ВВЕДЕНИЕ, СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ И СВОЙСТВА ВОДЫ - Химические свойства и строение воды

Вода - ценнейший природный ресурс. Вода играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном, сельскохозяйственном производстве и тд., а так же общеизвестна и необходимость ее для бытовых потребностей человека. Вода является основой жизни на нашей планете. Она покрывает две трети поверхности Земли оказывает влияние, практически, на все процессы, которые происходят на нашей планете. Живой мир состоит из воды на 70-95%. Вода-это, с одной стороны, простая, но с другой, самая сложная и таинственная субстанция на Земле. Ей посвящено огромное количество научных трудов, но до сих пор она остается неизученной до конца.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ И СВОЙСТВА ВОДЫ

Свойства химических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О - Н 0,957 нм; валентный угол Н - О - Н 104O 27'.

Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между разными ее молекулами. Атомы водорода в молекуле воды, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется - водородной. Она объединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения.

Вода - единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трех агрегатных состояниях - жидком, твердом и газообразном.

Структура модификаций льда представляет собой трехмерную сетку. В модификациях, существующих при низких давлениях, так называемый лед - I, связи Н - О - Н почти прямолинейны и направлены к вершинам правильного тетраэдра. Но при высоких давлениях обычный лед можно превратить в так называемые лед - II, лед - III так далее - более тяжелые и плотные кристаллические формы этого вещества. Самые твердые, плотные и тугоплавкие пока - лед - VII и лед - VIII. Лед - VII получен под давлением 3 млрд Па, он плавится при температуре + 1900 C. В модификациях - лед - II - лед - VI - с вязи Н - О - Н искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда. Только в модификациях лед - VII и лед - VIII достигается самая высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, выстроенные из тетраэдров, вставлены одна в другую, при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей.

Трехмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всем интервале от температуры плавления до критической температуры, равной + 3,980 С. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей.

Искривление водородных связей увеличивается с ростом температуры и давления, что ведет к возрастанию плотности. С другой стороны при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьщается. Совместное действие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре + 3, 980 С.

Физические свойства воды аномальны, что объясняется приведенными выше данными о взаимодействии между молекулами воды.

Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объема на 9%. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При 00С 1 грамм льда занимает объем 1,0905 кубических сантиметров, а 1 грамм жидкой воды занимает объем 1,0001 кубических сантиметров. И лед плавает, оттого и не промерзают обычно насквозь водоемы, а лишь покрываются ледяным покровом.

Температурный коэффициент объемного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соответственно ниже - 2100 С и + 3,980 С.

Теплоемкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 00 С до 1000 С почти не зависит от температуры.

Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоемкость воды. Благодаря этой особенности вода формирует климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдает его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым "выравнивает" климат. Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример - влияние Гольфстрима, мощной системы теплых течений, идущих от полуострова Флорида в Северной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстриму средняя температура января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом, такая же, как в степной части Крыма, - около 00С, т. е. повышена на 15 - 200 С. А в Якутии на той же широте, но вдали от Гольфстрима - минус 400 С. А от космического холода предохраняют Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере - в облаках и в виде паров. Водяной пар создает мощный "парниковый эффект", который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не дает ей охлаждаться. По расчетам М. И. Будыко, при уменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 50 С (с 14,3 до 90 С). На смягчение земного климата, в частности на выравнивание температуры воздуха в переходные сезоны - весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды.

Из Химических свойств воды особенно важны способность ее молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.

Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью ее молекул и, как следствие, ее чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноименные электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погруженного в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих трудно-растворимых веществ: капля камень точит.

Электролитическая диссоциация воды - причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований. Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры.

Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н+ и ОН-.

Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н2; Н2О2 и свободных радикалов: Н*; ОН*; О*.

Вода - реакционно-способное соединение.

При взаимодействии с F2 образуется НF, а также О2; О3; Н2О2; F2О и другие соединения.

При пропускании паров воды через раскаленный уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ.

При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН4 и другими углеводородами.

Эти реакции используют для промышленного получения водорода.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту.

Вода взаимодействует со многими металлами с образованием Н2 и соответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочноземельными металлами (кроме Мg ) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду при повышенной температуре, например, Мg и Zn - выше 1000С; Fe - выше 6000С.

При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания.

Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только в присутствии следов воды.

Иногда вода - каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH3.

Способность молекул воды образовывать трехмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, CI2, (CH2)2O, CHCI3 и многими другими веществами газовые гидраты.

Похожие статьи




ВВЕДЕНИЕ, СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ И СВОЙСТВА ВОДЫ - Химические свойства и строение воды

Предыдущая | Следующая