2. Свойства воды
2.1.Строение молекулы воды
На рисунке приведены геометрические модели молекул CH4, NH3 и H2O из которых видно, что сходство в строении является следствием sр3-гибридизации атомов С, N и О.
CH4 NH3 H2O
2.2. Физические свойства воды
Бесцветная прозрачная жидкость. Обладает рядом аномальных свойств. Характеризуется высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Имеет высокие температуры плавления и кипения. Плотность в кристаллическом состоянии (ЛЁД) меньше, чем в жидком.
Аномальность свойств воды являются следствием строения молекулы воды и образованием водородных связей между отдельными молекулами воды. Отдельные молекулы посредством водородных связей соединяются друг с другом с образованием относительно прочных ассоциатов,
,
которые разрушаются при переходе из жидкого в газообразное состояние.
Плотность жидкой воды максимальна при температуре 4 0С.
При охлаждении поверхностного слоя воды до 4 0С он опускается вниз водоема, а на смену ему поднимается слой с более высокой температурой из нижней части водоема, что обеспечивает перемешивание слоев воды в водоеме. При достижении всеми слоями воды температуры 4 0С, а также при дальнейшем охлаждении поверхностного слоя воды, конвективный теплообмен прекращается. При достижении верхним слоем жидкой воды температуры 0 0С происходит переход её в кристаллическое состояние (лёд), поэтому промерзание водоема начинается с верхнего слоя воды. Так как образовавшийся лед имеет объем примерно на 10% больше объема жидкой воды, он не тонет и располагается на поверхности водоема. Так как теплопроводность льда примерно в два раза ниже теплопроводности жидкой воды, он начинает выполнять функцию теплоизолятора, тем самым тормозя процесс промерзания водоема.
Аномально высокая теплоемкость воды (С(Н2ОЖ)=4,18 Дж/(г·К)), примерно пять раз выше теплоемкости других веществ(например – С(SiО2)=0,79 Дж/(г·К)), является своеобразным регулятором изменения температуры на земле. При переходе от зимы к лету и наоборот изменение температуры происходит относительно плавно.
2.3. Химические свойства воды
Вода является слабым электролитом
Н-ОН ↔ Н+ + ОН-, Кд1 = 1,8·10-16.
При растворении в воде основных классов неорганических соединений (кислот, оснований, солей) происходит их взаимодействие (гидратация) с образованием иногда относительно устойчивых соединений (кристаллогидратов), которые можно выделить из водного раствора.
Например: CuSО4·5Н2О, Nа2SО4·10Н2О, АlСl3 ·6Н2О, и др.
При растворении солей, образованных слабой кислотой или слабым основанием, протекает гидролиз.
Степени окисления элементов в молекуле воды имеют значения – Н+12О-2 . Таким образом вода за счет Н+ может проявлять окислительные свойства, а за счет О-2 – восстановительные. Окислительные и восстановительные свойства воды определяется значениями соответствующих окислительно-восстановительных потенциалов:
2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН-, φ0 = -0,83 В,
2Н2О - 4е = О2 + 4Н+, φ0 = +1,23 В.
Водород из воды могут вытеснять только очень активные металлы.
Например, К + 2Н2О = Н2↑+ 2КОН.
На практике окислительные свойства воды применяются для получения ацетилена по реакции
СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са(ОН)2.
Вытеснить кислород из воды может только фтор, как более электроотрицательный элемент.
Вода термодинамически крайне устойчивое соединение. Начинает разлагаться только при температуре выше 1000 0С по реакции 2Н2О = 2Н2 + О2, но даже при температуре 2000 0С степень термической диссоциации не превышает 2%.
Разложение воды на водород и кислород легко достигается при электролизе воды с инертным анодом.