Лекция 1. ВОДА И ЕЕ СВОЙСТВА

1 Молекула воды

2 Свойства воды

3 Вода как растворитель

4 Диаграмма состояния воды и правило фаз

Вода – одно из самых распространенных веществ на нашей планете. Она имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы. На земле происходит непрерывный круговорот воды. В результате испарения во­ды в поверхности океанов и суши и выделения влаги рас­тениями и живыми существами атмосфера насыщается парами воды. Неравномерное нагревание атмосферы вызы­вает в ней крупномасштабные перемещения воздушных масс над поверхностью земного шара, а вследствие кон­денсации вода снова возвращается на землю в виде росы, дождя, града и снега.

Часть воды испаряется непосредственно с почвы и пок­рывающей ее растительности сразу же после выпадения на землю. Другая часть просачивается в почву, где она либо задерживается и используется растениями, либо проникает в подпочвенные горизонты, где соединяется с грунтовыми, а затем через них и с поверхностными водами. Наконец, некоторое количество воды остается на поверх­ности почвы, постепенно стекая в поверхностные водотоки.

Вследствие постоянного контакта с окружающей средой и включения в эту среду вода всегда содержит какие-либо вещества и практически никогда не бывает химически чистой. В то же время характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества.

1 Молекула воды

Вода, или оксид водорода Н₂О, имеет молекулярную массу 18,016. На водород приходится 11,19 % массы, на кислород – 88,81 %.

В природе встречаются три изотопа водорода: ¹Н – протий, ²Н – дейтерий и ³Н – тритий и три изотопа кислорода ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О, образующих 9 устойчивых изо­топных модификаций молекул воды. В природной воде на долю ¹Н₂¹⁶О по массе приходится 99,73%. на долю ¹Н₂¹⁸О – 0,2%, на ¹Н₂¹⁷О – 0,04% и на ¹Н₂Н¹⁶О – около 0,03 %. Остальные пять разновидностей содержатся в ничтожных количествах. Помня о многообразии состава воды, мы, тем не менее, пользуемся привычной формулой Н₂О, так как она является символом основного компо­нента.

В молекуле воды ядра водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник, в основании которого нахо­дятся два мелких ядра водорода, в вершине – более круп­ное ядро кислорода. Валентный угол у центрального атома кислорода, образованный связями Н–О–Н, составляет 104^o27' (рис. 1, а). Структура электронного облака моле­кулы схематично показана на рис. 1, б. Две внешние пары электронов, образующих связи О–Н, смещены к атому кислорода, поэтому вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда. Две неподеленные пары электронов также смещены относительно ядра атома кисло­рода, и их отрицательные заряды остаются частично нескомпенсированными. Условно можно представить, что ле­пестки электронного облака направлены к вершинам частично искаженного тетраэдра, что иллюстрируется рис. 1, в. Ассиметричность распределения электрических зарядов обусловливает ярко выраженные полярные свойства молекулы воды, которая представляет собой диполь с очень высоким электрическим моментом.

а – угол между валентными связями О–Н; б – структура электронного облака;

в – расположение зарядов

Рисунок 1 – Строение молекулы воды

Измерения молекулярной массы жидкой воды показали, что она выше молекулярной массы воды в парообразном состоянии; это свидетельствует об ассоциации молекул – объединении их в сложные агрегаты. Вследствие тетраэдрической направленности электронного облака каждая молекула воды может образовать четыре водородные связи, которые обусловливают ассоциацию молекул воды и спо­собствуют возникновению ее упорядоченной внутренней структуры.

Водородные связи непрочны, легко разрушаются и обра­зуются даже при обычных тепловых движениях молекул.

Полностью все четыре водородные связи реализуются при замерзании воды. В твердом состоянии каждая моле­кула тетраэдрически окружена четырьмя другими – тремя из того же слоя и одной их соседнего слоя молекул. Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда показана на рисунке 2. Структура льда является наиболее упорядочен­ной и наименее плотной. Ее особенность заключается в наличии пустот, размеры которых превышают размеры мо­лекул.

