double arrow

Химические свойства воды


Физические свойства воды

Бесцветная прозрачная жидкость. Обладает рядом аномальных свойств. Характеризуетсявысокой 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

ΔН02982Ож) , кДж/моль ΔН02982Ог) , кДж/моль ΔН0298(исп.) , кДж/моль ΔН0298(конд.) , кДж/моль 2982Ож), Дж/(моль· К) DG°2982Ож), 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(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.

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-, Кд1 = 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 2О)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, Nа24·10Н2О, 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 S2- + 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:

2О + 2е = Н2 + 2ОН-, φ0 = -0,83 В,

2О - 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

2О = 2Н2 + О2.

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

ЛЕКЦИЯ № 17

«ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ»







Сейчас читают про: