книги / Неорганическая химия

Глава X

ВОДА. ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА

1. ВОДА. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Роль и значение воды в природе Вода Н20 — простейшее хи­ мическое соединение водорода о кислородом. Бесцветная жидкость, уд. вес. при 4°С равен 1, т. пл. при нормальном давлении 0°, т. кип. 100°С. Вода — главная составная часть гидросферы (водя­ ной оболочки земного шара). В виде водяного пара она содержится в воздухе, находится в почве, входит в состав минералов, горных пород, является непременной частью всех живых организмов, жизнедеятельность которых, без воды невозможна.

Вода играет огромную роль в геологических процессах. Любой животный и растительный организм содержит воду. В среднем из общего веса животных на долю воды приходится до 60%, рыб — до 80%. Содержание воды в некоторых растениях, достигает 90%.

Значение воды в биологических процессах, протекающих в жи­ вом организме, настолько велико, что его трудно переоценить. Процессы пищеварения, усвоения пищи, создание вещества в клет­ ках организма совершаются только в жидкой водной среде. Вода поступает в организм с пищей и в виде питья. Поэтому вполне понятно, что количество потребляемой воды имеет исключитель­ ное значение для нормальной жизни любого организма.

Известно, что без пищи человек может прожить в течение 3—Л недель, а без воды лишь несколько дней, причем суточная потреб­ ность человека в воде 2,5—4 л.

Растения потребляют воды во много раз больше, чем вес обра­

Для этого разрабатывают различные системы земледелия с учетом зональных особенностей, проводят специальные мероприятия по накоплению воды в почве. Особая роль в этом принадлежит ирри­ гации.

Вода повсюду находит себе применение. В промышленности она служит переносчиком тепла. Вода используется как дешевый источник энергии для работы гидроэлектростанций. В химической промышленности воду в огромных масштабах используют в каче­ стве хорошего растворителя многих веществ.

Велико влияние воды на те изменения, которые претерпевала и продолжает претерпевать наша планета.

Общее количество воды на земном шаре огромно и составляет примерно 1 370 323 тыс. км9. Около 71% поверхности Земли по­ крыто реками, озерами, морями и океанами.

Виды воды. В природе происходит непрерывный круговорот воды, поэтому она всегда содержит то или иное количество раство­ римых веществ, главным образом солей. Совершенно чистой воды в природе не существует.

Д о ж д е в а я в о д а — это наиболее чистая вода, но и она содержит некоторое количество^ растворенных веществ. В 1 л дож­ девой воды при 4-150С растворено около 25 мл воздуха', обогащен-^ ного кислородом.

В о д а - р е к и о з е р содержит больше растворенных ве­ ществ, однако количество их значительно разнится. Так, в 1 л воды р. Невы их содержится около 0,057 г, Днепра — 0,187 г, Аму-Дарьи — 0,5 г, а в воде Нила — 1,58 г.

Речная вода содержит также нерастворимые взвешенные ча­ стички ила, количество которых колеблется в зависимости от ха­ рактера течения реки и времени года. Во время весенних паводков иловатых частиц бывает максимальное^ количество. Речной ил со­ держит значительное количество органических веществ, которые являются.^хорошим1удобрением, поэтому почвы пойм рек, где он

жится от 8 до’ 39 г растворимых веществ; Вода океанов по своему составу наиболее постоянна и в 1 л ее содержится от 33 До 39 г растворенных веществ, в том числе около 24 г поваренной соли.

П о д з е м н ы е в о д ы подразделяют на почвенные, трунтовые и глубинные. Проникая через толщу земной коры, эти воды встречают на своем пути различные вещества и растворяют их. При выходе на поверхность такие воды иногда содержат вещества целебного действия и поэтому называются ц е л е б н ы м и. В це­ лебных, или минеральных, водах содержится от 0,1 до 5% раст­ воренных солей.

Круговорот воды в природе. В атмосферу вода поступает в ви­ де водяного пара, в результате ее испарения с поверхности морей, озер, рек, океанов, снегового и ледяного покровов. Кроме того,

большие количества воды поступают в воздух в результате жизнеде­ ятельности животных и растений, а также различных процессов, протекающих в неживой природе (извержение вулканов, гейзеров и др.).

Огромные массы водяного пара в холодных слоях атмосферы конденсируются и образуют туманы и облака. Отсюда вода в виде различных осадков выпадает на поверхность Земли, проникает в

стилляторах (рис. 47). В них воду доводят до кипения; образую­ щиеся пары пропускают через холодильник, где они сгущаются в воду. Из холодильника дистиллированная вода поступает в при­ емник.

