Содержание статьи
    Также по теме

    ВОДА

    ВОДА – оксид водорода H2O.

    В течение многих столетий вода считалась простым веществом. Лишь в 1783 французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) сумел разложить ее. Он показал, что вода состоит из водорода и кислорода, а в 1789 дал первую оценку ее количественного состава: 15% водорода и 85% кислорода. В дальнейшем количественный анализ воды проводили многие ученые. Долгое время образцовыми считались результаты французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778–1850), полученные около 1808: 13,27% водорода и 86,73% кислорода. Только в 1821 шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) и французский физик и химик Пьер Луи Дюлонг (1785–1838) сделали более правильный анализ воды и нашли, что она содержит 11,1% водорода и 88,9% кислорода, что очень близко к современным значениям (11,19% водорода и 88,81% кислорода).

    Изучая объемные отношения реагирующих газов, Гей-Люссак показал, что один объем кислорода и два объема водорода при взаимодействии дают два объема водяного пара (при температуре выше 100° С). На основании этих результатов с учетом закона Авогадро был сделан вывод, что две частицы водяного пара образуются из одной частицы кислорода и двух частиц водорода. Таким образом была выведена формула воды H2O.

    На нашей планете вода играет очень важную роль. В природе она совершает непрерывный круговорот. Под влиянием солнечной энергии жидкая вода (главным образом, в теплых морях и океанах) превращается в пар, который поднимается в верхние слои атмосферы. Это происходит благодаря тому, что водяной пар легче воздуха. Так происходит образование облаков, которые ветрами переносятся в другие части планеты, где в виде дождя и других осадков вода попадает на поверхность земли. Здесь она образует ручьи и реки, которые возвращают испаренную воду в океаны (рис. 1).

    Рис. 1. Природный круговорот воды.

    Чистой воды в природе нет. Даже наиболее чистая дождевая вода при падении через атмосферу растворяет газы и захватывает пыль. При ее испарении всегда остается небольшой остаток – около 0,03 г на литр. На поверхности земли вода дополнительно растворяет многие твердые вещества. Часть ее впитывается в почву. В глубине земли продолжается растворение различных веществ, так что при выходе на поверхность вода иногда образует минеральные источники. Ключевая и колодезная вода от растворенных в ней солей часто бывает жесткой.

    Речная (пресная) вода содержит до 0,5 г растворенных солей в одном литре. В конце концов, все это попадает в море. Таким образом, море, испаряя чистую воду, получает взамен воду с растворенными в ней веществами. Количество солей, поставляемое реками в моря и океаны, огромно. Так, река Дон ежегодно вносит в Азовское море около 16 млн. т солей, Дунай в Черное море – 9 млн. т.

    В океанской воде содержится около 35 г солей в литре. Столько же имеется в водах большинства морей. Однако для закрытых морей встречаются отклонения от средней солености, связанные с числом впадающих рек, средней температурой и другими факторами. Балтийское море содержит лишь 3–8 г солей на литр, а Красное – до 45 г. В соленых озерах содержание солей может быть намного больше: в Мертвом море – 228 г в одном литре, в оз. Эльтон – 270 г. В морской воде растворен, в основном, хлорид натрия; кроме того, имеются и другие соли натрия, магния, кальция.

    Для научной работы, а также для фармацевтических и других целей, воду перегоняют (рис. 2). Для этого ее превращают в пар, который затем охлаждают, получая чистую дистиллированную воду. Примеси остаются в перегонном сосуде.

    Рис. 2. Лабораторная установка для перегонки воды: 1 – колба Вюрца, 2 – кусочки керамики (для равномерного кипения), 3 – пробка с термометром, 4 – холодильник Либиха, 5 – приемник, 6 – треножник, 7 – асбестовая сетка.

    Молекула воды имеет угловое строение с длиной связи О–Н 96 пм и валентным углом Н-О-Н 104,5°. Молекула воды полярна, ее дипольный момент равен 1,86 Д.(Д –дебай, 1 Д = 3,34·10-30 Кулон·м).

    Природная вода содержит следы «тяжелой» воды (оксида дейтерия) D2O. Физические свойства H2O и D2O заметно различаются.

    Таблица: Физические свойства
      H2O D2O
    t плав.,°С 0,0 3,8
    t кип., °С 100,0 101,4

    Свойства воды служат точкой отсчета для многих физических величин. Так, температуры замерзания и кипения воды лежат в основе шкалы Цельсия. Один литр – это объем 1 кг чистой воды, взвешенной при +4 °С (при этой температуре вода имеет максимальную плотность).

    Многие физические свойства воды аномальны по сравнению с другими жидкостями. Одной из причин этого служат малые размеры молекул воды – минимальные среди всех жидких веществ при обычных условиях. Однако наиболее важным свойством воды является ее способность образовывать прочные водородные связи.

    В водяном паре при температуре кипения и атмосферном давлении присутствует около 1% димеров, в которых молекулы воды объединены в пары водородными связями. В жидком и твердом состоянии каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две как донор протонов и две – как акцептор протонов. Водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 3.).

    Рис. 3. Схема тетраэдрической координации молекулы воды; пунктирные линии – водородные связи.

    Если бы водородных связей не было, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов. Водородные связи являются причиной и другого уникального свойства воды – при плавлении ее плотность возрастает. При 0°С плотность льда (0,9168 г/см3) меньше, чем плотности жидкой воды (0,9998 г/см3), поэтому лед плавает на поверхности воды. Если бы у льда была более высокая плотность, по мере замерзания он опускался бы на дно, что сделало бы жизнь в водоемах зимой невозможной.
    Чтобы превратить воду в пар, надо затратить много энергии – около 44 кДж/моль. При обратном переходе пара в жидкую воду выделяется то же количество теплоты.

    Вода устойчива при нагревании вплоть до 1000°С. При более высоких температурах она частично разлагается на водород и кислород. Эти же продукты образуются при электролизе воды.

    Разложение воды искрами электрической машины заметили еще в 1789, а годом позже воду разложили с помощью гальванического электричества. В России это впервые было сделано профессором С.-Петербургской Медико-Хирургической Академии В.В. Петровым летом 1802 посредством огромной «гальвани-вольтовой батареи», состоявшей из 4200 медных и цинковых кружков. Электролиз чистой воды идет очень медленно. Для более быстрого разложения воды электрическим током в нее добавляют какую-либо кислоту, щелочь или соль. Этот процесс иногда используют для получения чистого водорода и кислорода (рис. 4).

    Рис. 4. Электролитическое разложение воды.

    Под действием УФ-излучения вода распадается на ионы Н+ и ОН, а под действием ионизирующего излучения радиоактивных веществ – образует Н2, Н2О2 и свободные радикалы Н*, ОН*, НО2*.