38. Вода. Физические и химические свойства воды.

Вода – оксид водорода. Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.

Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т.п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0.7 г хлора на 1 т воды.

Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена. Состав воды (по массе): 11.19% водорода и 88.81% кислорода.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ:

Чистая вода прозрачна и бесцветна. Она не имеет ни запаха, ни вкуса. Многие физические свойства и характер их изменения у чистой воды аномальны. Это относится к температурам плавления и кипения, энтальпиям и энтропиям этих процессов. Аномален и температурный ход изменения плотности воды.

Вода имеет максимальную плотность при +4^оC. Выше и ниже этой температуры плотность воды уменьшается. При отвердевании происходит дальнейшее резкое уменьшение плотности, поэтому объем льда на 10% больше равного по массе объема воды при той же температуре. Все указанные аномалии объясняются структурными изменениями воды, связанными с возникновением и разрушением межмолекулярных водородных связей при изменении температуры и фазовых переходах.

Аномалия плотности воды имеет огромное значение для жизни живых существ, населяющих замерзающие водоемы. Поверхностные слои воды при температуре ниже +4°С не опускаются на дно, поскольку при охлаждении они становятся более легкими. Поэтому верхние слои воды могут затвердевать, в то время как в глубинах водоемов, сохраняется температура +4°С. В этих условиях жизнь продолжается. Если бы плотность льда была больше плотности воды (как у большинства других веществ), все водоемы на Земле постепенно промерзли бы до дна и живые организмы в них погибли бы. Кроме того, получаемой от Солнца теплоты (включая теплое время года) недостаточно для оттаивания всей массы воды, если бы она превратилась в лед.

Вода замерзает при 0°С и кипит при 100°С при давлении 101 325 Па.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью [4.18 Дж/(г∙К)]. Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или переходе от зимы к лету также медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на Земле. С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв их наступает при переходе воды в пар.

М олекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104.5°. Поэтому молекула воды – диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород – отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако, молекулярная масса жидкой воды оказывается более высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т.е. соединение их в более сложные агрегаты.

В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной – из соседнего слоя.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ:

Химические свойства воды во многом определяются ее химическим строением, в частности наличием двух неподеленных электронных пар и значительной полярностью молекул. Вода является весьма реакционноспособным веществом. Она может быть окислителем, функционировать в качестве лиганда в комплексных соединениях.

В воде растворяет ся большинство неорганических кислот, оснований и солей. Из ковалентных водородных соединений в воде хорошо растворяются те, которые подвергаются электролитической ионизации с образованием гидратированных ионов (например, НСl) и способны давать межмолекулярные водородные связи с молекулами воды (например, NH₃). С другой стороны, практически все вещества, с которыми мы имеем дело, содержат следы воды. Например, температуры кипения ртути, брома, этилового спирта и т.п. после тщательного высушивания повышаются на десятки градусов.

Вода является катализатором целого ряда химических процессов. В ее отсутствие многие вещества почти не взаимодействуют химически. Например, после длительного высушивания гремучая смесь не взрывается даже при высокой температуре, угарный газ не горит в кислороде, хлор не действует на металлы, фторид водорода не разъедает стекло, натрий и фосфор не окисляются на воздухе и не реагируют с хлором. Следы воды катализируют также некоторые реакции разложения. В то же время вода иногда затрудняет протекание реакций, а также может выступать как каталитический яд. Так, при синтезе аммиака из элементов на железном катализаторе присутствие в реакционной смеси следов водяного пара отравляет катализатор.

Вода, молекулы которой включают тяжелые изотопы водорода и кислорода, обобщенно называется тяжелой водой. Однако под тяжелой водой прежде всего имеют в виду дейтериевую воду D₂O¹⁶. В природной воде 99,73% приходится на