Вода и водные растворы

Лекция 1

1.Вода как химическое соединение.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, имеет и имеет простую на первый взгляд формулу Н₂О. Молекула воды имеет следующее строение:

Н

О) 104,5⁰

0,96 А⁰

Н

Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О - Н 0,0957 нм (0,96 А°), угол между связями О - Н 104,5 °, энергия ионизации 12,6 эВ.

Направленность химических связей и распределение электронных плотностей в молекуле воды можно объяснить электростатическим взаимодействием между атомами водорода при образовании связей О-Н и гибридизацией s- и р- электронных орбиталей атома кислорода. Электронное облако молекулы воды имеет вид четырех лепестков, направленных к вершинам неправильного тетраэдра. В двух вершинах одной грани находятся электронные пары, осуществляющие связь О-Н, а в двух вершинах противоположной грани находятся не поделенные электронные пары атома кислорода. Электронное облако в молекуле воды смещается к атому кислорода, т.к. он имеет большую электроотрицательность. Вследствие этого вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда, поэтому молекула воды полярна.

Рис. 1 Электронное облако Рис. 2 Электронные орбитали

молекулы воды молекулы воды

Полярные молекулы характеризуются электрическим моментом диполя, для воды он равен 1,84 дебая. Благодаря наличию дипольного момента между молекулами воды проявляется сильное взаимодействие с образованием водородной связи.

Водородная связь возникает в результате внедрения очень малого по размерам положительно поляризованного атома водорода одной молекулы в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода другой молекулы воды. Длина водородной связи О...Н изменяется в пределах от 0,14 до 0,2 нм, энергия ее составляет 17-33 кДж/ моль.

Структура льда гексагональная (структура тетраэдрапустоты )

Н Н

О

Н Н

О – Н О

Н

Н Н

О – Н О

Н

2. Физические свойства воды.

Чистая вода представляет собой бесцветную (в тонком слое) или голубовато-зеленую (в толстом слое) прозрачную жидкость, не имеющую ни запаха,ни вкуса.Вода- единственный на Земле минерал, который может находиться одновременно в трех агрегатных состояниях: твердое, жидкое и газообразное.

О … Н Н … О

Н Н … О … Н Н …

Масса одного мл очищенной воды принята за единицу массы и называется граммом.

Молекулярная масса воды, у.е. 18,0154.

Плотность жидкой воды, г/ см 0,998

Теплота образования, кДж/ моль

пар 241,985

жидкая 286,031

Теплота плавления, кДж / моль 6,012

Теплота испарения, кДж/ моль 44,041

Удельная теплоемкость, кДж/кг х град
Льда 2,039

Жидкой воды 4,187

Пара 3,039

Теплопроводность, Вт/ м х К

Льда 2,34

Жидкой воды (20°) 0,598

Пара (100°) 0,645

Плотность льда, г/ см³ 0,9168

Поверхностное натяжение, Н / м²

Приведенные физические константы относятся к одному изотопу воды Н₂¹⁶О. В природе встречаются другие устойчивые изотопы водорода (дейтерий и тритий) и кислорода (протий ¹⁷О, ¹⁸О). Только с учетом протия и дейтерия можно получить следующие изотопы воды: Н₂¹⁶О; HD ¹⁶O; D₂ ¹⁶О; Н₂¹⁷О; D₂¹⁷O; HD¹⁷O; H₂¹⁸O; HD¹⁸O. Наибольшее применение из перечисленных изотопов имеет тяжелая вода D₂¹⁶O.

3. Аномальные свойства воды.

Все аномальные свойства воды связаны с особенностями строения ее молекулы и способностью образовывать молекулярные агрегаты или ассоциированные молекулы (Н ₂ О)_n.

3.1.Существованием водородных связей объясняется аномально высокая температура плавления воды по сравнению с водородными соединениями аналогов кислорода (Т_пл для Н₂ S -60,3°С, для Н₂Те -51°С, для H₂Se-65,7°C)

3.2. В зависимости от температуры и давления, при которых происходит формирование кристаллической фазы, различают 13 видов льда. При обычных условиях устойчивым является лед, имеющий гексагональную структуру, каждая молекула воды тетраэдрически окружена четырьмя другими, образующими с ней водородные связи. Подобное соединение молекул воды друг с другом способствует образованию пустот в кристаллической решетке льда, объясняя аномально малую плотность воды в твердом состоянии.

