Химические свойства воды

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 меньше чем в жидком. Данные аномальные свойства являются следствием особенностей строения молекулы воды и образованием водородных связей между отдельными молекулами воды. Основные физико-химические константы воды приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные физико-химические константы воды

Т пл., 0С	Т кип. 0С	Т крит., 0С	ρ(Н2Ож), г/мл (4 0С)	ρ(лёд), г/мл	С(Н2Ож), Дж/(г · К)	С(лёд) *, Дж/(г·К)	КТ
		374,2	1,000000	~0,9	4,18	2,12	1,86

* – при 0 ⁰С

Термодинамические константы воды

ΔН0298(Н2Ож), кДж/моль	ΔН0298(Н2Ог), кДж/моль	ΔН0298(исп.), кДж/моль	ΔН0298(конд.), кДж/моль	S°298(Н2Ож), Дж/(моль· К)	DG°298 (Н2Ож), кДж/ моль
-285,84	-241,83	-44,01	+44,01	69,94	-237,19

Плотность жидкой воды максимальна при температуре +4 ⁰С. При охлаждении до температуры +4 ⁰С плотность постепенно возрастает, что обеспечивает перемешивание слоев воды имеющих различную температуру. При температуре 4 ⁰С и ниже конвективный теплообмен прекращается. При достижении верхним слоем жидкой воды температуры 0 ⁰С происходит переход в кристаллическое состояние (лёд), поэтому промерзание водоема начинается с верхнего слоя воды. Так как образовавшийся лед имеет объем примерно на 10% выше 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(Н₂О_Ж)=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.

Лед имеет алмазоподобную кристаллическая модификацию, но вследствие различных длин химических и водородных связей идеальная алмазоподобная структура не образуется, а образуется рыхлая структура с большим количеством пустот. Поэтому плотность льда значительно ниже плотности жидкой воды. Максимальная плотность воды при 4 ⁰С является следствием того, что плавлении льда вначале образуются обломки структуры льда в пустотах которых могут размещаться отдельные молекулы воды, что приводит к увеличению плотности. При дальнейшем повышении температуры тепловое расширение начинает преобладать и плотность воды будет соответственно уменьшаться.

Вода является слабым электролитом

Н-ОН ↔ Н⁺ + ОН^-, К_д1 = 1,8·10^-16.

Образующийся ион водорода взаимодействует с молекулой воды с образованием иона гидроксония

Н⁺ + Н₂О = Н₃О⁺,

но для простоты записывают только ион водорода (Н⁺).

Отдельные молекулы соединяются друг с другом с образованием ассоциатов

,

которые полностью разрушаются только при переходе из жидкого в газообразное состояние.

Средний состав ассоциата соответствует формуле (Н₂О)_4÷5. Следует отметить, ассоциаты могут иметь не только линейное, но разветвленное или циклическое строение.

Ассоциаты в своем составе содержат пустоты, которые могут заполняться молекулами таких газов как Хе, Cl₂, С₂Н₆ и др. Клатраты при пониженных температурах от 0 до 24 ⁰С выпадают в осадок в виде соединений соединении состава: Хе·6 Н₂О, Cl₂·8Н₂О, С₂Н₆·6Н₂О и др. соединений. Такие соединения называются соединениями включения или клатратами. Клатраты малоустойчивые соединения существующие только при низкой температуре. На практике они применяются для разделения смесей благородных газов, углеводородов и опреснения морской воды. Клатраты не следует путать с кластерами – соединения, содержащие группировки атомов, связанные друг с другом посредством d–металлов.

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

СН₃СООNа → Nа⁺ + СН₃СОО^-.

СН₃СОО^- + Н⁺ОН^- ↔ СН₃СООН + ОН^-,

реакция среды в данном случае щелочная.

Если кислота и основание, образующие эти соли, не только слабые электролиты, но и малорастворимые или разлагающиеся с образованием летучих продуктов, то гидролиз часто протекает необратимо. При этом образуются конечные продукты гидролиза - слабое основание и слабая кислота.

Совместный гидролиз хлорида алюминия и сульфида натрия

2 АlСІ₃ + 3 Na₂S + 6 НОН ↔ 2 А1(ОН)₃ + 3 H₂S + 6 NaCl,

2 Al³⁺ + 3 S^2- + 6 НОН ↔ 2 А1(ОН)₃ + 3 H₂S.

В данном случае гидролиз протекает до образования конечных продуктов.

Многие соединения не могут существовать в водном растворе вследствие полного разложения(гидролиз).

Например – (NH₄) ₂СО₃ = 2NH₃↑+ СO₂↑ + Н₂О.

Степени окисления элементов в молекуле воды имеют значения – Н⁺¹₂О^-2.

Н⁺ – только окислительные свойства, так как находится в максимальной степени окисления,

О^-2 – только восстановительные, так как находится в минимальной степени окисления.

Величина окислительных и восстановительных свойства 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 при 1000 ⁰С по реакции

2Н₂О = 2Н₂ + О₂.

Разложение воды на водород и кислород легко достигается при электролизе воды с инертным анодом.

ЛЕКЦИЯ № 17

«ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ»