Sэлементы

• Название: Sэлементы
• Дата: 25.10.2021
• Размер: 430.99 Kb.
• Имя файла: bibliofond.ru_875716.rtf
• Тип: Документы; #255082
• страница: 4 из 8

4. Химия воды

Вода - главное соединение водорода, обладающее уникальными свойствами и имеющее жизненно важное значение.

Строение воды. Вода относится к числу наиболее распространенных в природе веществ. Общее её количество составляет 1,4·10¹⁸ т, она покрывает примерно четыре пятых площади земной поверхности. Вода входит в состав многих минералов, горных пород и почвы. Она играет исключительно важную роль в природе, в жизнедеятельности растений, животных и человека. На долю воды приходится приблизительно 1/3 массы человеческого тела. Многие пищевые продукты (овощи, фрукты, молоко, яйца, мясо) на 95-65% состоят из воды.

Существует девять установленных изотопов воды, из них Н¹⁶₂О - составляет 99,73% (моль доли), а Н¹⁸₂О - 0.2%. Небольшая приходится на тяжелую воду D₂О. В воде имеется небольшое количество радиоактивного изотопа (Т₂О).

Трудно переоценить роль воды в технике, сельском хозяйстве, медицине, а также в технологических процессах различных отраслях народного хозяйства. На топливных и атомных электростанциях вода, например, является основным рабочим веществом - теплоносителем, а на гидроэлектростанциях - носителем механической энергии. Исключительная роль воды в природе и технике обусловлена её свойствами. Вода - термодинамически устойчивое соединение. Стандартная энергия Гиббса образования жидкой воды при температуре 298К равна - 237,57 кДж/моль, водяного пара - 228,94 кДж/моль. Соответственно константа диссоциации водяного пара при разложении на водород и кислород очень мала:

Константа диссоциации приближается к единице лишь при температуре выше 4000К.

Физические свойства воды. Температура плавления воды 0^оС, кипения 100^оС. Плотность при 20^оС - 0,998 г/см Свойства воды существенно отличаются от свойств водородных соединений элементов IV группы (H₂S, H₂Se, Н₂Те). Вода при обычных условиях находится в жидком состоянии, в то время как указанные соединения - газы. Температура кристаллизации и испарения воды значительно выше температур кристаллизации и испарения водородных соединений элементов IV группы. Максимальную плотность вода имеет при температуре 4^оС. Что также необычно. В отличие от других соединений плотность воды при кристаллизации не растет, а уменьшается. Вода имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость. Так, при 298 К диэлектрическая проницаемость её равна 78,5, в то время как для H₂S она меньше 10. Вода - хороший растворитель полярных жидкостей и соединений с ионными связями.

Вода образует кристаллогидраты со многими соединениями. Например, CH₄ · nН₂О, С₂Н₅Сl · mH₂O (клатраты или соединения включения).

Необычные свойства воды обусловлены тремя причинами: полярным характером молекул, наличием неподеленных электронных пар у атомов кислорода и образованием водородных связей. Молекула воды имеет угловую форму с углом НОН 104,5^о, близким к тетраэдрическому, в вершине расположен атом кислорода, соединенный с двумя атомами водорода (протонами) полярной ковалентной связью. Две пары электронов обобществлены между протонами и атомом кислорода, по две пары неподеленных электронов ориентированы а другую сторону кислорода. Молекула воды полярна. Вследствие полярности вода хорошо растворяет полярные жидкости и соединения с ионными связями. Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар от атома водорода к атому кислорода обуславливают образование водородных связей между кислородом и водородом.

Хотя водородные связи слабее ковалентных и ионных, они значительно прочнее вандерваальсовых связей и обуславливают ассоциацию молекул воды в жидком состоянии и некоторые аномальные свойства воды, в частности высокие температуры плавления и парообразования, высокую диэлектрическую проницаемость, максимальную плотность при 4^оС, а также особую структуру льда. В кристаллах льда молекула воды образует четыре водородные связи с соседними молекулами воды (за счет двух неподеленных электронных пар у кислорода и двух протонов), что обуславливает возникновение тетраэдрической кристаллической структуры льда.

В жидкой воде молекулы ассоциированы, т.е. объединены в более крупные частицы. Причем устанавливается равновесие между молекулами воды, связанными в ассоциаты, и свободными молекулами воды. Наличие ассоциатов повышает температуру кристаллизации и испарения воды и диэлектрическую проницаемость. При увеличение температуры растет доля свободных молекул.

При испарении воды ассоциаты разрушаются, и водяной пар при невысоких давлениях состоит из свободных молекул Н₂О. Однако при повышении давления молекулы воды сближаются и образуют водородные связи. Происходит ассоциация молекул. По мере повышения давления пар приближается по своему строению к жидкому состоянию. Это вызывает увеличение растворимости в паре соединений с ионными связями.

Химические свойства воды. Вода частично диссоциирует на ионы водорода и гидроксида (К_д,298 = 2·10^-16).

Протон взаимодействует с Н₂О, образуя Н₃О⁺. Вода - амфотерное соединение, т.е. может быть как кислотой

так и основанием

Вода может быть как окислителем, так и восстановителем. Окислительно-восстановительная двойственность связана с возможностью протекания двух процессов:
(1) окисление водорода Н₂О + е →½Н₂ + ОН^-, Е⁰ (рН = 7) = - 0,410 В

(2) восстановление кислорода О₂ + 4Н⁺+ 4е = 4Н₂О, Е⁰ (рН = 7) = 0,815 В.
Сильные окислители окисляют её с выделением кислорода:
Н₂О + F₂ = 2HF +½O₂
Сильные восстановители восстанавливают её с выделением водорода, например:
Н₂О + Са = Са (ОН) ₂ +H₂
При повышенной температуре водяной пар взаимодействует с СО (на Fe-катализаторе), метаном (на Na - или Со-катализаторе):
СО + Н₂О = СО₂ + Н₂

СН₄ + 2Н₂О = СО₂ + 4Н₂
Вода является лигандом и координируется как катионами [М (Н₂О) _m] ⁿ⁺, так и анионами [А (Н₂О) _m] ^n-.

Вода катализирует протекание многих реакций. Например, щелочные металлы взаимодействуют при комнатной температуре даже в присутствии следов воды. Так как молекулы воды полярны, то они хорошо растворяют многие полярные и диссоциирующие на ионы соединения. В воде хорошо растворимы вещества, образующие с водой водородные связи (SO₂, NH₃, C₂H₅OH и др.). Растворимость в воде малополярных веществ низка.