5. Изотопный состав воды

Все аномалии воды невозможно объяснить, не учитывая, что у атомов водорода и кислорода, составляющих молекулу воды, существуют изотопы. Для водорода известны два стабильных изотопа: протий ¹Н и дейтерий ²Н (D). Содержание дейтерия в природной смеси изотопов водорода–0,015(мольных%). У кислорода три стабильных изотопа – ¹⁶0, ¹⁷0, ¹⁸0. Соотношение их в природной смеси 2670:1:5. Таким образом, соединение, которое мы называем водой, в природе является смесью 9 изотопных разновидностей: H₂¹⁶O, H₂¹⁷O, H₂¹⁸O, HD¹⁸O, HD¹⁷O, HD¹⁶O, H₂¹⁶O, D₂¹⁶O, D₂¹⁷O, D₂¹⁸O. Основную массу воды составляют молекулы H₂¹⁶O (99,73 мольных %). Вода, отвечающая химической формуле D₂О, называется тяжелой водой, свойства которой отличаются от свойств Н₂О. Тяжелая вода замерзает при 3,8°С, кипит при 101,4°С, плотность её 1,1059 при 20°С. Максимальную плотность она имеет при +11,23°С. Растворимость электролитов в тяжелой воде ниже, а неэлектролитов выше, чем в обычной воде.

Специфические свойства тяжелой воды связаны с её строением. Структура её идентична структуре обычной воды, но молекула отличается меньшим расстоянием О–D по сравнению сО–Н. Вследствие этого в льдоподобном каркасе молекулы тяжелой воды оказываются ближе друг к другу, благодаря чему дейтериевая связь прочнее водородной. Тяжелую воду получают электролизом природной воды. Поскольку тяжелая вода труднее подвергается электролизному разложению, то она накапливается в электролизере. В тяжелой воде замедляются некоторые реакции и биологические процессы. Она, в частности, применяется в качестве замедлителя ядерных процессов.

6. Химические свойства воды

В молекуле воды атомы связаны между собой прочными σ–связями. Энергия образования молекул водяного пара при температуре 25^оС составляет 926,3 кДж/моль. Прочностью связей следует объяснить высокую устойчивость молекулы воды к нагреванию – термической диссоциации, которая начинается лишь выше 1000°С.

2Н₂О 2Н₂+О₂

Разложение воды происходит также под действием ультрафиолетового (фотодиссоциация) или радиоактивного излучения (радиолиз). В последнем случае, кроме Н₂ и О₂, образуется также перекись водорода и свободные радикалы. Радиолиз воды оказывает большое влияние на геологические процессы, в частности, на накопление осадков, образование рассолов солей, на окислительные процессы в нефтях и т.д. При обычных условиях вода не проявляет свойств окислителя или восстановителя, поскольку все электроны в молекуле воды прочно связаны (потенциал ионизации равен 12,56 В). Только при взаимодействии с сильными восстановителями, преимущественно при высокой температуре, вода играет роль окислителя:

2Ме + 2Н₂О = 2МеОН + Н₂↑

С + Н₂О = СО + Н₂↑

Окисляется же вода ещё труднее и также при действии только очень сильных окислителей, например:

H₂O + [O] = H₂O₂

H₂O + F₂ = 2HF + O(F₂O, H₂O₂, O₂)

H₂O + Cl₂ = HCl + HClO

Вместе с тем, вода является весьма реакционноспособным веществом. Это объясняется: I) наличием в её молекуле двух неподеленных пар электронов, что определяет способность образовывать донорно-акцепторные связи с катионами металлов и водородные связи с атомами сильно электроотрицательных элементов; 2) высокой полярностью молекул воды и их высоким поляризующим действием; 3) способностью диссоциировать на ионы Н⁺ и ОН^–. Эти свойства определяют способность воды вступать в реакции присоединения (процессы гидратации) и реакции гидролитического разложения (реакции гидролиза). Металлы взаимодействуют с водой, образуя соответствующий гидроксид и водород.

2Na+H₂O=2NaOH+H₂

Ca+2H₂O=Ca(OH)₂+H₂

Оксиды ряда металлов и многих неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты.

SO₂+H₂OH₂SO₃

SO₃+H₂O=H₂SO₄

2NO₂+H₂O=HNO₃+HNO₂

P₂O₅+3H₂O=2H₃PO₄

CaO+H₂O=Ca(OH)₂

MgO+H₂O=Mg(OH)₂

Многие из сильно основных и сильно кислотных оксидов настолько энергично взаимодействуют с водой, что могут быть использованы для поглощения и связывания её, как осушители (Р₂О₅). Присоединение воды к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе промышленного способа получения спиртов, альдегидов, кетонов.

При взаимодействии воды с солями могут происходить реакции гидролиза и гидратации.

2CaCO₃+2H₂OCa(HCO₃)₂+Ca(OH)₂

AlCl₃+H₂О (AlOH)Cl₂+HCl

Вода обладает также каталитической активностью: взаимодействие щелочных металлов или водорода с галогенами, некоторые органические реакции идут лишь в присутствии хотя бы следов воды.