Вода обладает химическим свойством

Вода: строение и свойства

Вода — строение молекулы, химические и физические свойства. Взаимодействие с простыми веществами (металлами и неметаллами), и со сложными веществами.

Физические свойства

Молекулы воды связаны водородными связями: nH₂O = (Н₂O)_n, поэтому вода жидкая в отличие от ее газообразных аналогов H₂S, H₂Se и Н₂Те.

Химические свойства

1. Вода реагирует с металлами и неметаллами .

1.1. С активными металлами вода реагирует при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода :

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

• с магнием реагирует при кипячении:

• алюминий не реагирует с водой, так как покрыт оксидной плёнкой. Алюминий, очищенный от оксидной плёнки, взаимодействует с водой, образуя гидроксид:

• металлы, расположенные в ряду активности от Al до Н , реагируют с водяным паром при высокой температуре, образуя оксиды и водород:

• металлы, расположенные в ряду активности от после Н , не реагируют с водой:

Ag + Н₂O ≠

2. Вода реагирует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов , образуя щелочи (с оксидом магния – при кипячении):

3. Вода взаимодействует с кислотными оксидами (кроме SiO₂):

4. Некоторые соли реагируют с с водой. Как правило, в таблице растворимости такие соли отмечены прочерком :

Например , сульфид алюминия разлагается водой:

5. Бинарные соединения металлов и неметаллов , которые не являются кислотами и основаниями, разлагаются водой.

Например , фосфид кальция разлагается водой:

6. Бинарные соединения неметаллов также гидролизуются водой.

Например , фосфид хлора (V) разлагается водой:

6. Некоторые органические вещества гидролизуются водой или вступают в реакции присоединения с водой (алкены, алкины, алкадиены, сложные эфиры и др.).

Источник

Лекция. Химические и физические свойства природных вод

Сайт:	Дистанционное образование Казанского федерального университета
Курс:	Гидрология
Книга:	Лекция. Химические и физические свойства природных вод

Напечатано::	Гость
Дата:	Четверг, 21 октября 2021, 11:12

Оглавление

1. 1. ВОДА КАК ВЕЩЕСТВО, ЕЕ МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА И ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ

Вода — это простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом. По своей химической природе—это оксид (окись) водорода Н₂О. В чистом виде вода — вещество бесцветное, не имеющее ни вкуса, ни запаха.

Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобедренный треугольник с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине.

Атом кислорода в молекуле воды присоединяет к себе два элек­трона, отнятых от атомов водорода, и тем самым приобретает от­рицательный заряд.

Оба атома водорода , лишенные электронов, становятся положительно заряженными протонами. Молекула воды поэтому образует электрический диполь.

Полярное строение воды и возникающее в воде электрическое поле обусловливают большую диэлектрическую проницаемость воды— величину, показывающую, во сколько раз силы взаимодей­ствия электрических зарядов уменьшаются в воде по сравнению с силами их взаи­модействия в вакууме. Высокая диэлектрическая проницаемость воды предопределяет большую ее ионизирующую способность, т. е. способность расщеплять молекулы других веществ, что обусловливает сильное растворяющее действие воды.

Переход от полностью упорядоченной рыхлой молекулярной структуры, свойственной льду, к более плотной структуре, свойственной воде в жидком состоянии, не происходит мгновенно в процессе плавления льда, а продолжается и в жидкой воде.

При повышении температуры наряду с упомянутым уплотнением «упа­ковки» молекул происходит и свойственное всем веществам увели­чение объема воды вследствие роста интенсивности теплового дви­жения молекул. В диапазоне повышения температуры от 0 до 4 °С преобладает процесс уплотнения воды, при тем­пературе выше 4°С — тепловое расширение , поэтому вода обладает «аномальным» свойством — наибольшей плотностью не при температуре плавления, а при 4°С.

Водород и кислород имеют несколько природных изотопов:

1 Н — «обычный» водород),

2 Н — «тяжелый» водород, или дейте­рий),

3 Н — радиоактивный «сверхтяжелый» водород, или три­тий).

16 О, 17 О, 18 О. Поэтому и сама вода имеет переменный изотопный состав.

Природная вода — это смесь вод разного изотопногосостава.

Наиболее распространена вода, состоящая из изотопов 1 Н и 16 О – «обычная» вода, доля других изотопных видов воды ничтожна — менее 0,27 %. Приведенные в дальнейшем сведения относятся только к «обычной» воде.

Одна из главных причин, приводящих к различию изотопного состава природных вод,— процесс испарения.

