Статьи

Свойства молекулы воды

Вода, встречающаяся на Земле, возникла при дегазации магмы. Она может выделяться биохимическим путем при минерализации органических веществ, а также в процессах фотосинтеза и окислительно-восстановительных реакций. Вода состоит из молекул, в которых оба атома водорода соединены с одним атомом кислорода ковалентной связью и находятся в углах 104°27'. (Рисунок. Строение молекулы, Образование диполя)

Рисунок. Строение молекулы.

Рисунок. Образование диполя.

Благодаря высокому, по сравнению с водородом (+1), заряду ядра кислорода (+8) электроны притягиваются к ЯДРУ атома О сильнее, чем к ядрам атома Н (молекулярная теория): центры масс зарядов не совпадают между собой, молекула представляет собой постоянный диполь, который может взаимодействовать с носителями положительных и отрицательных зарядов.

Диполи молекул воды могут соединяться между собой водородными связями, на разрыв которых (диссоциацию) требуется затратить около 20 — 42 ккал/моль (энтальпия диссоциации). Молекулы воды могут неструктурированно объединяться в кластеры (жидкая вода) или образовывать тетраэдрические или кольцевидные кристаллические структуры льда (Рисунок. Агрегатные состояния воды). При 0 — 4 °С кластеры состоят приблизительно из 90 молекул, при 70 °С — из 25 молекул, постоянно объединяющихся и распадающихся.

Рисунок. Водородные связи.

Благодаря кластерам теоретическая точка плавления воды повышается от - 100 °С до 0 °С, а точка кипения — от — 70 °С до + 100 °С, вследствие чего в температурных условиях земной поверхности вода находится в жидком, а не в газообразном агрегатном состоянии.

Рисунок. Агрегатные состояния воды.

Жидкая вода

Жидкая вода используется живыми существами как средство транспортирования тепла и питательных веществ в кровеносных сосудах животных и в капиллярах растений; она образует водную среду обитания. Подобно тому как концентрация СО₂ в водоемах часто является ограничивающим фактором, так и вода определяет земную био производительность. Вследствие своего дипольного характера вода является универсальным растворителем для многих групп веществ. Растворительная способность воды зависит от ее способности диссоциировать:

2Н₂О ⇔ Н₃О⁺ 4- ОН^- (амфолит).

Концентрация ионов гидроксония (Н₃O⁺) и, соответственно, гидроксил-ионов (ОН^-) показывает, насколько кислый или щелочной раствор. Если Н₂O отдает протоны, например:

Н₂О + NH₃ ⇔ NH₄⁺ + ОН^-,

то она вступает в химическую реакцию как кислота (донор протонов), а если принимает протоны, например

Н₂О + НСI ⇔ Н₃О⁺ + СI,

то как акцептор протонов; если молекула может реагировать и как кислота, и как основание, ее называют амфотерной.

Оксиды неметаллов образуют с водой кислоты, например

SO₂ + Н₂О ⇔ 2Н⁺ + SO₃^2-

(проблема — SO₂,).

отдельные оксиды металлов — щелочи, например

СаО + Н₂О ⇔ Са²⁺ + 2ОН^-.

Соли металлов, диссоциируя, разлагаются, а как соли слабых кислот и щелочей разделяются при гидролизе, например:

Na₂CO₃ + Н₂О ⇔ 2Na⁺ + НСО₃^- + ОН^-.

Рисунок. Растворы: ионный кристалл, Газы.

Вода может внедрять я в кристаллическую решетку (образование гидратов).

Таблица. Растворимость газов в Н₂O.

Газы	Растворимость при
Газы	О °С	10 °С	20 °C
Воздух
(78%) N₂	22,4	1745	14,2
(20,1%) О₂	14,5	11,1	8,9
(0,03%) СО₂	1,0	0,7	0,51
Азот (N₂)	28,8	22,6	18,6
Кислород (О₂)	69,5	53,7	43,3
Диоксид углерода (СО₂)	3350	2320	1690
Аммиак (NH₃)	1000	690	540
Сероводород(H₂S)	7100	5300	4000
Хлор (Cl₂)	14 600	9700	7000
Озон (О₃)	1360	1100	7700

Вода очень хорошо растворяет полярные вещества, например соли (гидрофильное действие), чаще с образованием ионов, неполярные — хуже или как жиры, не растворяет совсем (гидрофобное действие). Растворимость газов, химических не реагирующих с водой, зависит от температуры и давления (Таблица. Растворимость газов в Н₂O (мг/л)), например в озере содержание кислорода изменяется сверху вниз. В непроточных стоячих водоемах большую роль играет аномалия плотности (Рисунок. Аномалия плотности).

Рисунок. Аномалия плотности.

При 4 °С вода имеет наибольшую плотность, при более низкой температуре плотность уменьшается. Наиболее холодный слой (0 — 4 °С) воды находится у ее поверхности, где при дальнейшем охлаждении образуется лед, который плавает благодаря еще меньшей плотности кристаллической решетки (Рисунок. Агрегатные состояния воды).

Замерзание сверху вниз позволяет рыбам в достаточно глубоких озерах выжить в нижних слоях воды. Плотность воды зависит также от содержания солей и давления. Так, в более плотной соленой воде планктон имеет лучшие условия для пребывания во взвешенном состоянии, чем в бедной ионами воде олиготрофных озер. У воды большая удельная теплоемкость: 4,187 кДж • К^-1 • кг^-1; это означает, что необходимо затратить 4,187 кДж, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 °К 1 °С) при нормальном давлении. Теплота плавления льда составляет 333,7 кДж/кг, теплота испарения воды — 2255 кДж/кг; она высвобождается как тепло конденсации при сжижении водяного пара. Благодаря высокой теплоемкости вода может накапливать большие количества тепла и в сравнении с сушей представляет собой относительно более стабильную среду обитания.

У воды высокая вязкость и поверхностное натяжение, зависящие от температуры и давления.

Вязкость противодействует движению в воде, поддерживает планктон во взвешенном состоянии. Поверхностное натяжение возникает благодаря силам когезии, действующим на молекулы воды на границе раздела с воздухом (нейстон), возникает так называемая поверхностная пленка. Важным свойством воды для биоценозов водоемов является прозрачность воды.

Добавить комментарий