Вода – самое удивительное вещество на Земле

 
 
 
 
 

                         1. Введение. 
 

      Вода – одно из самых распространённых веществ в природе (гидросфера занимает 71 % поверхности Земли).

Воде  принадлежит важнейшая  роль в геологии, истории планеты. Без воды невозможно существование живых организмов.

Дело  в том, что тело человека почти на 63% - 68% состоит из

воды.

Практически все биохимические  реакции в каждой живой клетке –  это реакции в водных растворах… В растворах же (преимущественно водных) протекает большинство технологических процессов на предприятиях химической промышленности, в производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов.

И в металлургии  вода чрезвычайно  важна, причём не только для

охлаждения. Не случайно гидрометаллургия – извлечение металлов из руд и концентратов с помощью растворов различных реагентов – стала важной отраслью промышленности. 

2. Вода – самое  удивительное вещество  на Земле. 
 

      Вода – вещество привычное  и необычное. Известный советский  учёный академик И. В. Петрянов свою научно-популярную книгу о воде назвал "самое необыкновенное вещество в мире".

А "Занимательная  физиология", написанная доктором биологических наук Б. Ф. Сергеевым, начинается с главы о воде –

"Вещество, которое  создало нашу планету".

      Учёные абсолютно правы: нет  на Земле вещества, более важного  для нас, чем обыкновенная вода, и в тоже время не существует другого такого вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий,сколько в её свойствах.

      Почти? поверхности нашей планеты  занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. От воды зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его.

Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат.

А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров… без воды обойтись нельзя – это самое важное вещество на Земле. 
 

2.1 Строение молекулы  воды. 

 Поведение воды "нелогично". Получается, что переходы воды из твёрдого состояния в жидкое и газообразное происходит при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Этим аномалиям найдено объяснение.

Молекула воды H2О построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород – водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются.

Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле H2О, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной.

Она объединяет молекулы H2О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H2О. Взаимодействием между молекулами воды

и объясняются  в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна.

Вот почему, кстати, так велика теплоёмкость воды.  

СТРОЕНИЕ  МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ: 

МОЛЕКУЛА  ВОДЫ СОСТОИТ ИЗ 2 АТОМОВ ВОДОРОДА И 1 АТОМА КИСЛОРОДА, КОТОРЫЕ НАХОДЯТСЯ  ДРУГ ОТНОСИТЕЛЬНО ДРУГА  ПОД УГЛОМ 105°

                    

2.2 Какие связи имеет H2O?

       

В молекуле воды имеются  две полярные ковалентные связи  Н-О.

Они образованы за счёт перекрывания двух одноэлектронных 

р – облаков атома кислорода и одноэлектронных S – облаков двух атомов водорода.

      В молекуле воды атом кислорода  имеет четыре электронных пары. Две из них участвуют в образовании ковалентных связей, т.е. являются связывающими.

Две другие электронные  пары являются не связывающими.

      В молекуле имеются четыре  полюс зарядов: два – положительные  и два – отрицательные.

Положительные зарядов сосредоточены у атомов водорода, так

как кислород электроотрицательнее водорода.

Два отрицательных  полюса приходятся на две не связывающие электронные пары кислорода: 
 
 

      Подобное представление о строении  молекулы позволяет объяснить  многие свойства воды, в частности структуру льда.

В кристаллической  решётке льда каждая из молекул окружена четырьмя другими. 
 
 

      Положительно заряженный атом  водорода одной молекулы воды

притягивается к  отрицательно заряженному атому  кислорода другой молекулы воды. Такая связь получила название водородной (её обозначают точками). По прочности водородная связь примерно в 15 – 20 раз слабее ковалентной связи.

Поэтому водородная связь легко разрывается, что  наблюдается, например, при испарении воды.

      Структура жидкой воды напоминает  структуру льда. В жидкой воде молекулы также связаны друг с другом посредством водородных связей, однако структура воды менее "жёсткая", чем у льда. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются. 
 

2.3 Физические свойства H2O

       

Вода, H2O, жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых  слоях

голубоватая); плотность 1 г/см3 (при 3,98 градусах), tпл=0 градусов, tкип=100 градусов.

      Разная бывает вода: жидкая, твёрдая  и газообразная. 

    Вода  – это единственное вещество  в природе, которое в земных  условиях существует во всех трёх агрегатных состояниях: 

                                Жидком – вода

                                Твёрдом – лёд

                             Газообразном – пар 

       Советский учёный В. И. Вернадский  писал: "Вода стоит особняком  в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могли бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов.

Нет земного вещества – минерала горной породы, живого тела, которое её бы не заключало.

