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+ + SO32-
(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 | ||
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.