Вода хімічні та фізичні властивості Вода хімічний довідник
ВОДА (оксид водню) Н2О, мовляв. м. 18,016, найпростіше стійке з'єдн. водню з киснем. Рідина без запаху, смаку та кольору.
Распространение в природе. Вода - одне з найпоширеніших Землі сполук. Молекули води виявлені у міжзоряному просторі. Вода входить до складу комет, більшості планет сонячної системи та їх супутників. Кількість води на пов-сті Землі оцінюється в 1,39 * 10 18 т, більшість її міститься в морях і океанах. Кількість доступних для використання прісних вод у річках, озерах, болотах і водосховищах становить 2*10 4 т. Маса льодовиків Антарктики, Антарктиди та високогірних районів 2,4*10 16 т, приблизно стільки ж є підземних вод, причому лише невелика їх частина – прісні. У глибинних шарах Землі міститься значно більше (очевидно, не менше, ніж на порядок) води, ніж на пов-сті. В атмосфері знаходиться прибл. 1,3 * 10 13 т води. Вода входить до складу мн. мінералів і гірських порід (глини, гіпс та ін.), присутній у ґрунті, є зобов'язати. компонент всіх живих організмів.
Ізотопний склад. Існує 9 стійких ізотопних різновидів води. Зміст їх у прісній воді в середньому такий (мол. %): 1 Н2 16 Про - 99,13; 1 Н2 18 Про - 0,2; 1 Н2 17 0-0,04; 1 Н 2 Про 16-0,03; інші п'ять ізотопних різновидів присутні у воді в нікчемних кіл-вах. Крім стабільних ізотопних різновидів, у воді міститься невелика кількість радіоактивного 3 Н2 (або Т2О). Ізотопний склад природної води різного походження дек. варіює. Особливо непостійне відношення 1 Н/2 Н: у прісних водах – у середньому 6900, у морській воді –5500, у льодах – 5500-9000. За фіз. властивості D2O помітно відрізняється від звичайної води (див. Тяжка вода). Вода, що містить 18 Про, по св-вам ближче до води з 16 Про.
Будова молекули і фізичні властивості. дипольний момент 6,17 * 10 -30 Кл * м; поляризуемість молекули 1,45 * 10 -3 нм 3; середній квадрупольний момент - 1,87 * 10 -41 Кл * м 2, Енергія іонізації 12,6 еВ, спорідненість до протону 7,1 еВ. При взаємод. молекули води з ін атомами, молекулами та іонами, в т.ч. з іншими молекулами води у конденсир. фазах, ці параметри змінюються.
Деякі параметри, що характеризують св-ва води в різних агрегатних станах при атм. тиску, наведені нижче (див. також табл. 1 і рис. 1, на якому зазначені області існування разл. модифікацій льоду):
Фіз. властивості води аномальні. Плавлення льоду за атм. тиск супроводжується зменшенням обсягу на 9%. Температурний коефіцієнт. об'ємного розширення льоду та рідкої води від'ємний при т-pax соотв. нижче -210°С та 3,98°С. Теплоємність З ° при плавленні зростає майже вдвічі і в інтервалі 0-100 ° С майже не залежить від т-ри (є мінімум при 35 ° С). Мінімум ізо-терміч. стисливості (44,9 * 10 -11 Па -1), що спостерігається при 46 ° С, виражений досить чітко. При низьких тисках і т-рах до 30 ° С в'язкість води зі зростанням тиску падає. Високі діелектрич. проникність і диполъный момент води визначають її хорошу розчинну здатність по відношенню до полярним та іоногенним в-вам. Завдяки високим значенням °, і вода-важливий регулятор кліматич. умов землі, стабілізуючий т-ру з її пов-сти. Крім того, близькість кута Н-О-Н до тетраедричного (109 ° 28) обумовлює пухкість структур льоду і рідкої води і, як наслідок, аномальну залежність щільності від т-ри. Тому не промерзають до дна великі водоймища, що уможливлює існування в нихжиття.
