Урок 27. Состав и физические свойства воды
В уроке 27 «Состав и физические свойства воды» из курса «Химия для чайников» узнаем, что из себя представляет вода, выясним её состав, а также физические свойства.
Наиболее распространенным оксидом на Земле является оксид водорода H2O, или вода. Без воды, как и без кислорода, невозможна жизнь человека, животных и растений.
Вода — единственное вещество, существующее на Земле одновременно в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Она является основным компонентом морей и океанов, ледников и айсбергов, облаков и тумана.
Около 70 % поверхности Земли покрыто океанами, морями, реками и озерами — природными хранилищами воды. Из космоса толстый слой воды имеет голубой цвет (рис. 104), вот почему нашу планету называют голубой. Вода входит в состав всех живых организмов, а также очень многих минералов.
Состав и строение воды
Как вы уже знаете, молекула воды состоит из трех атомов — двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 105). Относительная молекулярная масса воды равна:
Следовательно, молярная масса воды равна:
Вода — это вещество с молекулярным строением. В твердом (рис. 106) и жидком агрегатных состояниях молекулы воды прочно связаны друг с другом. Этим во многом объясняется целый ряд удивительных физических свойств воды.
Физические свойства воды
При комнатных условиях вода представляет собой жидкость без вкуса и запаха. В тонком слое вода не имеет цвета. Однако при толщине более 2 м она имеет голубой цвет. Совершенно чистая вода очень плохо проводит электрический ток.
На заметку: По тому, как проводит электрический ток вода, можно судить о ее чистоте — чем ниже электропроводность, тем чище вода.
У большинства веществ в твердом состоянии плотность выше, чем в жидком. В отличие от них вода в твердом агрегатном состоянии (лед) имеет более низкую плотность, чем в жидком. При 0 °С плотность льда равна примерно 0,92 г/см 3 , а плотность жидкой воды — примерно 1,00 г/см 3 . Это означает, что лед легче воды, поэтому он не тонет в ней (рис. 107). Такая особенность воды объясняет, почему водоемы начинают замерзать не со дна, а с поверхности и очень редко промерзают до самого дна. Это защищает живые организмы, обитающие в реках и морях, от гибели.
У воды высокая теплоемкость, поэтому она медленно нагревается, но и медленно остывает. Это позволяет морям и океанам накапливать тепло летом (и днем) и высвобождать его зимой (и ночью), что предотвращает резкие колебания температуры воздуха на нашей планете в течение года (и суток). Моря и океаны служат своеобразными аккумуляторами тепла на нашей планете.
При нормальном давлении (101,3 кПа) температура кипения воды равна 100 °С. При понижении давления температура кипения воды понижается. Например, в горах на высоте около 5000 м давление существенно ниже нормального (примерно в два раза), поэтому вода закипает в этих условиях при температуре около 84 °С. Понятно, что варить продукты до готовности в горах необходимо более длительное время. И наоборот, в скороварке, где создается высокое давление, вода закипает при температуре выше 100 °С, что позволяет быстрее приготавливать пищу.
Вода как растворитель
С совершенно чистой водой, не содержащей никаких других веществ, большинство людей никогда не встречается. Такая вода используется только в специальных целях.
Почти все жидкости, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни и деятельности, представляют собой растворы различных веществ.
Раствор — это однородная смесь двух и более веществ.
Одно из веществ, входящих в состав раствора, называется растворителем, а остальные — растворенными веществами. Очень часто растворителем является вода. Вода может растворять твердые, жидкие и газообразные вещества.
Все природные воды содержат растворенные соли. Их легко обнаружить экспериментально, выпарив воду на часовом стекле. Кроме солей, вода может растворять различные газы. Их присутствие (правда, не всегда) можно обнаружить экспериментально. Например, поместив пробирку с холодной водой из-под крана в теплое место, через некоторое время можно заметить у стенок пробирки пузырьки. Это растворенные газы (преимущественно кислород) выделяются из раствора при его нагревании до комнатной температуры (рис. 108).
