Химические и физические свойства воды

Строение молекулы

Вода переходит в газообразное и жидкое состояние при высоких температурах, и объясняется это строением молекулы. Частицы имеют конструкцию треугольника, при этом угол 104º является характерным между связями кислорода и водорода. Атомы водорода находятся с одной стороны от кислорода, поэтому в них децентрализуются заряды электричества.

В поляризованной жидкости происходят взаимодействия разных молекул. Водородные атомы с положительным зарядом реагируют на влияние кислородных атомов соседних частиц. Эта связь в химии носит название водородного взаимодействия. Она соединяет молекулы в полимерные пространственные конструкции, при этом плоскость водородных соединений располагается перпендикулярно плоскости, представленной молекулярными атомами той же частицы Н 2 О.

Электрическая связь отдельных молекул вещества объясняет высокие температурные показатели кипения и плавления. Требуется применение дополнительной энергии для разложения, расшатывания или преобразования прочных водородных связей. Этим же объясняется высокая теплоемкость водных растворов.

Взаимосвязи частиц

В молекуле вещества выделяются 2 ковалентные полярные связи Н-О, которые становятся возможными при перекрывании двух p — облаков кислородных атомов и s — облаков водородных элементов, являющихся одноэлектронными.

В водяной молекуле кислородный атом представлен 4 парами электронов. Две образовывают ковалентные взаимодействия и выступают связующими соединениями, в отличие от остальных электронных двоек. В молекуле полюсные заряды делятся пополам на отрицательные и положительные (2+2). Водородные атомы имеют положительный заряд, отрицательный всегда присутствует у кислородных частиц.

Такая структура молекулы наиболее характеризует свойства воды, например, строение льда — в конструкции решетки четыре молекулы окружают одну. Атомы соседних молекул с различными зарядами притягиваются и образуют прочные соединения. Такие химические связи называются водородными.

Прочность водородного соединения слабее ковалентной связки примерно в 18—20 раз, поэтому с поверхности воды часто наблюдается испарение.

В жидком состоянии молекулы соединяются по принципу ледяной конструкции и образуют водородные связи, при этом структура отличается меньшей жесткостью. При повышении температуры ранее холодной жидкости частицы ускоряют движение, происходит разрыв одних слияний и формирование других.

Химические свойства

Только вода имеет три состояния, которые напрямую зависят от давления и температуры. Жидкая, твердая и газообразная субстанция позволяет воде присутствовать в разных оболочках планеты и вступать в различные взаимодействия. Переход сопровождается затратами тепла или его выделением. В первом случае наблюдается таяние льда, испарение, во втором случае происходит замерзание или выпадение конденсата.

Один грамм льда тает при использовании 675 калорий, а 1 г воды превращается в пар при затрате 595 калорий. Температура кипения и замерзания воды находится в аномальных пределах. Если сравнивать эти параметры у гидридов селена и теллура, то аналогично можно предположить, что жидкость должна кипеть при +60ºС, а замерзать при -100ºС и ниже. Но на самом деле вода энергично кипит при +100ºС, а в лед превращается при 0ºС.

Основные свойства, определяющие ее поведение и состояние:

1. Плотность. Максимальный показатель вещества проявляется в твердом состоянии и наблюдается в дистиллированном виде при температуре +4ºС. Эта точка стоит выше температуры замерзания. При изменении условий в одну или другую сторону плотность жидкости становится меньше. Аномальное поведение наблюдается относительно объема. При повышении температуры с 0ºС до +4ºС количество жидкости становится меньше, но при последующем нагревании объем увеличивается.
2. Высокая теплоемкость. Этот показатель превышает характеристику воздуха примерно в 3 тыс. раз. Величина означает количество тепла, которое требуется для нагревания 1 моля вещества на единицу. При понижении температуры на 1ºС одного кубометра воды можно нагреть на 1ºС 3 тыс. кубометров воздуха.
3. Высокое поверхностное давление и натяжение. Капля принимает шарообразную форму, а при соприкосновении с твердой поверхностью смачивает ее. Благодаря силе внутреннего давления, жидкость поднимается по капиллярным проходам и обеспечивает питание растительности и почвообразование.
4. Отмечается высокая термическая устойчивость воды. При нахождении в газообразном состоянии пар разлагается на кислород и водород при достижении температуры свыше +1000ºС.

Универсальный растворитель

Из-за этого качества в природе почти не встречается чистая жидкость. Благодаря ему происходит перенос субстанций в пределах географической оболочки, обмен между средой и организмом. Это случается из-за способности молекул распадаться на ионы и растворять субстанции различного химического происхождения.

Диссоциация частиц в обычной среде является незначительной, при этом разлагается только одна молекула из 50 млн. Протон Н не существует в водном растворе без электронного кокона, поэтому мгновенно соединяется с молекулой и образует гидроксид Н 3 О. Считается, что водяные частицы могут распадаться на более тяжелые ионы, например, Н 7 О 4 + HgO 4 или 8Н 2 О, а формула Н 2 О Н++ОН относится к довольно упрощенной схеме процесса.

Для определения субстанции в качестве растворителя используются качества:

• полярности — смещения ядер отрицательных и положительных атомов;
• высоких показателей диэлектрической проницаемости.

Частицы с разными электрическими зарядами, например, ионы, увлекаются навстречу друг другу слабее в жидком состоянии, чем в газообразной среде. При таких условиях требуется меньше тепла для рассредоточения молекулы, чем и объясняется растворяющая способность.

