, содержат некоторые мхи и лишайники. Большинство обитателей земного шара и растения состоят более чем на половину из воды. Например, млекопитающие содержат 60 – 68 %; рыбы – 70 %; водоросли – 90 – 98 % воды.

В растворах же (преимущественно водных) протекает большинство технологических процессов на предприятиях химической промышленности, в производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов.

Не случайно гидрометаллургия – извлечение металлов из руд и концентратов с помощью растворов различных реагентов – стала важной отраслью промышленности.

Вода – это важный источник энергоресурсов. Как известно, все гидроэлектрические станции мира, от маленьких до самых крупных, превращают механическую энергию водного потока в электрическую исключительно с помощью водяных турбин с соединёнными с ними электрогенераторами. На атомных электростанциях атомный реактор нагревает воду, водяной пар вращает турбину с генератором и вырабатывает электрический ток.

Вода, несмотря на все её аномольные свойства, является эталоном для измерения темпкратуры, массы ( веса), количества тепла, высоты местности.

Шведский физик Андерс Цельсий, член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 году стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Точка кипения воды обозначена 100 , а точка таяния льда 0 .

При разработке метрической системы, установленной по декрету французского революционного правительства в 1793 году взамен различных старинных мер, вода была использована для создания основной меры массы (веса) – килограмма и грамма: 1 грамм, как известно, это вес 1 кубического сантиметра (милилитра) чистой воды при температуре её наибольшей плотности – 40 С. Следовательно, 1 килограмм – это вес 1 литра (1000 кубических сантиметров) или 1 кубического дециметра воды: а 1 тонна (1000 килограммов) – это вес 1 кубического метра воды.

Вода используется и для измерения количества тепла. Одна калория – это количество тепла, нужное для нагревания 1 грамма воды с 14, 5 до 15,50 С.

Все высоты и глубины на земном шаре отсчитываются от уровня моря.

В 1932 году американцы Г.Юри и Э.Осборн обнаружили, что даже в самой чистой воде, которую только можно получить в лабораторных условиях, содержится незначительное количество какого-то вещества, выражающегося, по-видимому, той же химической формулой Н2О, но обладающего молекулярным весом 20 вместо веса 18, присущего обычной воде. Юри назвал это вещество тяжёлой водой. Большой вес тяжёлой воды объясняется тем, что её молекулы состоят из атомов водорода с удвоенным атомным весом по сравнению с атомами обычного водорода. Двойной вес этих атомов в свою очередь обусловливается тем, что их ядра содержат, кроме единственного протона, составляющего ядро обычного водорода, ещё один нейтрон. Тяжёлый изотоп водорода получил название дейтерия

(D или 2Н), а обычный водород стали называть протием. Тяжёлая вода, окись дейтерия, выражается формулой D2О.

Вскоре был открыт третий, сверхтяжёлый изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, который был назван тритием (Т или 3Н). В соединении с кислородом тритий образует сверхтяжёлую воду Т2О с молекулярным весом 22.

В природных водах содержится в среднем около 0,016% тяжёлой воды. Тяжёлая вода внешне похожа на обычную воду, но по многим физическим свойствам отличается от неё. Точка кипения тяжёлой воды 101,40 С, точка замерзания + 3,80 С. Тяжёлая вода на 11% тяжелее обычной. Удельный вес тяжёлой воды при температуре 250 С равен 1,1. Она хуже ( на 5 – 15% ) растворяет различные соли. В тяжёлой воде скорость протекания некоторых химических реакций иная, чем в обычной воде.

И в физиологическом отношении тяжёлая вода воздействует на живое вещество иначе: в отличие от обычной воды, обладающей живительной силой, тяжёлая вода совершенно инертна. Семена растений, если их поливать тяжёлой водой, не прорастают; головастики, микробы, черви, рыбы в тяжёлой воде не могут существовать; если животных поить одной тяжёлой водой, они погибнут от жажды. Тяжёлая вода – это мёртвая вода.

Имеется ещё один вид воды, отличающийся по физическим свойствам от обычной воды, - это омагниченная вода. Такую воду получают с помощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, по которому течет вода. Омагниченная вода изменяет свои физико – химические свойства: скорость химических реакций в ней увеличивается, ускоряется кристаллизация растворённых веществ, увеличивается слипание твёрдых частиц примесей и выпадение их в осадок с образованием крупных хлопьев     (коагуляция). Омагничивание успешно применяется на водопроводных станциях при большой мутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждать загрязненные промышленные стоки.

Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.

Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: капля камень точит.

Лишь незначительная доля молекул (одна из    500 000 000) подвергается электролитической диссоциации по схеме:

Н2О        Н+ + ОН-

Однако, приведённое уравнение условное: не может существовать в водной среде лишённый электронной оболочки протон Н+. Он сразу соединяется с молекулой воды, образуя ион гидроксония Н3О+, который в свою очередь объединяется с одной, двумя или тремя молекулами воды в 

Н3О+ , Н5О2+ , Н7О3+ .

Электролитическая диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований. Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры.

Образование воды из элементов по реакции:

Н2 + 1/2 О2 Н2О -242 кДж/моль для пара

-286 кДж/моль для жидкой воды

-при низких температурах в отсутствии катализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 5500 С она происходит со взрывом. При понижении давления и повышении температуры равновесие сдвигается влево.

Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н+ и ОН- .

Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н2 ; Н2О2 и свободных радикалов: Н* ; ОН* ; О* .

Вода – реакционноспособное соединение.

Вода окисляется атомарным кислородом:

Н2О + О  Н2О2

При взаимодействии с F2 образуется НF, а также О2 ;О3 ; Н2О2 ; F2О и другие соединения.

С остальными галогенами при низких температурах вода реагирует с образованием смеси кислот Н Гал и        Н Гал О.

При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворённого в ней СI2 и значительно меньшие количества Br2 и J 2 .

При повышенных температурах СI2 и Br2 разлагают воду с образованием Н Гал и О2 .

При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ:

Н2О + С  СО + Н2

При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН4 и другими углеводородами, например:

Н2О + СО  СО2 + Н2

Н2О + СН4   СО + 3Н2

Эти реакции используют для промышленного получения водорода.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:

6Н2О + 3Р  2НРО3 + 5Н2

Вода взаимодействует со многими металлами с образованием Н2 и сответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами ( кроме Мg ) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду при повышенной температуре, например, Мg и Zn – выше 1000 С; Fe – выше 6000 С :

2Fe + 3H2O Fe2O 3 + 3H2

При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания.

Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только в присутствии следов воды.

Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH3.

Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, CI2, (CH2)2O, CHCI3 и многими другими веществами газовые гидраты.