Многие жидкости также хорошо растворимы в воде. Например, серная кислота и спирт неограниченно растворяются в воде. В таком случае говорят, что вещество смешивается с водой в любых соотношениях. Из-за хорошей растворимости многих веществ в воде ее иногда называют универсальным растворителем.
Краткие выводы урока:
- Вода не имеет вкуса, цвета (в тонком слое) и запаха, кипит при 100 °С, а переходит в твердое состояние при 0 °С.
- Плотность твердой воды меньше, чем жидкой.
- Раствор — это однородная смесь двух и более веществ.
- Вода является универсальным растворителем — она хорошо растворяет многие твердые, жидкие и газообразные вещества.
Надеюсь урок 27 «Состав и физические свойства воды» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Источник
С точки зрения физики вода это
ВОДА — простейшее устойчивое хим. соединение водорода и кислорода (окись водорода — H2O), при нормальных условиях — бесцветная (голубоватая в толстых слоях) прозрачная жидкость без запаха. Одно из самых распространённых соединений в природе, играющее исключительно важную роль в процессах, происходящих на Земле. Молекулы В. зарегистрированы также в межзвёздном пространстве, она входит в состав комет, больших планет Солнечной системы и их спутников, обнаружена на Марсе и Венере.
Известно 3 изотопа водорода ( 1 H — протий; 2 H, или Д,- дейтерий; 3 H, или Т,- тритий) и 6 изотопов кислорода ( 14 O, 15 O, 16 O, 17 O, 18 O и 19 O), так что существует большое кол-во изотопных разновидностей молекул В. В природной В. на 10 5 атомов H приходится 15 атомов 2 H, а на 10 4 атомов 16 O — 20 атомов 18 O и 4 атома 17 O. Остальные изотопы H и О радиоактивны. Свойства т. н. тяжёлой воды D2O (др. «тяжёлые» изотопные разновидности молекул В. обычно к этому термину не относят) сильно отличаются от свойств природной В. (см. ниже). Тяжёлая В. применяется в промышленности, технике и научных исследованиях. Наряду с тяжёлой В. в физ., хим. и биол. экспериментах используется В., содержащая T, 18 O и 17 O (в частности, в колебательной и ЯМР-спектроскопии, нейтронографии и др.). Свойства В., содержащей тяжёлые изотопы О, не так резко, как для D2O, отличаются от свойств обычной В. Молекула В. представляет собой равнобедренный треугольник с ядрами О и H в вершинах. Ниже приведены нек-рые характеристики молекулы В. (в основном состоянии):
Межатомное расстояние О-H
Валентный угол H-О-H
2,938*10 -40 г*см 2
1,919*10 -40 г*см 2
1,022*10 -40 г*см 2
Cp. электрич. квадрупольный момент
5,6*10 -26 ед. СГСЭ
Сродство к протону
Физические свойства воды. В. может существовать в твёрдом (лёд), жидком и газообразном состояниях. Области существования разл. фаз В. показаны на диаграмме (рис. 1). Физ. свойства В. своеобразны. Так, при атм. давлении плавление льда В. сопровождается уменьшением объёма на 9% (рис. 2); коэф. термич. расширения льда (модификации Ih, см. ниже) в интервале 0-63 К и жидкой В. до 3,98 0 C отрицателен (рис. 3). Теплоёмкость ср жидкой В. почти вдвое выше, чем твёрдой и газообразной, и в интервале темп-р 0- 100 0 C почти не зависит от темп-ры (имеется очень пологий минимум при 35 0 C). Минимум изотермич. сжимаемости наблюдается при 46 0 C (рис. 4). Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой В. от давления: в области сравнительно низких давлений при темп-pax до 30 0 C вязкость с ростом давления уменьшается. Молекула В.- полярная, и жидкая В., и лёд являются диэлектриками. В. диамагнитна. Свойства В. зависят от её изотопного состава. Так, давление пара D2O при 20 0 C на 13% ниже, чем пара H2O; при 222 0 C значение давлений для них одинаковы, а при более высоких темп-pax давление пара D2O выше, чем для H2O. Ниже приведены значения нек-рых физ. величин для обычной и тяжёлой В. в газообразном, жидком и твёрдом (лёд Ih) состояниях при атм. давлении (кроме критич. параметров):
