Лекция 10. Химия воды.

Вода самое распространенное в природе химическое соединение. Она покрывает почти площади земной поверхности.

Вода играет исключительно важную роль в природе и технике. Жизнедеятельность человека, животных, растений связана с процесса­ми, которые происходят в водных средах. Организм взрослого человека на 65% состоит из воды. Вода является регулятором температуры на Земле.

Вода участвует во многих технологических процессах в различных отраслях народного хозяйства. Она применяется как реагент, раствори­тель, хладагент, теплоноситель, рабочее тело в паровых машинах, в гид­рометаллургии, в производстве продуктов питания, лекарств.

10.1 Свойства воды

Фазовая диаграмма воды. Равновесие между различными фазами чистого вещества удобно представлять в виде фазовой диаграммы в ко­ординатах р - Т. Отдельные участки фазовой диаграммы соответствуют условиям термодинамической устойчивости какой-либо одной фазы, эти участки разграничиваются кривыми, которые соответствуют областям равновесия между двумя фазами. Каждая кривая - плавления, кипения, сублимации - дает пары значений р и Т, при которых в равновесии на­ходятся: твердое - жидкость, жидкость - пар, твердое - пар. . Совокуп­ность условий одновременного сосуществования трех фаз определяется точкой, где сходятся три кривые, и которая называется тройной точкой (см. рис.19).

Особенностью воды является понижение температуры плавления льда с ростом давления. Вследствие этого, кривая равновесия - твердая фаза - жидкая фаза - у воды, поднимаясь вверх, отклоняется влево (кривая ОВ). Тройная точка воды, в которой ее пары, жидкая и твердая фазы могут сосуществовать в равновесии, характеризуется температурой 0,0098 °С и давлением 0,0060 атм. Поскольку нормальное атмосферное давление превышает указанную величину, мы привыкли видеть, что лед плавится. Пересечение горизонтальной прямой, соответствующей давлению р = 1 атм., с кривой равновесия твердая фаза - жидкая фаза, дает Т плавления льда (0°С), а пересечение этой горизонтали с кривой равновесия жидкость - пар дает температуру кипения воды (100°С). Различие между жидкой и газообразной водой исчезают только при давлениях, выше критических (выше 218 атм.).

Физические свойства воды. В природе распространена вода, со­ответствующая формуле Н₂0; в результате длительного электролиза обычной воды можно получить «тяжелую» воду D₂0, образованную ста­бильным изотопом водорода - дейтерием; существует радиоактивный изотоп водорода тритий, образующий Т₂0.

При давлении 101кПа температура кипения воды 100°С, плавления 0°С; она имеет максимальную плотность при 4°С; ее теплоемкость равна 4,17 дж/г-К, диэлектрическая проницаемость 78,5.

Свойства воды существенно отличаются от свойств водородных соединений ее аналогов (H₂S, H₂Se, H₂Te). Вода является жидкостью, остальные водородные соединения - газы. Основные физико-химичес­кие свойства также отличаются.

Необычные свойства воды обусловлены как строением ее молекул, так и образованием водородных связей. Атом кислорода в молекуле Н₂0 находится в состоянии sp³ - гибридизации, угол между связями сос­тавляет 105°, близок к тетраэдрическому. При этом две пары электронов образуют связи О-Н, а две другие пары электронов кислорода остаются неподеленными. Общая электронная плотность смещена к кислороду и молекула воды полярна. Вследствие полярности ее молекул, вода явля­ется хорошим растворителем.

Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронов к атому кислорода обусловливают образо­вание водородных связей между Н и О соседних молекул

О-Н О-Н О-Н

| | |

Н Н Н

Возникновение водородных связей между молекулами воды при­водит к ассоциации молекул в жидком и твердом состояниях. Этим объясняются аномальные свойства воды в частности высокие темпера­туры кипения, плавления, высокая диэлектрическая проницаемость, а также особая структура льда.

Молекулы воды во льду удерживаются на определенных расстоя­ниях друг от друга водородными связями, обуславливающими каркас­ную структуру льда, этим и объясняется низкая плотность льда. При та­янии льда водородные связи частично разрушаются, расстояние между молекулами воды уменьшается, поэтому плотность воды растет.

При нагревании воды, с одной стороны, увеличивается ее объем, а с другой разрушаются водородные связи, что приводит к уменьшению объема воды. Вследствие этих причин вода имеет минимальный моляр­ный объем и максимальную плотность при температуре 4°С. При увели­чении температуры ассоциаты разрушаются и водяной пар состоит из свободных молекул Н₂0.

Химические свойства. С химической точки зрения вода является термодинамически устойчивым соединением. Стандартная энергия Гиббса образования жидкой воды при температуре 298К равна -237,5 кДж/-моль, водяного пара -228,8 кДж/моль. Диссоциация водяного пара на водород и кислород происходит при температурах выше 1500°С.

В тоже время вода химически активное вещество. Она реагирует с металлами с выделением водорода

2К + 2Н₂0 = 2КОН + Н₂

Взаимодействует с оксидами многих металлов и неметаллов с образова­нием соответственно оснований и кислот

N0₂ + Н₂0 = HN0₃

Вступает в окислительно-восстановительные реакции, как окислитель, так и восстановитель

Сl₂ + Н₂0 = НСl + НСlO

Под воздействием молекул воды протекают реакции гидролиза

MgC0₃ + Н₂0 = Mg(OH)₂ + С0₂