Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ВОДА

ВОДА (оксид водорода) Н2О, мол. м. 18,016, простейшее устойчивое соед. водорода с кислородом. Жидкость без запаха, вкуса и цвета.

Распространение в природе. Вода - одно из самых распространенных на Земле соединений. Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Кол-во воды на пов-сти Земли оценивается в 1,39*1018 т, большая часть ее содержится в морях и океанах. Кол-во доступных для использования пресных вод в реках, озерах, болотах и водохранилищах составляет 2*104 т. Масса ледников Антарктики, Антарктиды и высокогорных районов 2,4*1016т, примерно столько же имеется подземных вод, причем только небольшая их часть - пресные. В глубинных слоях Земли содержится значительно больше (повидимому, не менее, чем на порядок) воды, чем на пов-сти. В атмосфере находится ок. 1,3*1013 т воды. Вода входит в состав мн. минералов и горных пород (глины, гипс и др.), присутствует в почве, является обязат. компонентом всех живых организмов.

Изотопный состав. Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (мол. %): 1Н216О - 99,13; 1Н218О - 0,2; 1Н2170-0,04; 1Н2О16О-0,03; остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожных кол-вах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содержится небольшое кол-во радиоактивного 3Н2 (или Т2О). Изотопный состав природной воды разного происхождения неск. варьирует. Особенно непостоянно отношение 1Н/2Н: в пресных водах - в среднем 6900, в морской воде -5500, во льдах - 5500-9000. По физ. свойствам D2O заметно отличается от обычной воде (см. Тяжелая вода). Вода, содержащая 18О, по св-вам ближе к воде с 16О.

Строение молекулы и физические свойства. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О—Н 0,0957 нм; валентный угол Н—О—Н 104,5°; дипольный момент 6,17*10-30 Кл*м; поляризуемость молекулы 1,45*10-3 нм3; средний квадрупольный момент — 1,87*10-41 Кл*м2, энергия ионизации 12,6 эВ, сродство к протону 7,1 эВ. При взаимод. молекулы воды с др. атомами, молекулами и ионами, в т.ч. с другими молекулами воды в конденсир. фазах, эти параметры изменяются.

Нек-рые параметры, характеризующие св-ва воды в разных агрегатных состояниях при атм. давлении, приведены ниже (см. также табл. 1 и рис. 1, на к-ром указаны области существования разл. модификаций льда):
Свойства воды

Физ. свойства воды аномальны. Плавление льда при атм. давлении сопровождается уменьшением объема на 9%. Температурный коэф. объемного расширения льда и жидкой воды отрицателен при т-pax соотв. ниже -210°С и 3,98 °С. Теплоемкость С° при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале 0-100°С почти не зависит от т-ры (имеется минимум при 35 °С). Минимум изо-термич. сжимаемости (44,9*10-11 Па-1), наблюдаемый при 46°С, выражен довольно четко. При низких давлениях и т-рах до 30 °С вязкость воды с ростом давления падает. Высокие диэлектрич. проницаемость и диполъный момент воды определяют ее хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным в-вам. Благодаря высоким значениям С°,1077-18.jpg и1077-19.jpg вода-важный регулятор климатич. условий на земле, стабилизирующий т-ру на ее пов-сти. Кроме того, близость угла Н—О—Н к тетраэдрическому (109° 28') обусловливает рыхлость структур льда и жидкой воды и, как следствие, аномальную зависимость плотности от т-ры. Поэтому не промерзают до дна крупные водоемы, что делает возможным существование в них жизни.

Табл. 1 - СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА, НАХОДЯЩИХСЯ В РАВНОВЕСИИ
Свойства пара и воды в равновесии

Фазовая диаграмма воды

Рис. 1. Фазовая диаграмма воды.

Взаимодействие между молекулами воды. Структура конденсированных фаз. Молекулы воды, обладая значит. ди-польным моментом, сильно взаимод. друг с другом и полярными молекулами др. в-в. При этом атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами О, N, F, Cl, S и др. В водяном паре при невысоких т-рах и умеренных давлениях присутствует небольшое кол-во (ок. 1% при т-ре кипения и атм. давлении) димеров воды (для них ~ 15 кДж/моль), расстояние между атомами кислорода1077-20.jpg ~ 0,3 нм. В конденсиров. фазах каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две - как донор протонов и две - как акцептор протонов. Средняя длина этих связей в кристаллич. модификациях льда и кристаллогидратах ок. 0,28 нм. Угол О—Н...О стремится к 180°. Четыре водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 2).

