Вода. Водные растворы

Невозможно переоценить роль воды в естественных природных и тех­нических процессах. Ничто не обходится без её участия. Вода и водные растворы широко применяются в производстве современных минеральных и полимерных строительных материалов. Проблемы водоснабжения и во-доотведения - важнейшие в современном жизнеобеспечении. Вода - глав­ная везде и всегда. Поэтому курс «Химия в строительстве» начинается с изложения свойств воды и вопросов, связанных с использованием её в тех­нологии строительства.

Вода в природе находится в непрерывном взаимодействии с окружаю­щей средой и представляет собой раствор многих веществ, в том числе со­лей, газов, а также веществ органического происхождения.

Молекулы воды могут вступать во взаимодействие с ионами или моле­кулами растворённых веществ, образуя соединения - гидраты. Такая гид-ратная вода иногда очень прочно связана с растворённым веществом и при выделении из раствора входит в состав кристаллов. Кристаллические веще­ства, содержащие в своем составе воду, называют кристаллогидратами. Вода, входящая в структуру таких кристаллов, называется кристаллизаци­онной. Состав кристаллогидратов обычно выражают, указывая число моле­кул кристаллизационной воды, приходящейся на одну молекулу вещества, например формула кристаллогидрата сульфата меди - CuS0₄∙ 5Н₂0. Иногда одно вещество способно образовывать кристаллогидраты, содержащие раз­личное число молекул кристаллизационной воды.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома ки­слорода (Н₂О), соединённых ковалентными полярными связями, угол меж­ду которыми равен 104,54°. Молекула воды является по­лярной: та часть молекулы, где находится атом кислорода, имеет некоторый отрицательный заряд, а та часть, где располагаются атомы водорода, - равный по величине положительный заряд (обычно частичные заряды в подобных случаях обо­значают символами σ + и σ-). То есть молекула воды - диполь.

За счёт взаимного электростатического притяжения отрицательно за­ряженных атомов кислорода и положительно заряженных атомов водорода разных молекул между ними образуются множественные разнонаправлен­ные водородные связи. Эти связи объединяют молекулы воды друг с дру­гом и объясняют различные аномальные свойства воды. Молекулы в воде

находятся не в индивидуальном состоянии, а образуют ассоциаты (соеди­нения) из множества молекул Н₂0 различного состава и структуры, объе­динённых водородными связями.

Вода в природе встречается в трёх агрегатных состояниях - жидком, твёрдом (лёд) и газообразном (пары воды). При этом температуры плавле­ния и кипения воды являются аномально высокими по сравнению с други­ми веществами сравнимой или даже более высокой молекулярной массы.

Ожидаемая температура кипения воды составляет всего 90°. Однако реальная температура кипения (100°) намного выше. Это объясняют водо­родными связями, объединяющими все молекулы. Разрыв этих связей требу­ет дополнительных затрат энергии. Жидкая вода имеет наибольшую плот­ность (1000 кг/м³) при 4°. При повышении температуры плотность воды снижается за счёт постепенного разрыва части водородных связей. Но даже при испарении молекулы воды переходят в газовую фазу не по одной, а целы­ми ассоциатами (группами), состоящими из молекул, объединённых сохра­няющимися водородными связями.

Если воду освободить от взвешенных частиц и растворенных газов, а затем равномерно нагревать, не встряхивая, то можно достичь температуры значительно выше 100°, прежде чем вода бурно закипит. При охлаждении воды ниже 0° она также не всегда сразу замерзает. Для начала кипения или кристаллизации необходимы так называемые "зародыши", которыми могут быть мелкие кристаллики или пылинки, находящиеся в жидкости. Если же таковых нет, то может произойти перегрев или переохлаждение воды.

В твёрдом состоянии вода (лёд) имеет кристаллическую решётку, в ко­торой каждая молекула окружена четырьмя другими молекулами воды. В результате лёд является веществом с низкой плотностью (900 кг/м³). При его плавлении разрывается около 15% имеющихся водородных связей, а пустоты внутри каркаса льда заполняются молекулами воды. Поэтому плотность жидкой воды превышает плотность льда, и плавление льда со­провождается уменьшением объёма до 9- 10%. При замерзании воды, на­оборот, происходит увеличение объёма. Необходимо учитывать, что при замерзании воды в насыщенных ею материалах, ёмкостях или трубах воз­никающее при увеличении объёма давление настолько велико, что вызыва­ет их разрушение.

Чистая вода характеризуется наибольшей из всех жидких и твёрдых веществ (за исключением аммиака) теплоёмкостью. Поэтому для нагрева­ния воды требуется затратить больше тепла, чем для нагревания равного по массе количества какой-либо другой жидкости или твёрдого тела (при ох­лаждении вода отдаёт больше тепла, чем равное количество любого твёрдо­го и жидкого вещества).

Теплопроводность воды также значительно больше, чем у других жид­костей - 0,63 Вт/(м • К). Электропроводность же воды очень мала, но замет­но возрастает при повышении температуры и давления. С увеличением температуры снижается и вязкость воды (при 20° равна 1,01 • 10³ Пас).