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)

Строение молекулы

Рисунок. Строение молекулы.

Образование диполя

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.

Водородные связи

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.

Агрегатные состояния воды

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:

2О ⇔ 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-.

Растворы: ионный кристалл, Газы

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).

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.

Поделиться:
Добавить комментарий