16.2 Свойства воды
Более важного соединения для жизнедеятельности живых организмов на Земле нет. Вода входит в состав большинства пищевых продуктов и широко используется в ряде технологических процессов. Несмотря на большое количества воды на Земле, пригодной и доступной для использования, является сравнительно небольшое количество пресной воды. В результате жизнедеятельности человечества происходит постепенное ухудшение качества воды. Для устранения этой тенденции Генеральная Ассамблея ООН резолюцией
№ 58 от 09.12.2003 г. провозгласила период с 2005 по 2015 гг. Международным десятилетием действий «Вода для жизни».
16.2.1 Строение молекулы воды
В состав молекулы воды входит водород и кислород. Строение молекулы воды определяются соответственно электронным строением атомов кислорода и водорода. Данные элементы имеют следующие электронные формулы: кислород – 1s22s22р4, водород – 1s1. Для образования электронных конфигураций ближайших инертных газов кислороду необходимы 2 электрона, а водороду – 1, т.е. валентности данных элементов равны соответственно 2 и 1, поэтому образующееся из них соединение будет иметь состав Н2О. В исходном атоме кислорода две валентные р-орбитали расположены под углом 900, а в образовавшейся молекуле воды валентный угол составляет 104,50. На рисунке 16.1 показано строение молекулы воды и в качестве сравнения приведены геометрические модели аммиака и метана.
Рисунок 16.1– Геометрические модели молекул CH4, NH3 и H2O
Из рисунка 16.1 видно, что валентный угол в воде 104,50 ближе к тетраэдрическому (109028′), чем к углу 900. Объяснить искажение валентного угла можно только предположив, что происходит sр3-гибридизация орбиталей атома кислорода. Дополнительным подтверждением этому является геометрическая модель молекулы аммиака, у которого только одна свободная орбиталь и валентный угол (107,30) еще в большей степени приближен к тетраэдрическому. Такой же валентный угол, как у аммиака, имеет ион гидроксония Н3О+, у которого также свободна только одна орбиталь. В кристаллическом состоянии валентный угол воды (109028') еще ближе к тетраэдрическому, так как из-за образовавшихся водородных связей свободные орбитали отсутствуют.
Отдельные молекулы воды соединяются друг с другом посредством водородных связей с образованием относительно прочных ассоциатов:
,
которые полностью разрушаются только при переходе из жидкого в газообразное состояние.
Наличие водородных связей объясняет аномально высокие температуры плавления и кипения воды.
16.2.2 Физические свойства воды
Вода – бесцветная прозрачная жидкость. В таблице 16.1 приведены некоторые физические константы воды. Тпл. и Ткип. приведены при атм. давлении.
Таблица 16.1– Физические константы воды
|
М, г/моль |
Т пл., оС |
Т кип. оС |
Т крит., оС |
Р крит., МПа |
ρ(Н2Ож), г/мл (4 оС) |
ρ(лёд), г/мл
|
С(Н2Ож), Дж/(г·К) |
С(лёд), Дж/(г·К) |
|
18 |
0 |
100 |
374,2 |
22,12 |
1,00000 |
~0,9 |
4,18 |
2,12 |
Из таблицы 16.1 видно, что вода имеет аномально высокие температуры
плавления и кипения, не согласующиеся с её мольной массой. Критические температура и давление указывают, что при данных значениях различия между жидким и газообразным состояниями воды исчезает. Плотность воды максимальна при температуре 4 оС, а в кристаллическом состоянии плотность примерно на 10 % меньше. Плотность льда значительно ниже плотности жидкой воды, так как в алмазоподобной кристаллической структуре льда имеется большое количеством пустот. Вода и лёд характеризуются высокой теплоемкостью.
Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении жидкой воды атмосферным воздухом. При понижении температуры поверхностного слоя
воды до 4 оС плотность её постепенно возрастает, что обеспечивает перемешивание слоев воды, имеющих различную температуру. При достижении всеми слоями воды температуры 4 оС и при дальнейшем охлаждении до температуры 0 оС конвективный теплообмен прекращается. При температуре верхнего слоя воды 0 оС происходит переход жидкой воды в кристаллическое состояние (лёд), поэтому промерзание водоема начинается с поверхностного слоя воды. Так как лед имеет плотность меньше, чем плотность жидкой воды, он располагается на поверхности водоема.