Удивительные свойства воды
язи О—Н, а остальные четыре
электрона представляют собой две неподелённых электронных пары.
Валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°).
Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному
атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные
положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных
полюса. Центры отрицательных зарядов неподелённых электронных пар атома
кислорода, находящиеся на гибридных [pic]- орбиталях, смещены относительно
ядра атома и создают два отрицательных полюса.
[pic]
Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает её простейшей
формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения
ее растворов в других растворителях, оказывается более, высокой. Это
свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т.
е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и
аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды.
Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.
В твердой воде (лёд) атом кислорода каждой молекулы участвует в
образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно
схеме,
[pic] [pic]
в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры
льда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такому
расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом
своими разноимёнными полюсами. Молекулы образуют слои, причём каждая из них
связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из
соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в
ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры
молекулы [pic].
При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде
сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — как
бы обломки структуры льда, — состоящих из большего или меньшего числа
молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень
короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других
агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные
молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной.
Именно поэтому при плавлении льда объём, занимаемый водой, уменьшается, а
её плотность возрастает.
По мере нагревания воды, обломков структуры льда в ней становится все
меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале
температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением,
так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше
4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность
воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.
При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных
связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25
кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.
Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при
переходе воды в пар.
Гл.4. Химические свойства воды. Молекулы воды отличаются большой
устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000 °С водяной
пар начинает разлагаться на водород и кислород:
2Н[pic]О [pic]2Н[pic]+О[pic]
Процесс разложения вещества в результате его нагревания называется
термической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с
поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше
температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000
°С степень термической диссоциации воды не превышает 2%, т.е. равновесие
между газообразной водой и продуктами ее диссоциации — водородом и
кислородом — все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же
ниже 1000 °С равновесие практически полностью сдвигается в этом
направлении.
Вода — весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и
неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли
образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы
взаимодействуют с водой с выделением водорода.
Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов
влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не
взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не
окисляется в атмосфере воздуха.
Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных
условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так называемые гидраты
газов. Примерами могут служить соединения Хе[pic]6Н[pic]О,
CI[pic][pic]8H[pic]O, С[pic]Н[pic][pic]6Н[pic]О,
С[pic]Н[pic][pic]17Н[pic]О, которые выпадают в виде кристаллов при
температурах от 0 до 24 °С (обычно при повышенном давлении соответствующего
газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами
газа («гостя») межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды
(«хозяина»); они называются соединениями включения или клатратами.
В клатратных соединениях между молекулами «гостя» и «хозяина» образуются
лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинуть
своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных
затруднений, поэтому клатраты — неустойчивые соединения, которые могут
существовать лишь при сравнительно низких температурах.
Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных газов. В
последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и
некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в
солёную воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают
льдоподобные кристаллы клатратов, а соли остаются в растворе. Похожую на
снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают, затем при
некотором повышении температуры или уменьшении давления клатраты
разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь
используется для получения клатрата. Высокая экономичность и сравнительно
мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в
качестве промышленного метода опреснения морской воды.
Гл 5. Диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния (или фазовая
диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между
величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в
системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной
и т. д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для
однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния,
показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления; они
называются диаграммами состояния в координатах Р—Т.
На рисунке приведена в схематической форме (без строгого соблюдения
масштаба) диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают
определенные значения температуры и давления.
Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически
устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из
трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три
области, отвечающие льду, жидкости и пару.
[pic]
Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА (рис.),
отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе
цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое
количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов,
воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором
положении. Через некоторое время часть воды испарится, и над ее
поверхностью будет находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и
убедиться в том, что оно не изменяется с течением времени и не зависит от
положения поршня. Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить
давление насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие
измерения при различных температурах, найдем зависимость давления
насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОА представляет собой
график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значений
температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар
находятся в равновесии друг с другом — сосуществуют. Кривая ОА называется
кривой равновесия жидкость—пар или кривой кипения. В таблице приведены
значения давления насыщенного
водяного пара при нескольких температурах.
|Температура |Давление |Температура |Давление насыщенного пара |
| |насыщенного пара | | |
| | | | | | |
| |кПа |мм рт. ст.| |кПа |мм рт. ст. |
|0 |0,61 |4,6 |50 |12,3 |92,5 |
|10 |1,23 |9,2 |60 |19,9 |149 |
|20 |2,34 |17,5 |70 |31,2 |234 |
|30 |4,24 |31,8 |80 |47.4 |355 |
|40 |7,37 |55,3 |100 |101,3 |760 |
Попытаемся осуществить в цилиндре давлен
| |  скачать работу |
Удивительные свойства воды |