Структура модификаций льда представляет собой трехмерную сетку. В плотных модификациях VI-VIII, устойчивых при высоких давлениях, можно даже выделить две такие сетки, "вставленные" одна в другую. В модификациях, существующих при низких давлениях (льды Ih и Iс), связи Н—О—Н почти прямолинейны и направлены к вершинам практически правильного тетраэдра. В модификациях II-VI связи искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда.
Тетраэдрическая координация молекулы воды

Рис. 2. Схема тетраэдрической координации молекулы воды; сплошные линии - ковалентные связи; пунктирные линии - водородные связи.

Но плотность модификаций II-VI значительно ниже той, к-рой мог бы обладать лёд при плотной упаковке молекул. Только в модификациях VII и VIII достигается достаточно высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, построенные из тетраэдров (аналогичные существующим в кубич. низкотемпературном льде Iс, изоструктурном алмазу), вставлены одна в другую; при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей, а координац. число по кислороду удваивается и достигает 8. Расположение атомов кислорода во льдах VII и VIII подобно расположению атомов в1077-22.jpgжелезе и многих др. металлах. В обычном (Ih) и кубическом (Iс) льдах, а также во льдах HI, V-VII ориентация молекул не определена: оба ближайших к атому О протона образуют с ним ковалентные связи, к-рые м. б. направлены к любым двум из четырех соседних атомов кислорода в вершинах тетраэдра. Диэлектрич. проницаемость этих модификаций высока (выше, чем у жидкой воды). Модификации II, VIII и IX ориентационно упорядочены; их диэлектрич. проницаемость низка (ок. 3). Лед VIII представляет собой упорядоченный по размещению протонов вариант льда VII, а лед IX - льда III. Плотности ориентационно упорядоченных модификаций (VIII, IX) близки к плотностям соответствующих неупорядоченных (VII, III).

Трехмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всем интервале от т-ры плавления до критической. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей и отклонением углов между ними от тетраэдрических. Искривление связей увеличивается с ростом т-ры и давления, что приводит к возрастанию плотности. С др. стороны, при нагр. средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности воды при 3,98 °С.

Химические свойства. Лишь незначит. доля молекул (при 25°С - примерно 1 на 5*109) подвергается электролитич. диссоциации по схеме: Н2О1077-23.jpgН+ + ОН-. Протон Н + в водной среде, взаимодействуя с молекулами воды, образует Н3О+ , объединяющийся с 1 молекулой Н2О в H5O2+. Расстояние О...О в таких комплексах заметно короче длины нормальной водородной связи между нейтральными молекулами. Но поскольку протон, по-видимому, находится не точно посредине этой укороченной связи, а ближе к одному из атомов О, можно считать, что в воде существует гидратированный ион оксония Н3О+ . Это явление играет большую роль в хим. процессах, происходящих в разл. системах, в т. ч. биологических. В частности, диссоциация воды - причина гидролиза солей слабых к-т и (или) оснований. Концентрация ионов Н+ и связанная с ней концентрация ионов ОН- -важные характеристики водных р-ров (см. Водородный показатель). Степень электролитич. диссоциации воды заметно возрастает при повышении т-ры.

Образование воды из элементов по р-ции Н2 + 1/2O21077-24.jpgН2O (1077-25.jpgHoобр -242 кДж/моль для пара и -286 кДж/моль для жидкой воде) при низких т-рах в отсутствие катализаторов происходит крайне медленно, но скорость р-ции резко возрастает при повышении т-ры, и при 550 °С она происходит со взрывом. При снижении давления и возрастании т-ры равновесие сдвигается влево. Степень термич. диссоциации воды (%) при 100 кПа: 0,034 (1015°С), 0,74 (1711 °С), 8,6 (2215°С) и 11,1 (2483°С). Под действием УФ-излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н+ и ОН-. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н2, Н2О2 и своб. радикалов1077-26.jpg1077-27.jpg1077-28.jpg ; радиац. выход - примерно 4 распавшиеся молекулы на каждые 1,6*10-17 Дж поглощенной энергии излучения.