жидкость при 20 0 C
Вязкость при 20 0 C
276,97 К (3,815 0 C)
373, 16 К (100 0 C)
374,59 K(101, 43 0 C)
647,3 К (374, 15 0 C)
643,9 К (370,7 0 C)
Теплота сублимации льда при 0 0 C
жидкость при 0 0 C
лёд при — 10 0 C
жидкость при 25 0 C
жидкость при 0 0 C
жидкость при 100 0 C
пар при 100 0 C
Адиабатич сжимаемость при 20 0 C
4,555*10 -12 м 2 /Н
Время диэлектрич. релаксации
жидкость при 25 0 C
Молекулярная магн восприимчивость при 20 0 C
Поверхностное натяжение жидкой воды
Показатель преломления при 20 0 C
Благодаря высоким теплоёмкости, теплоте плавления и испарения, а также особенности зависимости плотности от темп-ры, В. является важным регулятором и стабилизатором климатич. условий на Земле. Высокая диэлектрич. проницаемость, большой дипольный момент молекулы, обеспечивающие хорошую растворимость в В. мн. веществ, широкий температурный интервал существования жидкого состояния наряду с аспространённостью В. обусловливают её широкое применение для мн. технол. процессов.
Рис. 1. Фазовая трёхмерная диаграмма воды. Показаны области температуры и давлений существования и сосуществованияразличных фаз и их удельные объёмы.
Структура воды. Поскольку молекулы В.- полярные и обладают значит. дипольным моментом, они сильно взаимодействуют друг с другом и с др. полярными молекулами. Атомы H молекулы В. могут образовывать водородные связи с атомами кислорода, фтора, азота и нек-рыми др. атомами. Водородная связь изменяет геометрию и электронную конфигурацию молекулы В.: длины связей О-H и валентные углы Н-О-H увеличиваются. В результате дипольный момент растёт, полосы в колебательных спектрах, обусловленные валентными и деформац. колебаниями, сдвигаются в низкочастотную область и уширяются. В водяном паре при невысоких давлениях и умеренных темп-pax присутствует небольшое кол-во (ок. 1% при темп-ре кипения и атм. давлении) димеров — систем, состоящих из двух молекул В. Энтальпия образования димеров (Н2О)2
15 кДж/моль), расстояние между атомами кислорода в них
0,3 нм. В конденсир. фазах каждая молекула В. может участвовать в четырёх водородных связях: в двух в качестве донора протона и в двух — в качестве акцептора.
Рис. 2. Температурная зависимость молярного объема жидкой воды при атмосферном давлении в области её максимальной плотности.
Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента
Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента изотермической сжимаемости для жидкой воды при атмосферном давлении.
Рис. 5. Тетраэдрическая координация молекул воды в конденсированных фазах. Показана одна из многих возможных ориентации молекул.
Известно 10 модификаций льда (табл.), существует также аморфный лёд.
Симметрия кристаллов и плотность льда
Сингония и пространственная группа
Плотность (г/см 3 )
при 98 К и атм. давлении
в области стабильного существования *
кубическая,
тригональная,
тригональная,
* Лёд IV является метастабильной фазой в области стабильного существования льда V; лёд IX -упорядоченный по ориентациям молекул вариант льда III, а лёд VIII-льда VII; в скобках темп-pa в К и давление в кбар.