В результате испарения происходит некоторое обогащение воды более тяжелыми изотопами, а в результате конденсации — более легкими.

Поэтому поверхност­ные воды, формирующиеся атмосферными осадками, содержат «тяжелого» водорода ( 3 Н) и «тяжелого» кислорода ( 18 О) меньше, чем океанические воды.

Воду с изотопным составом ‘Н₂ 16 О называют «обычной» водой и обозначают просто Н₂О, остальные виды воды (кроме 3 Н₂О) на­зывают «тяжелой» водой. Иногда «тяжелой» водой считают лишь дейтериевую воду 2 Н₂О (или О₂О). Вода с изотопным составом 3 Н₂О (или Т₂О) — так называемая «сверхтяжелая» вода. Ее на Земле находится всего 13—20 кг.

2. 2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД

Вода — слабый электролит, диссоциирующий по уравнению:

Уравнение характеризует так называемое ионное равновесие воды. Состояние ионного равновесия природных вод отражает водородный показатель рН.

Благодаря особенностям молекулярного строения вода обладает свойством хорошо растворять различные химические вещества. Природная вода представляет собой слабый раствор.

В воде хорошо растворяются: соли, газы, биогенные вещества, микроэлементы.

Суммарное содержание в воде растворенных неорганических веществ (концентрация солей) выражают в виде минерализации М(мг\л, г\л), либо в относительных единицах (%, ‰).

Содер­жание растворенных в воде веществ в г/кг или в промилле (%о) называется соленостью воды

По содержанию солей (минерализации или солености) природ­ные воды подразделяют на четыре группы:

Минерализация природных вод разного типа может изменяться в довольно широких пределах: от 0,01 г/л в атмосферных осадках до 600 г/л в рассолах.

К числу главных ионов солей, находящихся в природных водах, относятся: 1. Отрицательно заряженные ионы (анионы):

2. Положительно заряженные ионы (катионы) :

кальция Са 2+ , магния Ме 2+ , натрия Ка + и калия К + .

Все природные воды делятся по преобладающему аниону на три класса: гидрокарбонатный, сульфатный и хлоридный;

по пре­обладающему катиону на три группы: кальциевую, магниевую, натриевую.

Природные воды различного происхождения обычно имеют и различный солевой состав и относятся соответственно к разным классам и группам.

Речные воды , как правило, относятся к гидрокарбонатному классу и кальциевой группе.

Подземные воды нередко относятся к сульфатному классу и магниевой группе.

Воды океанов и морей при­надлежат к хлоридному классу и натриевой группе.

Сумма концентрации наиболее распространенных двухвалент­ных катионов Са 2+ и Мg 2+ называется общей жесткостью воды.

По­вышенная жесткость обусловлена растворением в воде горных пород, содержащих карбонаты и сульфаты кальция и магния.

Наиболее распространенные газы, растворенные в природных водах,— это кислород О₂, азот N₃, диоксид углерода С0₂, сероводо­род Н₂S.

Газы хорошо растворяются в воде, если способны вступать с ней в химические связи. К таким газам относятся: аммиак NН₃, сероводород Н₂S, сернистый газ SО₂, диоксид (двуокись) углерода, или углекислый газ СО₂, и др.).

Прочие газы мало растворимы в воде.

При понижении дав­ления, повышении температуры и увеличении солености раствори­мость газов в воде уменьшается.

Источниками поступления газов в воду служат:

— жизнедеятельность растений (О₂),

— разложение органического вещества (СО₂, СН_4э Н₂5).

На практике нередко пользуются относительной характеристи­кой содержания в воде растворенных газов — процентом насыще­ния (А) — отношение фактического содержания газа (Ф) к равновесной концентрации (Р) в воде при данной температуре.

где Ф — фактическое содер­жание газа,

Р — его равновесная концентрация в воде при данной температуре.

Если фактическое содержание газа в поверхностном слое воды больше равновесной концентрации и величина А >100 %, то происходит выделение газа в атмосферу.

Если вода не насыщена газом и А радиоактивные вещества естественного (калий 40 К, рубидий 87 Rb, уран 258 U), радий 226 Rа и др.) и антропогенного (стронций 90 Sr, цезий 137 Сsи др.) или смешанного происхождения.

Таким образом, содержащиеся в растворенном состоянии в воде ионы солей, газы, биогенные и органические вещества, микроэле­менты различаются как по концентрации, так и по роли в физи­ческих, химических и биологических процессах в водной среде.

