Поскольку число молей n может быть рассчитано по формуле

n=т/М, где

т – масса растворенного вещества, г;

М – молярная масса растворенного вещества, г/моль (не путать с М – молярностью), то

M = , моль/л.

5. Массовая концентрация (плотность, , кг/м³, г/л) – отношение массы растворенного вещества к объему раствора.

 = m/V, кг/м³; г/л.

m – масса вещества, г, кг;

V – объем раствора, л, м³.

8.1.2. Физико-химические свойства воды

Важнейшее химическое вещество на Земле – это вода. Именно в водных растворах протекает большая часть химических реакций. Воде посвящено большое число исследований, но многие ее свойства и характеристики до сих пор не получили полного объяснения.

Общая масса воды на Земле оценивается в 210¹⁸ тонн. В океанах и морях сосредоточено 3/5 этого количества. Всего 2 % воды – пресные воды. Из них использовать человек может только одну сотую часть, т.к. остальная пресная вода недоступна (ледники, айсберги и т.п.).

Считается, что первым описал способность воды находиться в трех агрегатных состояниях греческий ученый Фалес из Милета (600 лет до н.э.).

Фазовые переходы воды:

конденсация кристаллизация

газ (пар) ⇄ жидкость ⇄ твердое вещество (лед)

испарение плавление

Конденсация и кристаллизация идут с выделением тепла (Н < 0), испарение и плавление – с поглощением тепла (Н > 0). С поглощением тепла протекает и еще один фазовый переход – возгонка (сублимация) – переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость.

Алхимики считали воду простым веществом, единым и неделимым. Однако в XVII веке Пьер-Жозеф Макёр при сгорании водорода получил воду, но побоялся казаться смешным и обошел этот факт, утверждая, что вода – простое вещество.

В июне 1783 года французские ученые Лавуазье и Лаплас синтезировали воду из водорода и кислорода, а затем осуществили и обратный процесс – разложение воды на водород и кислород. Так было доказано, что вода – сложное вещество.

Точный состав воды определил в 1785 году английский химик Генри Кавендиш. В формуле Н₂О  11,19 % водорода и 88,81 % кислорода. Были установлены и основные характеристики воды: температура кипения 100⁰С, температура замерзания 0⁰С.

Аномальные свойства воды

1. Изменение плотности с температурой.

Вода – одно из немногих веществ, у которых твердая фаза (для воды – лед) имеет плотность меньше, чем жидкость. Так, при 0⁰С плотность льда составляет 0,92 г/мл, при увеличении температуры плотность растет, и максимальную плотность имеет вода при 4⁰С – 1 г/мл. При дальнейшем увеличении температуры плотность вновь уменьшается.

Лед легче воды, что защищает глубоководные водоемы от полного замерзания.

Свойство увеличивать свой объем при затвердевании характерно для небольшого числа веществ: чугуна, кремния, германия, сурьмы, галлия и висмута.

2. Высокая теплота плавления льда.

Теплота плавления льда 393,7 кДж/кг. Немногие вещества имеют теплоту плавления больше 200 кДж/кг. Это, например, лед, медь, железо, алюминий и хлорид натрия.

На таяние воды необходимы большие тепловые затраты. Это свойство можно рассматривать как положительное огнетушащее свойство воды. Оно же оберегает планету от наводнений: таяние льда происходит постепенно.

В быту мы используем это свойство, бросая кусочки льда в стакан с водой. На таяние льда затрачивается теплота, и жидкость охлаждается.

3. Высокая теплота испарения воды.

Вода обладает самым высоким значением теплоты испарения  2254 кДж/кг. И опять лишь несколько веществ имеют значение теплоты испарения больше 400 кДж/моль. Это – пиридин, анилин, серная кислота, ацетон, этанол, метанол и сама вода.

На испарение воды тепла затрачивается в несколько раз больше, чем на плавление льда. Это свойство определяет сохранение воды на Земле за счет медленного испарения.

Безусловно, высокая теплота испарения – положительное огнетушащее свойство.

4. Высокая удельная теплоемкость.

Удельная теплоемкость – величина, показывающая какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг воды на 1⁰. Для воды эта величина составляет С_р = 4,18 кДж/кгК.

Это свойство обусловливает отсутствие резкого перепада зимних и летних температур, а также дневных и ночных. При нагревании воды из зоны горения “забирается” большое количество тепла, что тоже является положительным огнетушащим свойством воды.

Интересно, что минимальное значение теплоемкости воды при  37⁰С (температуре внутри тела человека).

5. Высокое поверхностное натяжение.

Вода имеет второе по величине поверхностное натяжение (самое высокое – у ртути (Нg) = 0,48 Дж/м²):

(Н₂О) = 710⁻² Дж/м².

Это – одно из немногих отрицательных свойств воды как огнетушащего вещества. Из-за него вода плохо проникает в пористые материалы, что существенно снижает эффективность тушения. Устраняют этот недостаток добавлением к воде поверхностно-активных веществ (см. темы 12,19).

6. Высокая температура кипения.

Вещества – аналоги воды, молекулы которых по химическому составу похожи на воду,  H₂S, H₂Se, H₂Te при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Их температуры кипения составляют соответственно 61⁰С для H₂S; 42⁰С для H₂Se; 4⁰С для H₂Тe.

Казалось бы, вода также должна быть при обычных условиях газообразной и иметь температуру кипения 70⁰С. Однако за счет относительно прочных водородных связей температура кипения воды намного превышает ожидаемую и составляет +100⁰С!

Наличием водородных связей объясняется и высокая теплоемкость воды. С увеличением температуры водородные связи не разрываются, а изгибаются.

Вода – чрезвычайно активное вещество. Она является хорошим растворителем для огромного числа веществ. Так в морской воде найдены 80 элементов Периодической системы.

Из-за того, что некоторые реакции с участием воды протекают с выделением большого количества тепла, для тушения ряда веществ нельзя использовать воду как огнетушащее вещество.

1. Щелочные и щелочноземельные металлы.

2Na + 2H₂O  2NaOH + H₂ + Q

2. Оксид кальция (негашеная известь).

СаО + Н₂О  Са(ОН)₂ + Q

В этой реакции горючих веществ нет, но выделяющееся тепло может вызвать воспламенение находящихся рядом горючих материалов.

3. Карбиды металлов, например, карбид кальция.

СаС₂ + Н₂О  С₂Н₂ + Са(ОН)₂ + Q

В этой реакции выделяется чрезвычайно горючий газ ацетилен.

4. Разложение воды при высокой температуре (> 2000⁰С).

2Н₂О ⇄ 2Н₂ + О₂ – Q