Из структурных исследований кристаллич. модификаций льда и кристаллогидратов (органич. и неорга-нич. кристаллов, в состав к-рых входят молекулы воды) известно, что ср. расстояние О. . .О составляет
0,28 нм, а угол О-H. О в наиб. энергетически выгодной конфигурации 180°. Четыре водородные связи молекулы В. направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 5). В кристаллогидратах довольно часто встречаются молекулы В., участвующие в трёх водородных связях: в двух — в качестве донора и в одной — акцептора. Во всех модификациях льда система водородных связей между молекулами представляет собой трёхмерную сетку (рис. 6). В гексагональной и кубической модификациях, существующих при низких давлениях (льды Ih и Ic), все связи практически прямолинейны и каждая молекула окружена четырьмя другими, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Расположение атомов кислорода в них такое же, как углерода в алмазе (лёд I с) и лонсдейлите (лёд Ih). В модификациях, устойчивых при высоких давлениях (кроме льдов VII и VIII), связи искривлены (углы О-H. . .0 меньше 180°) и углы между ними заметно отличаются от тетраэдрич. (109°28′). В самых плотных модификациях VII и VIII две неискажённые сетки, такие же, как во льду Iс, вставлены одна в другую. В структуре льда VI также можно выделить две вставленные друг в друга сетки, но связи в них сильно искривлены, а окружение молекул заметно отличается от её окружения при идеально тетраэдрической структуре. Все модификации льда (кроме II, VIII и IX) ориентационно разупорядочены. Каждая молекула В. в них может быть ориентирована одним из шести способов (по числу рёбер тетраэдра), за счёт чего кристаллы этих модификаций обладают остаточной энтропией, т. е. при абс. нуле темп-р сохраняется нек-рая разупорядоченность. Низкочастотная диэлектрич. проницаемость ориентационно разупорядоченных модификаций высока (100 и выше), а упорядоченных — низка (
Рис. в. Структура обычного (1h) льда.
Рис. 7. Парная корреляционная функция gОO межатомных расстояний О. . .О(r) в жидкой иоде (плотность вероятности расстояний r между атомами О).
Эксперим. данные, полученные с помощью рентгеновского структурного анализа, нейтронографии, колебат. спектроскопии, ЯМР, рассеяния света, термодинамич. методов, исследования диэлектрич. релаксации и др., позволяют утверждать, что трёхмерная приближённо тетраэдрич. сетка водородных связей существует и в жидкой В. во всём интервале темп-р и давлений. Это, в частности, следует из анализа парной корреляционной функции расстояний О. . .О (рис. 7), построенной на основании нейтронографич. и рентгенографич. исследований. Положение первого максимума и площадь под ним говорят о том, что каждая молекула в ср. окружена менее чем пятью др. молекулами, находящимися на расстоянии, близком к длине водородной связи, а положение второго максимума (
4,5
Представление о жидкой В. как о трёхмерной тетраэдрич. сетке из связанных друг с другом молекул впервые было высказано Дж. Д. Берналом (J. D. Веrnal) и P. Фаулером (R. G. Fowler) в 1933. Как показали эксперим. данные 70-80-х гг., в жидкой В. реализуется нек-рая случайная тетраэдрич. сетка, отличная от существующих в кристаллич. модификациях льда или в др. тетраэдрич. координированных кристаллич. структурах. Такая концепция наилучшим сбразсм согласуется и с результатами изучения В. теоретич. методами и при помощи численного моделирования на ЭВМ (молекулярной динамики метод и Монте-Карло метод).
Химические свойства воды. Химически чистая В. состоит почти исключительно из молекул H2O. Незначительная доля молекул (при 25 0 C — примерно одна на 5*10 9 ) диссоциирует по схеме
При повышенных темп-pax происходит разложение В. на элементы:
В. взаимодействует со мн. элементами и веществами. Так, при реакции В. с наиб. активными металлами выделяется водород и образуется соответствующая гидроокись. При реакции В. со мн. окислами образуются к-ты или основания. В. гидролизует гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов и др. вещества.
Среди кристаллогидратов особый интерес представляют клатратные гидраты, в к-рых молекулы В,, соединяясь водородными связями друг с другом, образуют трёхмерный каркас, содержащий крупные пустоты, в к-рых размещаются молекулы др. веществ (в т. ч. атомы инертных газов, молекулы углеводородов, CO2, Cl2 и др.). Эти клатратные гидраты можно рассматривать как неустойчивые в свободном состоянии модификации льда, стабилизированные внедрившимися в пустоты химически малоактивными молекулами.
Источник