Табл. 1 - ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ І ВОДЯНОЇ ПАРИ, ЗНАХОДЯТЬСЯ В РІВНОВАГІ
Мал. 1. Фазова діаграма води.
Взаємодія між молекулами води. Структура конденсованих фаз. Молекули води, володіючи значить. ді-польним моментом, сильно взаємод. один з одним та полярними молекулами ін. в-в. При цьому атоми водню можуть утворювати водневі зв'язки з атомами О, N, F, Cl, S та ін. У водяній парі при невисоких т-рах і помірних тисках присутня невелика кількість (бл. 1% при т-рі кипіння і атм. тиску) димерів води (для них
15 кДж/моль), відстань між атомами кисню
0,3 нм. У конденс. У фазах кожна молекула води утворює чотири водневі зв'язки: дві - як донор протонів і дві - як акцептор протонів. Середня довжина цих зв'язків у кристаліч. модифікаціях льоду та кристалогідратах бл. 0,28 нм. Кут О-Н. Про прагне 180°. Чотири водневі зв'язки молекули води спрямовані приблизно до вершин правильного тетраедра (рис. 2).
Структура модифікацій льоду є тривимірною сіткою. У щільних модифікаціях VI-VIII, стійких при високому тиску, можна навіть виділити дві такі сітки, "вставлені" одна в одну. У модифікаціях, що існують при низьких тисках (льоди Ih і Iс), зв'язки Н-О-Н майже прямолінійні і спрямовані до вершин практично правильного тетраедра. У модифікаціях II-VI зв'язку викривлені та кути між ними відрізняються від тетраедричного, що зумовлює збільшення щільності порівняно із щільністю звичайного льоду.
Мал. 2. Схема тетраедрич. координацію молекули води; суцільні лінії – ковалентні зв'язки; пунктирні лінії – водневі зв'язки.
Але щільність модифікацій II-VI значно нижче тієї, який міг би мати лід при щільній упаковці молекул.Тільки в модифікаціях VII і VIII досягається досить висока щільність упаковки: в їх структурі дві правильні сітки, побудовані з тетраедрів (аналогічні існуючим в кубич. низькотемпературному льоду Iс, ізоструктурному алмазі), вставлені одна в одну; при цьому зберігається система прямолінійних водневих зв'язків, а координація. число по кисню подвоюється і досягає 8. Розташування атомів кисню у льодах VII і VIII подібне до розташування атомів вжелезе і багатьох інших металах. У звичайному (Ih) і кубічному (Iс) льодах, а також у льодах HI, V-VII орієнтація молекул не визначена: обидва найближчих до атома Протону утворюють з ним ковалентні зв'язки, які м. б. спрямовані до будь-яких двох із чотирьох сусідніх атомів кисню у вершинах тетраедра. Діелектрич. проникність цих модифікацій висока (вище, ніж у рідкої води). Модифікації II, VIII та IX орієнтаційно впорядковані; їх діелектрич. проникність низька (бл. 3). Лід VIII є впорядкованим за розміщенням протонів варіантом льоду VII, а лід IX - льоду III. Щільності орієнтаційно впорядкованих модифікацій (VIII, IX) близькі до густин відповідних невпорядкованих (VII, III).
Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, існує і в рідкій воді у всьому інтервалі від т-ри плавлення до критичної. Збільшення щільності приплавлення, як і у разі щільних модифікацій льоду, пояснюється викривленням водневих зв'язків та відхиленням кутів між ними від тетраедричних. Викривлення зв'язків збільшується зі зростанням т-ри та тиску, що призводить до зростання щільності. З іншого боку, при нагр. середня довжина водневих зв'язків стає більшою, внаслідок чого щільність зменшується. Спільна дія двох факторів пояснює наявність максимуму щільності води при 3,98 °С.