Вода - реакционноспособное соединение. Она окисляется атомарным кислородом: Н2О + О -> Н2О2. При взаимод. воды с F2 образуются HF, а также О, О2, О3, Н2О2, F2O и др. соединения. С остальными галогенами при низких т-рах вода реагирует с образованием смеси к-т HHal и ННаlO. При обычных условиях с водой взаимод. до половины растворенного в ней С12 и значительно меньшие кол-ва Вr2 и 12. При повыш. т-рах хлор и бром разлагают воду с образованием HHal и О2. При пропускании паров воды через раскаленный уголь она разлагается и образуется т. наз. водяной газ: Н2О + С1077-29.jpg СО + Н2. При повыш. т-ре в присут. катализатора вода реагирует с СО, СН4 и др. углеводородами, напр.: Н2О + СО1077-30.jpg СО2 + Н2 (кат. Fe); Н2О + СН41077-31.jpg СО + ЗН2 (кат. Ni или Со). Эти р-ции используют для пром. получения Н2. Перспективны для его произ-ва также термохим. способы разложения воды (см. Водород, Водородная энергетика). Фосфор при нагр. с водой под давлением в присут. катализатора окисляется в метафосфорную к-ту: 6Н2О + ЗР -> 2НРО3 + 5Н2. Вода взаимод. со мн. металлами с образованием Н2 и соответствующего гидроксида. Со щелочными и щел.-зем. металлами (кроме Mg) эта р-ция протекает уже при комнатной т-ре. Менее активные металлы разлагают воду при повыш. т-ре, напр. Mg и Zn-выше 100°С, Fe - выше 600°С (2Fe + ЗН2О -> Fe2O3 + 3H2). При взаимод. с воды многих оксидов образуются к-ты или основания. Вода может служить катализатором, напр. щелочные металлы и водород реагируют с хлором только в присут. следов воды Иногда вода - каталитич. яд, напр. для железного катализатора при синтезе NH3.

Способность молекул воды образовывать трехмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, С12, (СН2)2О, СНС13 и многими др. в-вами т. наз. газовые гидраты.

Вода как растворитель. Вода хорошо растворяет мн. полярные и диссоциирующие на ионы в-ва. Обычно р-римость возрастает с увеличением т-ры, но иногда температурная зависимость имеет более сложный характер. Так, р-римость мн. сульфатов, карбонатов и фосфатов при повышении т-ры уменьшается или сначала повышается, а затем проходит через максимум. Р-римость малополярных в-в (в т. ч. газов, входящих в состав атмосферы) в воде низкая и при повышении т-ры обычно сначала снижается, а затем проходит через минимум. С ростом давления р-римость газов возрастает, проходя при высоких давлениях через максимум. Многие в-ва, растворяясь в воде, реагируют с ней. Напр., в р-рах NH3 могут присутствовать ионы NH4 (см. также Гидролиз). Между растворенными в воде ионами, атомами, молекулами, не вступающими с ней в хим. р-ции, и молекулами воды существуют не разрушающие их ион-дипольные и межмол. взаимодействия (см. Гидратация).

Природная вода. Представляет собой сложную многокомпонентную систему, в состав к-рой входят минер. в-ва, газы, а также коллоидные и крупнодисперсные частицы, в т. ч. микроорганизмы. По величине минерализации (г/л) различают след. природные воды: ультрапресные - до 0,2, пресные - 0,2-0,5, слабоминерализованные - 0,5-1,0, солоноватые - 1-3, соленые - 3-10, с повыш. соленостью - 10-35, переходные к рассолам - 35-50, рассолы - более 50. Макрокомпонентами природной воды обычно являются Са, Mg, Na, К, Fe (катионогенные воды), Si, С, S, C1 (анионогенные воды). К микрокомпонентам природной воды относятся редкие и рудные элементы, напр. В, Li, Rb, Cu, Zn, Bi, Be, W, U, Br, I и др.