3.3 При нагревании от 0°С до 4°С объем воды не увеличивается а уменьшается и максимальная плотность ее достигается не в точке замерзания, а при 4°С.

В твердом состоянии в результате образования тетраэдрических комплексов объем увеличивается примерно на 10%. При плавлении льда нарушается его регулярная структура, что сопровождается увеличением плотности.

3.4 Температура замерзания воды с увеличением давления понижается,а не повышается, как этого следовало бы ожидать.

3.5 Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с теплоемкостью других тел.

З.6 Вследствие высокой диэлектрической проницаемости (>15) и наличия дипольного момента, вода обладает высокой растворяющей и диссоциирующей способностью.

3.7 Вода обладает самым большим поверхностным натяжением из всех жидкостей (75 эрг /см ²), за исключением ртути (436 эрг/ см).

3.8 Вода, по сравнению с другими жидкостями имеет наибольшую теплоту испарения и теплоту плавления.

Аномальные свойства воды играют огромную роль в природе и формировании климата на Земле. Малая теплопроводность льда защищает водоемы от промерзания и способствует сохранению жизни на Земле в суровых климатических условиях северных регионов. Хорошей защитой водоемов является и снег, теплопроводность которого соответствует теплопроводности шерсти при плотности 0,1 г/см³ и теплопроводности бумаги при плотности 0,2 г/см³.

Высокая теплоемкость воды способствует сглаживанию температурных перепадов в жарких и холодных районах, благодаря возникновению огромных теплых и холодных океанических течений. Массы воды океанов и морей служат гигантским тепловым аккумулятором Земли. Кроме того высокая теплоемкость воды способствует поддержанию нормальной температуры тела у теплокровных организмов при переходе из одной температурной обстановки в другую.

Аномально высокая величина поверхностного натяжения воды играет важную роль в протекании биохимических процессов как в организме человека, так и в окружающей нас природе (смачиваемость, капиллярный эффект).

Самая высокая величина диэлектрической проницаемости воды (81) по сравнению с другими жидкостями определяет ее самую большую растворяющую способность в отношении веществ с полярной и ионной структурой.

4.Химические свойства воды.

Вода весьма реакционноспособное вещество, взаимодействует с окислами металлов и неметаллов, способна входить в состав координационных соединений в виде лигандов. Вода

Подвержена электролитической диссоциации по следующим схемам:

Н₂О = Н⁺ + ОН^-

По такой схеме диссоциирует 1 молекула из 5 х 10⁹ молекул. Протон Н ⁺ взаимодействует с молекулой воды, образуя ион гидроксония:

Н⁺ + Н₂О = Н₃О ⁺

Ион гидроксония в свою очередь взаимодействует с молекулой воды, образуя гидратированный ион гидроксония Н₅О₂.

Существование гидратированных ионов играет важную роль в химических процессах, протекающих в различных системах, в том числе биологических.

4.1 Синтез воды.

Н₂ + 1/2 О₂ = Н₂О - 242 кДж/ моль(для пара), 286 кДж / моль (для воды)

При низких температурах в отсутствие катализатора реакция протекает крайне медленно, при повышении температуры до 550°С реакция происходит со взрывом.

4.2 Взаимодействие воды с окислителями.

Вода окисляется атомарным кислородом с образованием перекиси водорода:

Н₂О+О=Н₂О_2;

4.3.Взаимодействие с галогенами.

Н₂О + С1₂ = Н С1 +Н С1О при низких температурах;

2 Н₂ О + С1₂ = 4 Н С1 + О ₂; при повышенных температурах.

4.4 Взаимодействие с углеродом. При пропускании паров воды через раскаленный уголь образуется так называемый водяной газ:

Н₂О + С = СО + Н₂ ;

4.5. Взаимодействие с соединениями углерода.

Н₂О + СО = Н₂ + СО₂

Н₂О + СН₄ = 3H₂+ СО(катализаторы Ni или Со).

Эти реакции используются для промышленного получения водорода.

4.6. Взаимодействие с фосфором.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора взаимодействует с водой с образованием метафосфорной кислоты.

6 Н₂О + 3 Р = 2 НРОз + 5 Н₂

4.7. С металлами

Дата добавления: 2014-01-07