Дистиллированная вода является сравнительно чистым вещест­ вом, которому присущи постоянные физические и химические свой­ ства. Она применяется для проведения химических операций в ла­ бораториях, в промышленности* В медицинской практике ее ис­ пользуют для приготовления лекарств. Однако и она не абсолют­ но чистая. Ее электропроводность обусловливается растворенны­ ми в ней газами из воздуха (С02, МН3, Н23, 3 0 2 и др.).

В настоящее время практически нацело удаляют соли из воды с помощью ионообменников (ионитов). В качестве ионитов служат пермутит (алюмосиликат натрия) и различные искусственные ионо­ обменные смолы. Воду пропускают через колонки, заполненные смо­ лами. Смолы, которые адсорбируют катионы, называются катиони­ тами, а те, которые адсорбируют анионы, называются анионитами.

- Питьевую воду, поступающую после фильтрации в водопровод­ ную сеть, дезинфицируют, в частности хлорируют...

Жесткость воды. Наличие растворенных солей в воде обуслов­ ливает ее жесткость, которая в основном зависит от количества солей магния и кальция. Жесткая вода непригодна для техниче­ ских целей, а также для мытья, стирки и приготовления пищи. В паровых котлах жесткая вода быстро образует накипь. В жест­ кой воде овощи и мясо плохо развариваются, мыло свертывается, так как образуются нерастворимые в воде соединения.кальция и магния, препятствующие образованию пены. Различают постоян­ ную и временную, или устранимую, жесткость.

В р е м е н н у ю ж е с т к о с т ь воде придают кислые угле­ кислые соли кальция Са(НС03)2 и магния М§(НС03)2. Временной она называется потому, что ее можно устранить кипячением. При этом кислые соли — бикарбонаты — превращаются в нераство­ римые средние карбонаты и выпадают в осадок (накипь):

Са (НС03)2 = СаС03 И - Н 20 + С02; Мб (НС03)2 = МбС 03 { + Н20 + СО*

Постоянную жесткость воде придают соли, которые при кипя­ чении не выпадают в осадок. Это в первую очередь сульфаты каль­ ция и магния. Уменьшают жесткость воды, добавляя к ней неболь­ шое количество соды:

Са504 + Ыа2С 03= | СаС03 Ыа^О*.

Как видно из уравнения реакции, прибавление соды приводит к образованию осадков карбонатов тех катионов, которые обусло­ вливали постоянную жесткость воды.

Кроме содово-известкового способа, уменьшают жесткость воды добавлением к ней так называемых антинакипинов, например, фосфата натрия Ыа3Р04. Последний переводит ионы кальция и магния в осадок:

ЗСа (НС03)2 + 2Ыа3Р 04 = [ Са3 (РО^ + 6ЫаНС03.

Применяют в качестве антинакипинов и различные органические коллоидные вещества.

В технике принято жесткость воды выражать в миллиграмм-эк­ вивалентах (мг-экв) ионов кальция и магния на 1 л воды; 1 мг-экв жесткости отвечает содержанию 20,04 мг Са или 12,16 мг М§ на 1 л воды. Если, например, концентрация ионов Са" в воде 100мг/л, то ее жесткость будет: 100 : 20,04 = Ъмг-экв!л. Принято считать мягкой воду с жесткостью 1,5—3 мг-экв!л; среднежесткой—3—6,5 мг-экв!л\ жесткой 6,5— И мг-экв!л\ очень жесткой — больше 11 мг-экв!л.

Физические свойства воды. Чистая вода не имеет запаха. В тонком слое она бесцветна, а при толщине слоя свыше 2 м при­ обретает голубой цвет. 'Обычно нагревание уменьшает плотность жидкости, а охлаждение увеличивает. Вода же ведет себя иначе,

+121°С, при 10 атм -Ь180°С, при 84,8 сшил -1- 300°С. В вакууме (0,012 атм) т. кип. воды -И0°О. На высоте 5 170 м над уровнем моря вода закипает при +82,9°0.

Диаграмма состояния воды

Вещество или совокупность веществ, обособленных от окружа­ ющей среды, называют системой. Различают гомогенные (одно­ родные) и гетерогенные (неоднородные) системы. К гомогенным системам относятся однородные по составу и внутренней структу­ ре агрегаты: вода, растворы, смесь газов и др.

Г е т е р о г е н н ы е с и с т е м ы состоят из двух и более однородных частей, отличающихся своими свойствами и отделен­ ных друг от друга поверхностями раздела. Однородные части си­ стемы, отделенные от других частей поверхностью раздела и обла­ дающие одинаковым химическим составом и свойствами, называют­ ся фазами.

К гетерогенным системам относятся смеси нескольких твердых веществ, твердого вещества и жидкости, твердого вещества и газа и т. п. Следовательно, гомогенная система — однофазная, а гете­ рогенная — многофазная.

