Физические и химические свойства воды

Почти вся поверхность планеты занята морями и океанами. Снегом и льдом – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле,  равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров  приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только  35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар  слоем более 2,5 километров. На каждого жителя Земли  приблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых  покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод. Молекулы воды были обнаружены даже в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

Вода - уникальное химическое вещество. Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Молекула Н2О имеет угловое строение, угол между связями < H – O – H = 105,4 градусов. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай. Благодаря этому молекулы воды стремятся нейтрализовать электрическое поле. Под воздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде. Этим объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

Вода химически не изменяется под действиям соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах. Молекулы в объеме воды сближаются противоположными зарядами, возникают межмолекулярные водородные связи между ядрами водорода и неподеленными электронами кислорода, насыщая электронную недостаточность водорода одной молекулы воды и фиксируя его по отношению к кислороду другой молекулы. Тетраэдрическая направленность водородного облака позволяет образовать четыре водородные связи для каждой водной молекулы, которая благодаря этому может ассоциировать с четырьмя соседними. В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны 109,5 С .

Водородные связи в несколько раз слабее ковалентных связей, объединяющих атомы кислорода и водорода. Микромолекулярная структура воды с большим количеством полостей позволяет ей, разрывая водородные связи, присоединять молекулы или части молекул других веществ, способствуя их растворению.

Сравнивая воду - гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической системы Д.И. Менделеева, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при - 70оС, а замерзать при - 90оС. Но в обычных условиях вода замерзает при 0оС. Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциированность ее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, для того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100оС, требуется вшестеро больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80оС. Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. По сравнению с другими веществами, она способна воспринимать гораздо больше тепла, существенно не нагреваясь. Вода выступает как бы регулятором температуры, сглаживая благодаря своей большой теплоемкости резкие температурные колебания. В интервале от 0 до 37оС теплоемкость ее падает и только после 37оС начинает повышаться. Минимум теплоемкости воды соответствует температуре 36 - 39оС - нормальной температуре человеческого тела. Благодаря этому возможна жизнь теплокровных животных, в том числе и человека.  0оС и закипает при 100 оС.

Физические свойства воды.

Вода – жидкое прозрачное вещество без цвета, вкуса и запаха. Плотность жидкой воды имеет максимальное значение 1 г/cм3 при 40С. При более низких и более высоких температурах плотность воды уменьшается.

При 00С вода переходит из жидкого в твёрдое состояние (лёд). При 1000С вода кипит и переходит в газообразное состояние (водяной пар). Вода имеет аномально высокую температуру кипения по сравнению со своими аналогами. Это объясняется тем, что молекулы воды находятся в ассоциированном состоянии за счёт образования межмолекулярных водородных связей.

Исключительно высокой является теплоёмкость воды. С этим связаны важная роль природных водоёмов в качестве аккумуляторов теплоты, использование воды в охладительных системах различных двигателей. Поддержание определенной температуры живых организмов при существенных изменениях температуры окружающей среды также в значительной степени обусловлено большой теплоёмкостью воды.

Вода – наиболее универсальный растворитель. Молекулы воды представляют собой диполи, поэтому вода является полярным растворителем. Она хорошо растворяет ионные соединения и вещества, состоящие из полярных молекул. Значительно хуже растворяются в воде вещества, состоящие из неполярных молекул.

Химические свойства воды.

• Окислительно – восстановительные свойства.

Вода не обладает сколько – нибудь ярко выраженными окислительно – восстановительными свойствами. Окислительно – восстановительные реакции возможны при взаимодействии воды только с очень активными восстановителями или очень активными окислителями. При обычной температуре вода взаимодействует с такими сильнейшими восстановителями, как щелочные и щелочноземельные металлы. В роли окислителя вода выступает также при взаимодействии с гидридами щелочных и щелочноземельных металлов, являющихся очень сильными восстановителями. В роли восстановителя вода выступает при взаимодействии с таким сильнейшим окислителем, как фтор. При температуре 10000С водяной пар разлагается на водород и кислород. Происходит внутримолекулярный окислительно – восстановительный процесс.

2Н+2О-2- 2Н02+О02

• Кислотно – основные свойства.

Для жидкой воды характерна самоионизация. Её молекулы взаимно влияют друг на друга. Тепловое движение частиц вызывает ослабление и гетеролитический разрыв связей О – Н в отдельных молекулах воды. При этом протон присоединяется к атому кислорода соседней молекулы воды по доноро – акцепторному механизму:

Н2О+Н2О=Н3О+ +ОН-

Таким образом, при ионизации одновременно образуются ионы Н+ и НО-, т.е. вода является амфотерным электролитом. В разбавленных водных растворах электролитов, как и в воде, произведение концентрации ионов водорода Н+ и гидроксид – ионов ОН- - величина постоянная при данной температуре. Среду любого водного раствора можно охарактеризовать концентрацией ионов водорода Н+ или гидроксид – ионов ОН-. В водных растворах различают три типа сред: нейтральную, щелочную и кислую.

• Нейтральная среда – среда, в которой концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид – ионов:

[H+] = [OH-] = 10-7 моль/л

• Щелочная среда – среда, в которой концентрация ионов водорода меньше концентрации гидроксид – ионов:

[H+]<[OH-], H+]<10-7 моль/л

• Кислая среда – среда, в которой концентрации ионов больше концентрации гидроксид – ионов:

[H+]>[OH-], H+]>10-7 моль/л

Для характеристики сред растворов используют водородный показатель.