Особую категорию содержащихся в воде соединений составля­ют так называемые загрязняющие вещества (3В), оказывающие вред­ное воздействие на живую природу и жизнедеятельность человека.

Это прежде всего нефтепродукты, ядохимикаты (пестициды, гербициды), удобрения, моющие средства (детергенты), некоторые микроэлементы (очень токсичны тяжелые металлы — ртуть, свинеци кадмий), радиоактивные вещества.

Большая часть загрязняющих веществ имеет антропогенное происхождение, хотя существуют и естественные источники загрязнения природных вод.

Особенности химического (и биологического) состава природ­ных вод вместе с некоторыми их физическими свойствами, о которых речь пойдет ниже, часто объединяются в понятие «качество воды», при этом обычно имеют в виду пригодность вод для какого-либо использования.

Поэтому качество воды — характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретного водопользования.

3. 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Агрегатные состояния воды и фазовые переходы

Вода может находиться в трех агрегатных состояниях, или фазах,—

жидком (собственно вода),

газообразном (водяной пар).

Очень важно, что при реально существующих на Земле диапазонах атмосферного давления и температуры вода может находиться одновременно в разных агрегатных состояниях. В этом отношении вода существенно отличается от других физических веществ, находящихся в естественных условиях преимущественно либо в твердом (минералы, металлы), либо в газообразном (О₂, Н₂, СО₂ и т. д.) состоянии.

Изменения агрегатного состояния вещества называют фазовыми переходами. В этих случаях свойства вещества (например, плотность) скачкообразно изменяются. Фазовые переходы сопровождаются выделением или поглощением энергии, называемой теплотой фазового перехода («скрытой теплотой»).

При давлении 610 Па и температуре 0,01 °С вода одновременно находится во всех трех агрегатных состояниях.

При нормальном атмосферном давлении (1,013 10 5 Па= 1,013 бар = 1 атм = 760 мм рт. ст.)

t замерзания воды (плавления льда) = 0 0 С

tкипения (конденсации) = 100 °С.

Температура замерзания и температура кипения воды зависят от давления.

1 амт=670 мм – от 0 до 0,01 0 С

2200 атм — -22 0 С

Последнее означает, что лед в нижней части толщи ледника, находящийся под давлением, может таять даже при небольшой отрицательной температуре.

При дальнейшем увеличении давления — быстро возрастает.

На максимальных глубинах в океане (около11 км) давление превышает 10 8 Па (увеличение глубины на каждые 10 м увеличивает давление приблизительно на 10 Па). При таком давлении температура замерзания пресной воды была бы около -12 °С.

На снижение температуры замерзания воды оказывает влияние ее соленость Увеличение солености на каждые 10 ‰при атмосферном давлении снижаетприблизительно на 0,54°С.

Температура кипения с уменьшением давления снижается, поэтому на больших высотах в горах вода кипит при температуре ниже, чем 100 °С.

При росте давления tкип. возрастает до так называемой «критической точки»

при Р = 2.2 10 -7 Па tкип. = 374 0 С

вода одновременно имеет свойства и жидкости и газа

Плотность — главнейшая физическая характеристика любого ве­щества. Она представляет собой массу однородного вещества, при­ходящуюся на единицу его объема:

Плотность воды, как и других веществ, зависит, прежде всего, от температуры и давления (а для природных вод — еще и от содержания растворенных и тонкодисперсных взвешенных веществ) и скачкообразно изменяется при фазовых переходах.

При повышении температуры плотность воды, как и любого другого вещества, в большей части диапазона изменения температуры уменьшается (т.к. увеличивается расстояния между молекулами при росте температуры). Эта законо­мерность нарушается лишь при плавлении льда и при нагревании воды в диапазоне от 0 до 4°С (точнее 3,98 °С). Здесь отмечаются еще две очень важные «аномалии» воды:

1) плотность воды в твер­дом состоянии (лед) меньше, чем в жидком (вода), чего нет у подавляющего большинства других веществ,

2) в диапазоне тем­пературы воды от 0 до 4 °С плотность воды с повышением темпе­ратуры не уменьшается, а увеличивается .

Эти две «аномалии» воды имеют огромное гидрологи­ческое значение: лед легче воды и поэтому «плавает» на ее поверхности; водоемы обычно не промерзают до дна, так как охлаж­денная до температуры ниже 4 °С пресная вода становится менее плотной и поэтому остается в поверхностном слое.

Плотность воды изменяется также в зависимости от содержания в ней растворенных веществ (солености) и увеличивается с ростом солености.