Вода может быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твер­ дом (лед) и газообразном (пар). Вода из одного агрегатного со­ стояния в любое другое может при определенном давлении и тем­ пературе переходить непосредственно. Так, жидкая вода может превратиться и в лед и в пар; лед может таять, а также испаряться.

Давление паров надо льдом и над переохлажденной водой при той же температуре неодинаково:

При 0° давление пара надо льдом равно давлению пара над во­ дой — вода и лед находятся в динамическом равновесии. Равно­ весие можно сместить, изменяя давление, так как объем льда боль­ ше объема соответствующего количества воды. Согласно принципу Ле-Шателье (см. стр. 195), с увеличением давления это равновесие сдвинется влево, а с уменьшением — вправо. Опыт подтверждает это положение, так как при увеличении давления температура плавления льда понижается. Например, при увеличении давления

на каждые 130 атм температура замерзания воды снижается при­ мерно на 1°. Однако при давлении выше 2000 атм температура плавления льда повышается. Так, лед, образованный при 20766 атм, тает при +76°С и поэтому называется горячим.

Лед, вода и пар, находящиеся в равновесии друг с другом, образуют гетерогенную систему. Фазами здесь будут: лед — твер­

Кривая ВО представляет зависимость температуры илавления льда от давления. В точке О все три кривые пересекаются. Это значит, что при 0,0098°С и давлении 4,579 мм рт. ст. вода суще­ ствует одновременно в трех агрегатных состояниях, которые на­ ходятся в динамическом равновесии друг с другом. Точка О на­ зывается тройной точкой.

Химические свойства воды

Вода вступает в реакцию с большинством веществ. Она непо­ средственно реагирует со многими металлами. Если над раскален­ ным железом пропускать водяные пары, то произойдет следующая реакция:

ЗРе + 4Н20 ^ Ре30 4 + 4На ] .

При взаимодействии воды с щелочными и щелочноземельными ме­ таллами образуются щелочи:

2Иа + 2НаО = 2ЫаОН + Н21 .

Молекулярный вес воды в парообразном состоянии, найден­ ный экспериментально, равен 18,64. Это объясняют тем, что 96,5% всех молекул находится в виде НаО, а 3,5% — в виде ассоцииро­ ванных частиц (Н20 )а.

В жидком состоянии подвижность молекул воды уменьшается; они образуют группы из 2, 3, 4 молекул и более, состав которых принято обозначать одной формулой (НаО)*. Величина х зависит от температуры. Таким образом, в жидком состоянии молекулы

воды находятся в ассоциированном состоянии (рис. 51). Предпо­ лагают, что при 0°О состав воды отвечает формуле (НаО)3, а при

Тяжелая вода

В 1932 г. был открыт изотоп водорода с атомным весом 2. Он был назван тяжелым водородом, или дейтерием, и обозначен сим­ волом О. При взаимодействии дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода ПаО, мол. в. 20.

Химические свойства элементов определяются величиной заря­ да ядра их атомов, поэтому у изотопов они одинаковы. Однако у изотопов водорода Н и О разница в массе составляет 100%, что сказывается на изменении химических свойств тяжелой воды. Это позволяет накапливать тяжелую воду в электролитической ванне при электролизе воды, так как молекулы воды с легким изотопом водорода легче подвергаются разложению электрическим током.

Физические свойства тяжелой воды отличны от свойств обык­ новенной воды:

Биологические свойства тяжелой воды резко отличны от свойств обычной воды: рыбы, например, не могут жить в тяжелой воде. Вещества в ней растворяются хуже, чем в обычной воде; многие химические реакции в присутствии тяжелой воды протекают зна­ чительно медленнее.

Тяжелая вода содержится в природной воде в среднем 0,02%; содержание ее имеет резкие колебания. Ее мало в океанах, в орга­ низмах растений и животных, много в некоторых минералах. Со­ держание тяжелой воды возрастает также с глубиной (озеро Бай­ кал).

Тяжелой считается также вода, молекулы которой состоят из атомов легкого водорода Н и изотопа кислорода О . Кроме тяже­

лой воды Б20 16 и Н20»18 могут встречаться и другие ее виды, от­ вечающие различным сочетаниям изотопов водорода и кислорода:

Н20 17, БНО16, ОНО17, ОНО18, Э20 17» 0 20 18. Распространение в при­ роде различных типов тяжелой воды окончательно еще не изуче­ но.

Тяжелая вода хорошо поглощает медленные нейтроны, поэто­ му ее используют в атомных установках.

2. ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА

Кроме воды, водород образует еще одно соединение с кислоро­ дом — перекись водорода Н20 2. В природе перекись образуется в результате различного рода окислительных процессов. В очень незначительных количествах она содержится в атмосферных осад­ ках и соке некоторых растений.