Плохой проводник электричества

Чистая от химических примесей водная субстанция плохо проводит электрический ток. Из-за небольшого показателя сжимаемости в среде отлично распространяются ультразвуковые и звуковые колебания.

Свойства жидкости претерпевают изменения, в зависимости от влияния температуры и давления:

• при нагревании снижается сила поверхностного сопротивления, увеличивается вязкость и плотность субстанции, возрастает скорость распространения звука и проводимость электрического тока;
• с увеличением давления температура кипения становится выше, снижается граница образования льда.

Чистая вода является довольно хорошим изолятором. В нормальных условиях определяется слабый распад молекул. Небольшой уровень концентрации протонов или Н 4 О (ионов гидроксония) или НО (гидроксильных ионов) выражается показателем 0,1 мкмоль/л.

В воде почти всегда присутствуют разведенные примеси, так как с водой при обычных условиях реагирует большое число веществ. В субстанции присутствуют разные классы солей, которые содержат собой отрицательные и положительные частицы, поэтому жидкость проводит некоторое количество электричества. Чистота водного раствора определяется степенью ее проводимости.

Устойчивость к внешним факторам

Сопротивляемость действию окружающей среды проявляется в аномальных свойствах. Молекулы прочно притягиваются между собой, благодаря водородным связям. Водородный ион связывается с частицей другого элемента и способен привлекать к себе катион или анион подобного типа от другой молекулы. Электростатические водородные взаимодействия разрушаются при изменении состояния жидкости на пар.

Сложность структуры обуславливается тем, что наблюдаются водяные молекулы с разным молекулярным весом из-за образования водородных и кислородных изотопов (у обычной молекулы вес равен 18). Такие отклонения связываются с присутствием водородных сочетаний. Разность зарядов ведет к тому, что электронные облака смещаются в сторону водорода, ион которого не оснащен внутренними электронными оболочками и имеет небольшие размеры.

Кислородный атом попадает в заряженную мантию отрицательно электризованного атома в соседней молекуле. Они притягиваются к водородным элементам, и наоборот. Обменная протонная сочетаемость также играет роль. При этом водяная молекула участвует только в 4 водородных соединениях:

• два водородных атома участвуют по отдельности в одной связи;
• кислородные частицы принимают участие в двух связях.

Такое состояние остается характерным для льда. При таянии некоторые соединения распадаются, а молекулы укладываются плотнее. Испарение удаляет последние связи, для процесса требуется много тепла, отсюда высокая точка кипения и теплоемкость. Вязкость субстанции объясняется структурными водородными связями, которые препятствуют движению частиц с разной скоростью.

Реакционная активность

Является характерным взаимодействие металлов с водой. С жидкостью взаимодействуют только активные металлы, при этом происходят восстановительно-окислительные реакции. Легко соединяются щелочные и земельные металлы 1 и 2 групп.

Уравнения, при которых выделяется водород:

• 2K + 2H 2 O = H 2 + 2KOH.
• 2Na + 2H 2 O = H 2 + 2NaOH.
• 3Fe + 4H 2 O = 4H 2 + Fe 3 O 4 (только при повышении температуры).

Примером взаимодействия неметаллов с водой служит реакция водородного соединения углерода (метана) или самого углерода. Эти субстанции относятся к менее активным веществам, по сравнению с металлами, поэтому для реакции требуется высокая температура:

• С+ Н 2 О= Н 2 +СО².
• СН 4 +2Н 2 О=4Н 2 +СО 2.

Под действием электричества вода делится на кислород и водород, при этом она одновременно выступает в роли восстановителя и окислителя. Водные растворы вступают в реакцию с оксидами неметаллов, реакции носят соединительный характер.

Примеры формул:

• Сернистая кислота SO 2 + H 2 О= H 2 SO 3.
• Серная кислота SO 3 +Н 2 О=Н 2 S О 4.
• Угольная кислота СО 2 +Н 2 О=Н 2 СО3.

Оксиды металлов также реагируют с водой, например, гидроксид кальция в виде гашеной извести. Но часть из них почти не растворяется в водных растворах и не вступает в реакцию. Эти вещества служат основой при производстве стойких к влажным условиям красок.

Образование гидратов

Вода участвует в реакциях, при которых сохраняется неизменной ее молекула. Получаются гидраты, а если они имеют кристаллическую решетку, то носят название кристаллогидратов. В результате реакции образовывается медный купорос, гидрат серной кислоты или едкого натрия. Связи, которые соединяют воду в гидраты, применяют в форме осушителей для удаления излишней влажности воздуха.

Водные растворы участвуют в синтезе крахмала растениями и других веществ (углеводов), при этом происходит получение кислорода. Это свойство служит основой для появления и развития жизни на планете, так как вода играет главную роль в органических процессах.

Реакционная способность находится на низком уровне, но некоторые металлы вытесняют из воды водород. Полученные ионы Н⁺ окисляют металлические атомы, которые в ряду активности стоят до водорода в таблице. Химические свойства воды восстанавливают их до молекулярного вида. Жидкость горит в условиях помещения ее в атмосферу с присутствием свободного фтора.

После восстановления металла в условиях комнатной температуры, который обладает высокой активностью, образовывается газообразный водород. Состав конечного продукта зависит от динамичности вещества, имеет значение и способ реагирования. Для металлов средней активности требуется увеличение температуры, при этом конечным продуктом служит оксид металла.