Увеличение солености на каж­дые 10 ‰ снижает температуру наибольшей плотности прибли­зительно на 2 °С.

Соотношения между температурами наибольшей плотности и замерзания влияют на характер процесса охлаждения воды и вер­тикальной конвекции — перемешивания, обусловленного различия­ми в плотности. Охлаждение воды в результате теплообмена с воз­духом приводит к увеличению плотности воды и, соответственно, к опусканию более плотной воды вниз. На ее место поднимаются более теплые и менее плотные воды. Происходит процесс верти­кальной плотностной конвекции.

Таким образом, в пресных или солоноватых водах зимой в придонных горизонтах температура воды оказывается выше, чем на поверхности и всегда выше тем­пературы замерзания.

Это обстоятельство имеет огромное значение для сохранения жизни в водоемах на глубинах. Если бы у воды температуры наибольшей плотности и замерзания совпадали бы, как у всех других жидкостей, то водоемы могли промерзать до дна, что привело бы к неизбежной гибели большинства организмов.

Аномальное изменение плотности воды при изменении темпе­ратуры влечет за собой такое же «аномальное» изменение объема воды :

— с возрастанием температуры от 0 до 4 °С объем химически чистой воды уменьшается, и лишь при дальнейшем повышении температуры — увеличивается;

— объем льда всегда заметно больше объема той же массы воды (вспомним, как лопаются трубы при замерзании воды).

Некоторое влияние на плотность воды оказывает также давление. Сжимаемость воды очень мала, но она на больших глубинах в океане все же сказывается на плотности воды. На каждые 1000 м глубины плотность вследствие влияния давления столба воды воз­растает на 4,5—4,9 кг/м 3 .

Если бы вода была совершенно несжимаемой, уровень Мирового океана стоял бы на 30 м выше, чем в действительности.

Тепловые свойства воды

К важным особенностям изменения агрегатного состояния воды или так называемых фазовых переходов относятся большая затрата теплоты на плавление, испарение, кипение, возгонкуи большое выделение теплоты при обратных переходах.

В сравне­нии с другими веществами удельная теплота плавления льда и удельная теплота парообразования аномально высоки. Они пред­ставляют две очередные «аномалии» воды.

Удельная теплота плавления пресного льда L_пл– количество теп­лоты, затрачиваемое при превращении единицы массы льда при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении в воду = 333 000 Дж/кг.

Столько же теплоты выделяется при замерза­нии (кристаллизации)

химически чистой воды.

Удельная теплота парообразования (испарения) L_ИСП — количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар (в Дж/кг)) зависит от температуры:

При 0 и 100 °С 1_ИСП равны соответственно 2,510 6 и 2,26х х 10 6 Дж/кг.

Столько же теплоты выделяется при конденсации водяного пара.

Удельная теплота испарения льда (возгонки) складывается из удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения:

Для нагревания воды вне точек фазовых переходов необходи­мо затратить большое количество теплоты.

Удельная теплоемкость воды — количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы воды на один градус.

Удельная теплоемкость также аномально высока по сравнению с теплоемкостью других жидкостей и твердых веществ.

Удельная теплоемкость воды при постоянном давлении, при 15 °С

С увеличением содержания в воде солей удельная теплоемкость воды слабо уменьшается. Поэтому теплоемкость морской воды немного меньше, чем пресной.

Отмечается также небольшое умень­шение удельной теплоемкости воды с увеличением давления, что также имеет некоторое значение для тепловых процессов в толще океана.

Таким образом, отмеченные аномальные особенности тепловых свойств воды способствуют теплорегуляции процессов на Земле. При меньших значениях t_пл, t_исп поверхность Земли нагрева­лась бы и охлаждалась гораздо быстрее, возрос бы и диапазон изменения температуры. В таких условиях вся вода на Земле то замерзала бы, то испарялась, гидросфера имела бы совсем иные свойства, а жизнь в таких условиях вряд ли была бы возможна.

Из других тепловых свойств воды важное значение имеет тепло­проводность.

Молекулярная теплопроводность воды очень мала, меньшую молекулярную теплопроводность имеет лишь воздух.

Малая теплопроводность воды способствует ее медленному нагреванию и охлаждению.

Снег предохраняет почву, а лед — водо­емы от промерзания.

Передача теплоты в воде рек, озер и морей происходит в основном благодаря турбулентной (при динамиче­ском перемешивании), а не молекулярной теплопроводности.

Некоторые другие физические свойства воды

Молекулярная вязкость воды (внутреннее трение).

Источник