Гидравлика систем ВиВ / ЗАОЧНИКУ комплект методичек ВиВ / ИСТОРИЯ ВиВ / Водоснабжение / Вода физич свойства

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

Молекула воды имеет угловое строение: ядра, входящие в ее состав, образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода. Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии sp³- гибридизации. Поэтому валентный угол HOH (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Отличие валентного угла HOH от тетраэдрического (например, HCH в молекуле метана объясняется асимметрией электронных облаков атомов кислорода: из 4-х электронных пар гибридных орбиталей только две осуществляют ковалентную связь с атомами водорода, а две остаются неподеленными. В молекуле же метана все электроны валентного энергетического уровня атома углерода участвуют в образовании связи. Таким образом, дипольный момент молекулы воды возникает по двум причинам: а) каждая из связей O-H полярна и на том ее конце, где находится ядро водорода имеется избыток положительного заряда, а на "кислородном" конце - избыток отрицательного; б) неподеленные электронные пары атома кислорода создают дополнительную плотность отрицательного заряда на атоме кислорода. Эти особенности строения молекул воды имеют следующие следствия:

а) большой дипольный момент является причиной возникновения диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий в водных растворах;

б) молекула воды образует водородные связи с электроотрицательными атомами других молекул, в том числе других молекул воды;

в) неподеленные электронные пары позволяют молекуле воды образовывать соединения по донорно-акцепторному механизму (например, с катионами металлов). В газообразном состоянии состоит из отдельных молекул. В жидком и твердом состоянии молекулы образуют ассоциаты с помощью водородных связей. Кристаллическая решетка - молекулярная.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Вода - жидкость без цвета, запаха, вкуса. В толстых слоях голубого цвета, так как поглощает красную часть спектра, а синюю отражает. Вода обладает рядом аномальных физических свойств по сравнению с соединениями аналогичного состава. Температуры, при которых вода кипит и замерзает, приняты за эталон, соответственно, 100 °C и 0 °C (при P=1 атм.). Вода обладает большой удельной теплоемкостью, также принятой за эталон (1 кДж/кг*град.). Благодаря этому, водная оболочка Земли (гидросфера), смягчая температурные перепады в атмосфере, в значительной степени определяет климат на нашей планете. Для воды характерны высокие удельные теплоты испарения и плавления, коэффициент поверхностного натяжения, диэлектрическая проницаемость. Если сравнить температуры кипения и плавления воды и аналогичных по составу веществ (водородные соединения элементов главной подгруппы VI группы -H₂S, Н₂Se, H₂Te), то видно, что вода выпадает из общей закономерности. Если для этих соединений с уменьшением порядкового номера элемента IV группы эти величины плавно уменьшаются, то для воды наблюдается скачок изменения физических свойств (температура кипения не 0 °C, а 100 °C; температура плавления не 100 °C, а 0 °C). Аномально изменяется и плотность воды с изменением температуры. Вначале так же, как и у других веществ, с понижением температуры она увеличивается, но достигнув максимума при 4 °C, начинает уменьшаться. Поэтому более тяжелая вода с температурой 4 °C перемещается в глубину, а лед остается на поверхности и изолирует из-за своей плохой теплопроводности воду от дальнейшего замерзания. "Аномальное" поведение воды объясняется ее способностью образовывать ассоциаты за счет водородных связей, на разрыв которых требуется дополнительная энергия. При образовании ассоциатов между молекулами воды образуются "пустоты". Ниже 4 °C их количество уже приводит к тому, что плотность начинает уменьшаться. У льда, в котором каждая молекула воды связана водородными связями с четырьмя другими, размеры "пустот" превышают размеры молекул воды и плотность его небольшая. При плавлении водородные связи разрушаются, "пустоты" заполняются "одиночными" и "сдвоенными" молекулами воды - плотность возрастает. Электроотрицательности S, Se, Te меньше, чем у кислорода; поэтому эффективные заряды в их соединениях меньше и водородных связей они не образуют. Их температуры плавления и кипения растут с ростом молекулярной массы, а соответствующие температуры для воды, молекулярная масса которой меньше - выше. Высокая полярность молекул воды обуславливает также ее большую диэлектрическую проницаемость и способность растворять полярные вещества ("подобное в подобном").

ПОЛУЧЕНИЕ:

Наиболее чистая вода получается при сгорании водорода в кислороде. Однако практически и в лабораторных, и в промышленных условиях чистую воду получают путем перегонки (дистилляции) или пропуская ее через колонки с ионообменной смолой. Эти способы применяются для очистки воды от растворимых солей.