Физико-химические свойства воды

Вода (оксид водорода) – бинарное неорганическое соединение с химической формулой H₂O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При стандартных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объеме), запаха и вкуса.

Молекула воды имеет угловую форму. Согласно теории валентных связей в молекуле H₂O две sp³-гибридные орбитали атома кислорода участвуют в образовании двух связей О-Н. На двух других sp³-гибридных орбиталях расположены две несвязывающие электронные пары. Валентный угол воды HOH составляет 104,5°, длина связи O-H равна 0,0957 нм (рис. 1.1):

Рисунок 1.1 Молекула воды

 

Из-за относительно большого положительного заряда ядра атома кислорода (8+) и близость его электронов, атом кислорода притягивает электроны значительно сильнее (т.е. гораздо более электроотрицательным), чем атомы водорода (1+). Это приводит к переносу заряда от атомов водорода к атому кислорода, и, следовательно, полярность молекулы воды.

 

Вода - единственное химическое соединение, которое в природе может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях одновременно. Многие ее физические свойства и их изменения имеют аномальный характер.

Основными причинами аномальных изменений свойств воды являются полярность ее молекул и образование объемной системы водородносвязанных структур. Они делают воду весьма реакционным соединением с уникально хорошей растворяющей способностью по отношению к полярным и ионогенным веществам, при этом в воде растворяются все природные соединения.

Коэффициент объемного расширения имеет отрицательные значения при температурах ниже 3,98°С, теплоемкость при плавлении возрастает почти вдвое, а в интервале 0-100°С почти не зависит от температуры – имеет минимум при 35°С. Другие аномальные свойства воды – аномально высокие температуры кипения – 100°С и плавления 0°С.

Вязкость воды при повышении давления снижается аномально быстро в области малых температур при нагревании (что не характерно для других веществ). Все аномальные явления обусловлены особенностями строения молекул воды и их способностью образовывать молекулярные агрегаты и ассоциированные молекулы – (Н₂О)_n.

Масса 1 мл очищенной речной воды принята за единицу массы и называется граммом.

Температура замерзания при 760 мм рт.ст. – 0°С; температура кипения – 100°С.

 

Водородная связь

Несмотря на достаточно простую структуру молекулы, вода обладает широким спектром уникальных и специфических свойств. Одной из причин данных свойств является ее способность образовывать водородные связи (рис. 1.1). Водородная связь возникает, когда атом Гидрогена в молекуле соединен с сильно электроотрицательным элементом, в нашем случае в качестве такого элемента выступает Оксиген. При этом Гидроген приобретает частичный положительный заряд H^δ+ – O^δ-, что позволяет ему притягивать другую молекулу, также содержащую электроотрицательный элемент – Оксиген. Таким образом, в образовании водородной связи всегда участвуют три атома – два электроотрицательных атома Оксигена и находящийся между ними атом Гидрогена O ∙∙∙ H^δ+ – O^δ-. Водородную связь принято обозначать точками [5].

Рисунок 1.1 Графическое изображение образования водородных связей

Энергия образования водородных связей мала, однако за счет значительного их количества они существенно влияют на физико-химические свойства веществ, повышая их температуры плавления и кипения. Вода по своему атомному составу должна быть газообразным веществом и кипеть приблизительно при -80°C, а не +100°C, иметь температуру плавления приблизительно -100°C, а не 0 °C [6].

Рассмотрим подробнее аномалии, вызванные наличием водородных связей.

 

Температура плавления

Во льду все молекулы воды образуют по четыре водородных связи (две как доноры и две как акцепторы) и остаются относительно неподвижными. При плавлении некоторые водородные связи разрушаются, позволяя молекулам двигаться активнее. Большая часть необходимой энергии для разрыва связей передается системе в процессе плавления, при этом в точке фазового перехода свободная энергия Гиббса (1.1) должна равняться нулю.

 

∆G = ∆H - T∆S, (1.1)

 

где

∆H – изменение энтальпии,

∆S – изменение энтропии,

T – температура.

 

При повышении температуры уменьшается число водородных связей в жидкой воде и ее энтропия возрастает, однако остается относительно низкой из-за высокого уровня структурированности. При этом энтальпийная составляющая должна быть уравновешена энтропийным членом. Таким образом, за счет увеличения температуры плавления достигается увеличение значения энтропийного члена (-T∆S), который обеспечивает энергию, необходимую для разрыва связи. Таким образом, можем сделать вывод, что низкая энтропия (высокий уровень структурированности) жидкой воды приводит к большой температуре плавления [4].

 

Аномалия плотности

Аномалия плотности двояка. Во-первых, после таяния льда плотность воды увеличивается, проходит через максимум при 4°C и только затем уменьшается с ростом температуры (рис. 1.2). Почти у всех других жидкостей плотность уменьшается с ростом температуры. Объяснением этому служит тот факт, что чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости структуры. Безусловно, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но это приводит к понижению плотности только при высоких температурах [7].

Рисунок 1.2 Зависимость плотности воды от температуры

Во-вторых, плотность воды больше, чем плотность льда. Как нам известно, при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем кристалла. Однако плотность воды превышает плотность льда на 10%. Для сравнения рассмотрим металлы, у них при плавлении плотность уменьшается на 2 - 4%. Это значит, что скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине. Объяснением данного явления служит тот факт, что при плавлении льда сильно искажаются сетки водородных связей, углы начинают отклоняться от тетраэдрических, и уменьшаются пустоты между молекулами воды.