Хімічні властивості. Лише незначить. частка молекул (при 25 ° С - приблизно 1 на 5 * 109) піддається електролітич. дисоціації за схемою: Н2ОН + + ВІН - . Протон Н + у водному середовищі, взаємодіючи з молекулами води, утворює Н3О +, що поєднується з 1 молекулою Н2О в H5O2 +. Відстань О. Про в таких комплексах помітно коротша за довжину нормального водневого зв'язку між нейтральними молекулами. Але оскільки протон, мабуть, знаходиться не точно посередині цього укороченого зв'язку, а ближче до одного з атомів, можна вважати, що у воді існує гідратований іон оксонію Н3О + . Це явище відіграє велику роль у хім. процесах, які у разл. системах, у т. ч. біологічних. Зокрема, дисоціація води - причина гідролізу солей слабких к-т та (або) основ. Концентрація іонів Н + і пов'язана з нею концентрація іонів ВІН - важливі характеристики водних розчинів (див. Водневий показник). Ступінь електролітіч. дисоціації води помітно зростає у разі підвищення т-ры.
Утворення води з елементів по р-ції Н2 + 1 /2O2Н2O (H o обр -242 кДж/моль для пари і -286 кДж/моль для рідкої води) при низьких т-рах відсутність каталізаторів відбувається вкрай повільно, але швидкість р-ції різко зростає у разі підвищення т-ры, і за 550 °З відбувається із вибухом. При зниженні тиску і зростанні т-рівновагу зрушується вліво. Ступінь терміч. дисоціації води (%) при 100 кПа: 0,034 (1015 ° С), 0,74 (1711 ° С), 8,6 (2215 ° С) і 11,1 (2483 ° С). Під дією УФ-випромінювання відбувається фотодисоціація води на іони Н+ та ОН-. Іонізуюче випромінювання викликає радіоліз води з утворенням Н2, Н2О2 та своб. радикалів; радіац. вихід - приблизно 4 молекули, що розпалися, на кожні 1,6*10 -17 Дж поглиненої енергії випромінювання.
Вода - реакційна сполука. Вона окислюється атомарнимкиснем: Н2О + Про -> Н2О2. При взаємод. води з F2 утворюються HF, а також О, О2, О3, Н2О2, F2O та ін з'єднання. З рештою галогенів при низьких т-рах вода реагує з утворенням суміші к-т HHal і ННаlO. За звичайних умов з водою взаємод. до половини розчиненого в ній С12 і значно менші кол-ва Вr2 і 12. При підвищенні. т-рах хлор і бром розкладають воду з утворенням HHal та О2. При пропущенні парів води через розпечене вугілля вона розкладається і утворюється т. зв. водяний газ: Н2О + С + Н2. При підвищенні. т-ре у присутності. каталізатора вода реагує з СО, СН4 та ін. вуглеводнями, напр.: Н2О + СО СО2 + Н2(кат. Fe); Н2О + СН4 З + ЗН2 (кат. Ni або З). Ці р-ції застосовують для пром. отримання Н2. Перспективні щодо його произ-ва також термохім. Методи розкладання води (див. Водень, Воднева енергетика). Фосфор при нагр. з водою під тиском у присутності. каталізатора окислюється в метафосфорну до-ту: 6Н2О + ЗР -> 2НРО3+5Н2. Вода взаємод. зі мн. металами з утворенням Н2 та відповідного гідроксиду. З лужними і щел.-зем. металами (крім Mg) ця р-ція протікає вже за кімнатної т-ре. Менш активні метали розкладають воду при підвищенні. напр. Mg і Zn-вище 100°С, Fe - вище 600°С (2Fe + ЗН2О - Fe2O3 + 3H2). При взаємод. з води багатьох оксидів утворюються к-ти чи основи. Вода може бути каталізатором, напр. лужні метали і водень реагують з хлором тільки в присутності. слідів води Іноді вода – каталітич. напр. для залізного каталізатора під час синтезу NH3.
Здатність молекул води утворювати тривимірні сітки водневих зв'язків дозволяє їй давати з інертними газами, вуглеводнями, СО2, С12, (СН2)2О, СНС13 та багатьма ін. в-вами т. зв. газові гідрати.