1 – кислород; 2 – водород; 3 – химические связи; 4 – водородные связи

Рисунок 2 – Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда

2 Свойства воды

Чистая вода – жидкость без запаха, вкуса и цвета (лишь в слое толщиной более 2 м голубоватая). Основные физические характеристики воды (при давлении 0,1 МПа) представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные физические характеристики воды

Показатель	Значение
Температура:
замерзания, плавления	0 °С
кипения	100 °С
Плотность при температуре, °С:
0	0,99984 г/см3
3,98	0,99997 г/см3
20	0,9982 г/см3
Удельная теплоемкость воды при t = 20°C	4,178 Дж/(г.К)
Вязкость при температуре, °С:
0	0,001793 Па·с
25	0,000895 Па·с
Удельная электрическая проводимость при t = 20°С	4,2·10-6 см/м
Относительная диэлектрическая постоянная воды при t = 20°С	81
Поверхностное натяжение при t = 18 °С	73·10-3 Н/м

По сравнению с другими химическими соединениями вода обнаруживает необычные отклонения по ряду физических свойств — плотности, удельной теплоемкости и др. Эти аномалии воды в значительной степени связаны с ассоциацией ее молекул.

Уникальным свойством воды является ее способность при обычных температурах и давлении находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газооб­разном (пар).

Повышение температуры воды действует двояко: вызы­вает нарушение регулярной структуры и приводит к теп­ловому расширению. В интервале температур от 0 до 4 °С (плавление льда) происходит разрушение части водородных связей, т.е. нарушается структура льда, достигается более плотная упаковка молекул в результате размещения отдельных молекул воды в пустотах оставшихся агрегатов. В этом интервале температур фактор нарушения структуры преобладает над тепловым расширением, и плотность воды повышается, достигая максимального значения при 3,98 °С. При 3,98 °С оба фактора взаимно уравновешиваются. Даль­нейшее нагревание воды до 100 °С сопровождается нормаль­ным снижением плотности, так как преобладает действие теплового расширения. Эта аномалия обусловливает воз­можность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время. Поскольку лед легче воды (его плотность меньше), то он располагается на поверхности и защищает лежащие ниже слои воды от промерзания. При дальнейшем понижении температуры увеличивается толщина слоя льда, но темпе­ратура воды подо льдом остается на уровне 4 °С, что поз­воляет водным организмам сохранять жизнь.

Большое значение в жизни природы имеет также и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоем­костью – 4,18 Дж/(г·К). Высокая теплоемкость воды есть следствие расхода части теплоты на разрыв водородных связей. В природных условиях вода медленно остывает и медленно нагревается, являясь регулятором температуры на Земле.

Вязкость – способность жидкости оказывать сопротивление различным формам движения. Вязкость воды зако­номерно изменяется в зависимости от температуры: умень­шается с ее возрастанием. С повышением концентрации растворенных в воде солей вязкость увеличивается. В то же время действие давления на вязкость воды довольно специфично: с понижением температуры при умеренном давлении вязкость воды снижается, хотя логично было бы ожидать ее повышения, а если давление увеличить значительно, то поведение воды подчиняется общему правилу.

Относительная диэлектрическая постоянная воды равна 81 – это очень высокая величина, чем и объясняется такая большая ионизирующая сила воды.

Вода имеет максимальное для жидкостей (кроме ртути) поверхностное натяжение, благодаря чему обеспечивается возможность движения соков в растениях, крови в сосудах животных и человека. С повышением температуры повер­хностное натяжение воды уменьшается.

Оптические свойства воды оцениваются по ее проз­рачности, которая в свою очередь зависит от длины волны луча, проходящего через воду. Ультрафиолетовые лучи лег­ко проходят через воду, поэтому растительные организмы способны развиваться в толще воды и на дне водоемов, инфракрасные лучи проникают только в поверхностный слой и в незначительной степени. Вследствие поглощения оранжевых и красных компонентов видимого света вода приобретает голубоватую окраску.

Химически чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но, все же, обладает некоторой элект­ропроводимостью, так как она способна в очень не­значительной степени диссоциировать на ионы водорода и гидроксид-ионы

Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^-

Вода – весьма реакционно-способное соединение. Она реагирует с оксидами многих металлов (Na₂0, CaO и др.) и неметаллов ClO₂, CO₂ и др.), образует кристаллогидра­ты с некоторыми солями [Al₂(S0₄)₃·18H₂0], вступает во взаимодействие с активными металлами (Na, К и др.).

Вода – катализатор многих химических реакций, и иногда для прохождения реакции необходимы хотя бы ее следы. Взаимодействуя с некоторыми солями, вода вызы­вает процесс обменного разложения их – гидролиз. Во­да – участник и среда для протекания множества биохимических реакций в живых организмах. Жизнь че­ловека, растений, животных и микроорганизмов связана с водными растворами. В частности, процессы питания вклю­чают перевод вещества в раствор.