Вопрос № 12. Физические св-ва воды. Диаграмма состояния воды. Строение и свойства твердой, жидкой и газообразной воды. Ассоциация. Химически связанная вода. Клатраты. Радиолиз воды.

Физические свойства воды. Температура плавления воды 0°С, кипения 100°С, плотность при 20°С — 0,998 г/см³, температурный коэффициент объемного расширения (К^-1) воды при 20°С - +2*10^-4, льда при 0°С — -1,2*10^-4. Свойства воды существенно отличаютсяот свойств водородных соединений элементов VI группы. Вода при обычных условиях находится в жидком состоянии, в то время как указанные соединения — газы. Температуры кристаллизации и испарения воды значительно выше температур кристаллизации и испарения водородных соединений элементов VI группы. Максимальную плотность вода имеет при 4°С, что также необычно. В отличие от других соединений плотность воды при кристаллизации не растет, а уменьшается. Вода имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость. Так, при 298 К диэлектрическая проницаемость ее равна 78,5, в то время как для Н₂S она меньше 10.

Строение воды. Долгое время необычные свойства воды были загадкой для ученых.Выяснилось, что они в основном обусловлены тремя причинами: полярным характером м-л, наличием неподеленных пар электронов у атомов кислорода и образованием водородных связей. Молекула водорода может быть представлена в виде равнобедренного треугольника, в вершине к-го располоден атом кислорода, а в основании - два протона. 2 пары электронов обобществлены между протонами и атомами кислорода, а две пары неподеленных электронов ориентированы по другую сторону кислорода. Длина связи О – Н составляет 96 нм, а угол между связями 105°. Связь О-Н имеет полярный хар-р, м-ла воды также полярна. Вследствие полярности вода хорошо растворяет полярные жидкости и соединения с ионными связями.

Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар от атомов водорода к атомам кислорода обусловливают образование водородных связей м-у кислородом и водородом.

Хотя водородные связи слабее ковалентных и ионных они значительно прочнее вандерваальсовых связей и обусловливают ассоциацию молекул воды в жидком состоянии и некоторые аномальные свойства воды, в частности высокие температуры плавления и парообразования, высокую диэлектрическую проницаемость, максимальную плотность при 4°С, а также особую структуру льда. В кристаллах льда молекула воды образует четыре водородные связи с соседними молекулами воды (за счет двух

неподеленных электронных пар у кислорода и двух протонов), что обусловливает возникновение тетраэдрической кристаллической структуры льда.

Расположение молекул в таком кристалле отличается от плотной упаковки молекул, в решетке много свободных мест, поэтому лед имеет относительно невысокую плотность. При высоких давлениях - (выше 200 МПа) обеспечивается более плотная укладка молекул воды и возникает еще несколько кристаллических модификаций льда. При плавлении происходит частичное разрушение структуры льда и сближение молекул, поэтому плотность воды возрастает. В то же время повышение температуры усиливает движение молекул, которое снижает плотность вещества. При температуре выше 4°С последний эффект начинает превалировать и плотность воды понижается.

В жидкой воде молекулы ассоциированы, т.е. объединены в более крупные частицы, причем устанавливается равновесие между молекулами воды, связанными в ассоциаты, и свободными молекулами воды. Наличие ассоциатов повышает температуру кристаллизации испарения воды и диэлектрическую проницаемость. При увеличении температуры растет доля свободных молекул. При испарении ассоциаты разрушаются и водяной пар при невысоких давления состоит из свободных молекул Н₂О. Однако при повышении давления молекулы воды сближаются и образуют водородные связи, происходит ассоциация молекул. По мере повышения давления пар приближается по своему строению к жидкому состоянию. Это вызывает увеличение растворимости в паре соединений с ионными связи.

Диаграмма состояния воды. Области, находящиеся м-у кривыми, являются однофазными областями (С = 2). Кривые соответствуют условиям равновесия между двумя фазами (С = 1). Кривая ОС отражает равновесие процесса кипения. Кривая кипения оканчивается точкой С, которая называется критической. При температуре выше этой точки невозможно получить жидкую воду ни при каком давлении. Вода при температурах выше критической и давлении, выше критического, переходит в особое состояние, называемое сверхкритическим. Свойства веществ в этом состоянии находятся между свойствами газа и жидкости. Например, вещества в сверхкритическом состояние имеют очень низкую вязкость, высокие диффузионную активность и способность растворять многие вещества в твердом, жидком или газообразном видах. Критическая температура для воды, например, 647 К. Критическое давление для воды 21,8 МПа.

Кривая 0В — это кривая плавления. При увеличении давления температура плавления несколько уменьшается, что обусловлено разрывом водородных связей при повышении давления. Для

большинства веществ температура плавления немного возрастает с увеличением давления.

Кривая ОА отражает процесс сублимации, т. е. перехода из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Кривая 0В описывает поведение воды в неустойчивом (метастабильном) состоянии. Явление образования метастабильного состояния получило название переохлаждения.

В точке О существует равновесие одновременно между тремя фазами. Такие точки называются тройными. Для воды в тройной точке давление равно 610 Па и температура 2 73,15 К.

Строение и свойства твердой, жидкой и газообразной воды. Жидкая вода в тонких слоях бесцветна, а в толстых имеет голубовато-зеленый цвет. Противоположность почти всем другим в-ва, плотность к-ых по мере охлаждения все время возрастает, вода имеет наибольшую плотность при +4°С.

Чистая вода почти не проводит эл ток. Она хар-ся наибольшей из всех жид и тв в-в удельной теплоемкостью, т.е. для нагревания воды требуется затратить больше тепла, чем для нагревания на тоже число градусов равного по массе кол-ва к-л др жидкости и тв тела.

При низких температурах вода испаряется сравнительно медленно, но при нагревании давление ее пара быстро возрастает. Обычно воздух содержит от 30 до 90% максимально возможного кол-ва водяного пар, тогда пар будет насыщенный. При охлаждении ненасыщенного водяным паром воздуха постепенно достигается состояние насыщения, после чего избыточный водяной пар начинает выделятся в виде тумана или – при резком охлаждении – в виде дождя. Если весь процесс проходит при более низких температурах, получается соответственно иней или снег.

При охлаждении воды до 0 градусов она переходит в тв состояние – лед. Плотность льда = 0,92 г/см³., т.е. он легче воды. Радиолиз воды. Вода под влиянием радиоактивного излучения разлагается по схеме с последующим частичным образованием Н₂, Н₂О₂, О₂. По-видимому, первичной при радиолизе воды является реакция Н₂О → е + Н₂О⁺, после чего протекают процессы Н₂О⁺ → Н⁺ + ОН и Н₂О + е → Н + ОН^-.

Клатраты. Соединения включения (клатраты) - системы, образовавшиеся в результате обратимоговнедрения молекул одного вещества («гостя») в свободные полостикристалла другого вещества («хозяина»), В соединениях включениямежмолекулярное взаимодействие молекул «гостя» с составнымичастями кристалла играет второстепенную роль.К клатратам, например, относятся так

называемыегидраты газов, которые образуются за счет включения в междоузельные пространства кристалла льда молекул С1₂, СН₄, Н₂S, Аr, Хе, SО₂ или др. В одной из модификаций льда на 46 молекулводы приходится 8 свободных полостей; отсюда средний составаких кристаллогидратов клатратного типа Х*5,75Н₂О или округленно Х*бН₂О (X — молекула «гостя»). Встречаются также гидраты газов состава Х7,7*Н₂О (Х*8Н₂О).

Газовые гидраты — твердые кристаллические вещества, напоминающие по внешнему виду снег или рыхлый лед. Первым был получен гидрат хлора Сl*бН₂О (Дэви, 1811) при охлаждении насыщенного хлором водного раствора до 9 °С. Клатраты применяются для опреснения морской воды.

Клатраты в природе часто выполняют роль естественного хранилища газов.Так, советскими учеными (А. А. Трофимук и др.) в районах вечной мерзлоты обнаружены на значительной глубине в недрах земли твердые газовые гидраты метана — важный источник ценного сырья.