Всё земное вещество ею проникнуто и охвачено" 

ФИЗИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА ВОДЫ: 

① ЧИСТАЯ (ДИСТИЛЛИРОВАННАЯ) ВОДА – БЕСЦВЕТНАЯ ЖИДКОСТЬ, БЕЗ ЗАПАХА И ВКУСА

② ЕДИНСТВЕННОЕ ВЕЩЕСТВО, КОТОРОЕ  НА ЗЕМЛЕ СУЩЕСТВУЕТ В ТРЕХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ

③ ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ 100°С

    

     ④ ТЕМПЕРАТУРА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ (ПЛАВЛЕНИЯ) 0°С 

⑤В XVIII ВЕКЕ ВОДА ПОСЛУЖИЛА ЭТАЛОНОМ ДЛЯ ВЫБОРА ЕДИНИЦЫ МАССЫ: МАССЕ 1 куб. см. БЫЛО ПРИПИСАНО ЗНАЧЕНИЕ 1г 

⑥МАКСИМАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ПРИ 4°С ПРИНЯТА ЗА 1г/мл, ВСЕ ОСТАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА СРАВНИВАЮТСЯ ПО ПЛОТНОСТИ И МАССЕ С ВОДОЙ 

⑦ПЛОТНОСТЬ ЛЬДА МЕНЬШЕ, ЧЕМ У  ЖИДКОЙ ВОДЫ, ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ АНОМАЛЬНЫМ СВОЙСТВОМ ВОДЫ 

⑧ВОДА ОБЛАДАЕТ САМОЙ БОЛЬШОЙ ТЕПЛОЕМКОСТЬЮ 

⑨ОНА НЕ ПРОВОДИТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

2.4 Химические свойства H2O. 

      Из химических свойств воды  особенно важны способность её  молекул дисоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы. Роль воды, как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул (смещением центров положительных и отрицательных зарядов) и, как следствие, её чрезвычайно высокий диэлектрической проницаемостью. Разноименные электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде

в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем на воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разобщить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих трудно растворимых веществ:

капля камень точит…

      Диссоциация (распадение) молекул  воды на ионы H2О     H++OH-, или 2H2О H3O (ион гидроксия) +ОН в обычных условиях крайне незначительна;

диссоциирует в среднем одна молекула из 500000000. При этом надо иметь в виду, что первое из приведённых уравнений сугубо условное: не может существовать в водной среде лишённый электронной    оболочки протон Н.

Он сразу соединяется с молекулой воды, образуя ион гидроксия Н3О. Считают даже, что ассоцианты водных молекул в действительности распадаются на значительно более тяжёлые ионы, такие, например, как 8Н2О      HgO4+H7O4,

А реакция H2О     H++OH- - лишь сильно упрощенная схема реального процесса.

     

Реакционная способность  воды сравнительно невелика. Правда, некоторые активные металлы способны вытеснять из неё водород: 2Na+2H2O    2NaOH+H2,а в атмосфере свободного фтора вода может гореть: 2F2+2H2O     4HF+O2.

Из подобных же молекулярных ассоциатов соединений молекул состоят и кристаллы обычного льда. "Упаковка" атомов в таком кристалле не ионная, и лёд плохо проводит тепло. Плотность жидкой воды пи температуре близкой к нулю, больше чем у льда. При 0 градусов 1гр льда занимает объём 1,0905 см3, а 1гр жидкой воды – 1,0001 см3. И лёд плавает, оттого и не промерзают

насквозь водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом.

В этом проявляется ещё одна аномалия воды: после плавления она сначала сжимается, а уж потом, на рубеже 4 градусов, при дальнейшем процессе начинает расширятся. При высоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемый лёд – 1,

лёд – 2, лёд – 3, и т. д. – более тяжёлые и  плотные кристаллические формы этого вещества.

Самый твёрдый, плотный  и тугоплавкий пока лёд – 7 – полученный при давлении 3 кило Па. Он плавится при 190 градусах. 

ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА ВОДЫ:

1. С МЕТАЛЛАМИ.

 а)  очень активные металлы при взаимодействии с водой образуют гидроксид и водород

    2Na  +  2H2O  =  2NaOH  +  H2 

                     гидроксид натрия

    2K  +  2H2O  =  2KOH  +  H2

                     гидроксид калия

    Ca  +  2H2O  =  Ca(OH)2  +  H2 

                     гидроксид кальция

 

 б) средние по активности металлы при взаимодействии с водой при нагревании образуют оксид металла и водород

    Zn  +  H2O  =  ZnO  +  H2 

                     оксид цинка