Осн. газы, содержащиеся в прир. воде, - СО2, N2 (характерны как для поверхностных, так и для глубинных условий), СН4, СО, Н2 (более типичны для подземных водах и для воды вулканич. активных областей). Растворенные в воде компоненты находятся в равновесии, образуя комплексы разл. состава. Данные о составе нек-рых природной воды приведены в табл. 2.

Табл. 2-СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД
Состав природных вод

Питьевая вода. Общее число микроорганизмов в 1 мл питьевой воды должно быть не выше 100, число бактерий группы кишечных палочек (коли-индекс) - не более 3. Концентрация хим. в-в, к-рые встречаются в природной воде или добавляются к воде при ее обработке (см. Водоподготовка), не должна превышать (мг/л):
1077-33.jpg

Содержание примесей, к-рые влияют на органолептические св-ва воды и встречаются в природной воде или добавляются к воде при ее обработке, не должно превышать (мг/л):
1077-34.jpg

Общая жесткость питьевой воды должна быть не выше 7,0 ммоль/л, сухой остаток - 1000 мг/л, рН - от 6,0 до 9,0. Для питьевой воды, подаваемой без спец. обработки, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологич. службы допускаются след. показатели: сухой остаток - до 1500 мг/л, общая жесткость - до 10 ммоль/л, содержание железа и марганца - соотв. до 1 и до 0,5 мг/л.

Техническая вода. Воду, расходуемую пром. предприятиями, принято наз. технической. Ее применяют гл. обр. в кач-ве охлаждающего агента, транспортирующей среды для сыпучих материалов (напр., гидротранспорт золы на тепловых электростанциях), р-рителя и др. В целом по всем отраслям пром-сти 70-75% от общего расхода воды применяют как хладагент по циркуляц. схеме. В этом случае вода лишь нагревается и практически не загрязняется. Главные источники загрязнения охлаждающей воды систем циркуляц. водоснабжения - вода, добавляемая в системы для восполнения неизбежных потерь, и атм. воздух, из к-poro вымываются в охладителях воды взвешенные в-ва и газы, р-римые в воде.

Осн. ионами, к-рые могут приводить к отложениям минер, солей в системах циркуляц. водоснабжения, являются анионы НСО3-, CO32-, ОН-, SOl42-, PO43-, SiO32-, а также катионы Са2+, Mg2+ , Fe2+,3+ , A13+ , Zn2+ . Наиб. часто встречающийся компонент солевых отложений - СаСО3 (см. Жесткость воды). Предотвратить отложение карбонатов можно подкислением воды H2SO4 или НС1, ее рекарбонизацией (обычно обработка топочными газами, содержащими СО2), действием полифосфатов (NaPO3)6 и Na5P3O10, орг. фосфатов и др. Для предотвращения (уменьшения) коррозии труб и теплообменного оборудования в воде добавляют ингибиторы коррозии: полифосфаты, ингибиторы на основе хромато-цинковых смесей и др. Для предупреждения обрастания оборудования бактериями воды в основном хлорируют (содержание С12 до 5 мг/л), а иногда озонируют.

Лечебные воды. В кач-ве лечебных применяют природной воде, содержащие значит. кол-во минер, солей, газы, нек-рые элементы и др. (подробнее см. Минеральные воды).


===
Исп. литература для статьи «ВОДА»: Хорн Р., Морская химия, пер. с англ., М., 1972; Эйзенберг Д., Кауцман В., Структура и свойства воды, пер. с англ., Л., 1975; Самойлов О. Я., Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов, М., 1957 Алекин О. А., Основы гидрохимии, Л., 1970; Синюков В. В., Структура одноатомных жидкостей, воды и водных растворов электролитов, М., 1976; Унифицированные методы исследования качества вод, ч. 1, кн. 2-3. Методы химического анализа вод, М., 1977; Кульский Л.А., Даль В.В., Чистая вода и перспективы ее сохранения, К., 1978; Возная Н. Ф., Химия воды и микробиология, 2 изд., М., 1979; Перельман А.И., Геохимия природных вод, М., 1982; Маленков Г. Г., в кн.: Физическая химия. [Ежегодник], М., 1984, с. 41-76. Г. Г. Маленков. С. В. Яковлев, В. А. Гладков.

Страница «ВОДА» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн