1.3.Физические и химические свойства 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: 'Н- протий, 2Н- дейтерий и 3Н- тритий и три изотопа кислорода 160, 170 и 180, образующих 9 устойчивых изотопных модификаций молекул воды. В природной воде на долю 1Н216О по массе приходится 99,73%, на долю 1Н218 0- 0,2%, на 1Н217 0 - 0,04% и на
Рис. 1.2 Строение молекулы воды
а- угол между валентными связями 0- Н; б- структура электронного облака;
в- расположение зарядов
1Н2Н160 - около 0,03%; остальные пять разновидностей содержатся в ничтожных количествах. Помня о многообразии состава воды мы тем не менее пользуемся привычной формулой 1Н2160, 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- 0- Н, составляет 1040 27' (рис.2 а). Структура электронного облака молекулы схематично показана на рис. 2б. Две внешние пары электронов, образующих связи 0- Н, смещены к атому кислорода, поэтому вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда. Две не поделенные пары электронов также смещены относительно ядра атома кислорода, и их отрицательные заряды остаются частично не скомпенсированными. Условно можно представить, что лепестки электронного облака направлены к вершинам частично искаженного тетраэдра, что иллюстрируется рис. 1.2 в.
Ассиметричность распределения электрических зарядов обусловливает ярко выраженные полярные свойства молекулы воды, которая представляет собой диполь с очень высоким электрическим моментом.
Измерения молекулярной массы жидкой воды показали, что она выше молекулярной массы воды в парообразном состоянии; это свидетельствует об ассоциации молекул объединении их в сложные агрегаты. Вследствие тетраэдрической направленности электронного облака каждая молекула воды может образовать четыре водородные связи, которые обусловливают ассоциацию молекул воды и способствуют возникновению ее упорядоченной внутренней структуры.
Водородные связи непрочны, легко разрушаются и образуются даже при обычных тепловых движениях молекул. Полностью все четыре водородные связи реализуются при замерзании. воды. В твердом состоянии каждая молекула тетраэдрически окружена четырьмя другими- тремя из того же слоя и одной их соседнего слоя молекул. .
Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда показана, на рис. 1.3. Структура льда является наиболее упорядоченной и наименее плотной. Ее особенность заключается в наличии пустот, размеры которых превышают размеры молекул.
Рис. 1.3. Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда
1- кислород; 2- водород; 3- хими-ческие связи; 4- водородные связи
О - 1; о - 2; — -3; - - - - 4
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:
кипения ………………………………………………………..100С
замерзания, плавления …………………………………..…….0С
Плотность при температуре, С:
0 ……………………………………………………..……………0,99984 г/см3
3,98 …………………………………………………..…………..1,000 г/см3
20 …………………………………………………………………0,9982 г/см3
Удельная теплоемкость воды при 20С ……………….…. ………..4,178 Дж/(г.К)
Вязкость при температуре, С :
0 ……………………………………………………….………….0,001793 Пас
25…………………………………………………….……………0,000895 Пас
Удельная электрическая проводимость при 20С ………………..4,2106 ом/м
Относительная диэлектрическая постоянная при 20С…………81
Поверхностное натяжение при 18С ……………………………….7310-3 Н/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 оС (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 в 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
Н2О = Н+ + ОН .( 1.0)
По величине электропроводимости чистой воды вычислено, что при температуре 180 С в 10 млн. л. воды в диссоциированном состоянии находится 0,8б моля воды, при 220 С - 1 моль, при 250 С- 1,109 моля.
По закону Гульберга и Вааге скорость химической реакции прямо пропорциональна действующим массам, т.е. концентрациям реагирующих веществ. Поэтому можно написать
1 = К1 [ Н2О ]; 2 = К2 [ Н+ ] [ ОН] ( 1.0)
где 1 и 2- скорости прямой и обратной реакций;
К1 и K2 - коэффициенты пропорциональности в выражениях скоростей, называемые константами реакций.
В момент равновесия процесса скорости v1 и v2 равны друг другу, следовательно
[ Н+ ] [ ОН ] / [ Н2О ]= К1 / К2 = К ( 1.0)
где К - константа равновесия реакции при данной температуре, или константа диссоциации воды.
Уравнение (1.3) можно переписать в таком виде:
[ Н+ ] [ ОН ] = К [ Н2О ] ( 1.0)
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 К [ Н2О ] можно считать константой. Эту константу обозначают KW и называют ионным произведением воды.
KW =[ Н+ ] [ ОН ], ( 1.0)
Для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксил-ионов есть величина постоянная. Численное значение ионном произведения воды при 220 С составляет 10- 14.
Вода - весьма реакционноспособное соединение. Она реагирует с оксидами многих металлов (Nа2 О, СаО и др.) и неметаллов (СI02, С02 и др.), образует кристаллогидраты с некоторыми солями [AI2 (SO4)318H2O], вступает во взаимодействие с активными металлами (Nа, 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.
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 спосо5ность 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.
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 СаS04 2Н2О, Са(ОН)2, при повышении температуры снижается.
При взаимном растворении жидкостей, одной из которых является вода, возможны различные случаи. Например, спирт и вода смешиваются друг с другим 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 680 С приводит к неограниченной взаимной растворимости.
Газы (например, NН3, СО2, SО2) 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, 0 С …………………….. 0 10 20 30
Концентрация О2 , мг/л …………………. 14,62 11,33 9,17 7,63
Следует отметить, что растворимость кислорода в воде почти в 2 раза выше, чем растворимость азота. Вследствие этого состав растворенном в воде водоемов или очистных сооружений воздуха отличается от атмосферного. Растворенный воздух обогащен кислородом, что очень важно для организмов, обитающих в водной среде.