Фізико-хімічні властивості води
Вода (оксид водню) – бінарна неорганічна сполука з хімічною формулою H2O. Молекула води складається з двох атомів водню та одного – кисню, які з'єднані між собою ковалентним зв'язком. За стандартних умов є прозорою рідиною, не має кольору (у малому обсязі), запаху і смаку.
Молекула води має кутову форму. Відповідно до теорії валентних зв'язків у молекулі H2O дві sp 3 -гібридні орбіталі атома кисню беруть участь в утворенні двох зв'язків О-Н. На двох інших sp 3 -гібридних орбіталях розташовані дві електронні пари, що не зв'язують. Валентний кут води HOH становить 104,5°, довжина зв'язку O-H дорівнює 0,0957 нм (рис. 1.1):
Малюнок 1.1 Молекула води
Через відносно великий позитивний заряд ядра атома кисню (8+) та близькість його електронів, атом кисню притягує електрони значно сильніше (тобто набагато більш негативним), ніж атоми водню (1+). Це призводить до перенесення заряду від атомів водню до атома кисню, отже, полярність молекули води.
Вода - єдина хімічна сполука, яка в природі може перебувати в рідкому, твердому та газоподібному станах одночасно. Багато її фізичних властивостей та їх зміни мають аномальний характер.
Основними причинами аномальних змін властивостей води є полярність її молекул і утворення об'ємної системи воднев'язаних структур. Вони роблять воду дуже реакційним з'єднанням з унікально гарною розчинною здатністю по відношенню до полярних та іоногенних речовин, при цьому у воді розчиняються всі природні сполуки.
p align="justify"> Коефіцієнт об'ємного розширення має негативні значення при температурах нижче 3,98°С, теплоємність при плавленні зростає майже вдвічі, а в інтервалі 0-100°Смайже не залежить від температури – має мінімум за 35°С. Інші аномальні властивості води – аномально високі температури кипіння – 100°С та плавлення 0°С.
В'язкість води при підвищенні тиску знижується аномально швидко в області малих температур при нагріванні (що не характерне для інших речовин). Усі аномальні явища обумовлені особливостями будови молекул води та їх здатністю утворювати молекулярні агрегати та асоційовані молекули – (Н2О)n.
Маса 1 мл очищеної річкової води прийнято за одиницю маси і називається грамом.
Температура замерзання при 760 мм рт. - 0 ° С; температура кипіння – 100 °С.
Водневий зв'язок
Незважаючи на досить просту структуру молекули, вода має широкий спектр унікальних і специфічних властивостей. Однією із причин цих властивостей є її здатність утворювати водневі зв'язки (рис. 1.1). Водневий зв'язок виникає, коли атом Гідрогену в молекулі з'єднаний із сильно електронегативним елементом, у нашому випадку як такий елемент виступає Оксиген. При цьому Гідроген набуває часткового позитивного заряду H δ+ – O δ- , що дозволяє йому притягувати іншу молекулу, що також містить електронегативний елемент – Оксиген. Таким чином, в утворенні водневого зв'язку завжди беруть участь три атоми - два електронегативні атоми Оксигену і атом гідрогена O ∙∙∙ H δ+ – O δ- , що знаходиться між ними. Водневий зв'язок прийнято позначати крапками [5].
Малюнок 1.1 Графічне зображення утворення водневих зв'язків
Енергія утворення водневих зв'язків мала, проте за рахунок значної їх кількості вони суттєво впливають на фізико-хімічні властивості речовин, підвищуючи їх температуру плавлення та кипіння. Вода за своїм атомним складом має бутигазоподібною речовиною і кипіти приблизно при -80°C, а не +100°C, мати температуру плавлення приблизно -100°C, а не 0°C [6].
Розглянемо докладніше аномалії, спричинені наявністю водневих зв'язків.
Температура плавлення
У льоду всі молекули води утворюють по чотири водневі зв'язки (дві як донори і дві як акцептори) і залишаються відносно нерухомими. При плавленні деякі водневі зв'язки руйнуються, дозволяючи молекул рухатися активніше. Більшість необхідної енергії для розриву зв'язків передається системі в процесі плавлення, при цьому в точці фазового переходу вільна енергія Гіббса (1.1) повинна дорівнювати нулю.
∆H – зміна ентальпії,
∆S – зміна ентропії,
При підвищенні температури зменшується кількість водневих зв'язків у рідкій воді та її ентропія зростає, проте залишається відносно низькою через високий рівень структурованості. При цьому ентальпійна складова має бути врівноважена ентропійним членом. Таким чином, за рахунок збільшення температури плавлення досягається збільшення значення члена ентропійного (-T∆S), який забезпечує енергію, необхідну для розриву зв'язку. Таким чином, можна зробити висновок, що низька ентропія (високий рівень структурованості) рідкої води призводить до великої температури плавлення [4].
Аномалія щільності
Аномалія щільності подвійна. По-перше, після танення льоду щільність води збільшується, проходить через максимум при 4°C і потім зменшується зі зростанням температури (рис. 1.2). Майже у всіх інших рідин щільність зменшується зі зростанням температури. Поясненням цього є той факт, що чим більша температура, тим більша теплова швидкість молекул, тим сильніше вони розштовхують один одного, призводячи до більшої рихлості.структури. Безумовно, і у воді підвищення температури збільшує теплову швидкість молекул, але це призводить до зниження щільності лише за високих температур [7].
Рисунок 1.2 Залежність густини води від температури
По-друге, щільність води більша, ніж щільність льоду. Як відомо, при плавленні щільність рідини виявляється менше, ніж кристала. Проте густина води перевищує щільність льоду на 10%. Для порівняння розглянемо метали, вони при плавленні щільність зменшується на 2 - 4%. Це означає, що стрибок щільності при плавленні льоду аномальний не лише за знаком, а й за величиною. Поясненням даного явища служить той факт, що при плавленні льоду сильно спотворюються сітки водневих зв'язків, кути починають відхилятися від тетраедричних і зменшуються порожнечі між молекулами води.