Физические свойства воды

На примере данного соединения будет показан общий подход в анализе строения и свойств химических соединений.

Водород и гелий также относятся к S-элементам.

По распространенности во Вселенной водород занимает первое место, а гелий – второе.

Гелий на земле встречается только в атмосфере и содержание его невелико. В химическом отношении это практически инертное вещество, поэтому применяется в автогенной сварке для создания инертной среды. Температура плавления гелия – -271,4 ⁰С (при давлении 3,0 МПа), а температура кипения – -269,9 ⁰С, что позволяет использовать его в качестве хладоносителя в физике низких температур.

Водород довольно распространенный элемент на земле (1%), но в свободном виде (Н₂) почти не встречается. Он входит в состав различных соединений.

Водород существует в виде трех изотопов: протий ¹₁Н, дейтерий ²₁D и тритий ³₁Т. В природе на 6800 атомов водорода приходится 1 атом дейтерия. Вследствие большой разницы в массах физические и химические свойства изотопов водорода и образуемых ими соединений довольно значительно отличаются. Одним из наиболее распространенных в природе химических соединений водорода является вода.

5. ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

5.1. Строение молекулы воды

В состав молекулы воды входит водород и кислород. Строение молекулы воды определяются соответственно электронным строением атомов кислорода и водорода. Данные элементы имеют следующие электронные формулы:

кислород – 1S²2S²2P⁴,

водорода –1S¹.

Для образования электронных конфигураций ближайших инертных газов кислороду необходимы 2 электрона, а водороду – 1, т.е. валентности данных элементов равны соответственно 2 и 1, поэтому образующееся из них соединение будет иметь состав – Н₂О. Две валентные Р–орбитали атома кислорода расположены под углом 90⁰ и образуют с S–орбиталями двух атомов водородода две S–Р –молекулярные орбитали, обеспечивающие химическую связь. Данные орбитали должны быть расположены также под углом 90⁰, но в действительности валентный угол между двумя S–Р-орбиталями равен 104,5⁰. На рисунке 1 показано строение молекулы воды и в качестве сравнения приведены геометрические модели метана и аммиака.

Рисунок 1. Геометрические модели CH₄, NH₃ и H₂O.

Из рисунка 1 видно, что валентный угол 104,5⁰ более близок к тетраэдрическому (109⁰28′) чем к углу 90⁰, т.е.

искажение валентного угла является следствием SР³–гибридизации орбиталей атома кислорода.

Дополнительным подтверждением данного предположения является геометрическая модель молекулы аммиака, у которого только одна свободная орбиталь и валентный угол еще в большей степени приближен к тетраэдрическому.

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

ΔН^0298(Н2Ож), кДж/моль	ΔН^0298(Н2Ог), кДж/моль	ΔН^0298(исп.), кДж/моль	ΔН^0298(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.

Дата добавления: 2013-12-12