Физические свойства воды

Строение молекулы воды

Свойства воды

Более важного соединения для жизнедеятельности живых организмов на Земле нет. Вода входит в состав большинства пищевых продуктов и широко используется в ряде технологических процессов. Несмотря на большое количества воды на Земле, пригодной и доступной для использования, является сравнительно небольшое количество пресной воды. В результате жизнедеятельности человечества происходит постепенное ухудшение качества воды. Для устранения этой тенденции Генеральная Ассамблея ООН резолюцией

№ 58 от 09.12.2003 г. провозгласила период с 2005 по 2015 гг. Международным десятилетием действий «Вода для жизни».

В состав молекулы воды входит водород и кислород. Строение молекулы воды определяются соответственно электронным строением атомов кислорода и водорода. Данные элементы имеют следующие электронные формулы: кислород – 1s²2s²2р⁴, водород – 1s¹. Для образования электронных конфигураций ближайших инертных газов кислороду необходимы 2 электрона, а водороду – 1, т.е. валентности данных элементов равны соответственно 2 и 1, поэтому образующееся из них соединение будет иметь состав Н₂О. В исходном атоме кислорода две валентные р-орбитали расположены под углом 90⁰, а в образовавшейся молекуле воды валентный угол составляет 104,5⁰. На рисунке 16.1 показано строение молекулы воды и в качестве сравнения приведены геометрические модели аммиака и метана.

 

Рисунок 16.1– Геометрические модели молекул CH₄, NH₃ и H₂O

 

Из рисунка 16.1 видно, что валентный угол в воде 104,5⁰ ближе к тетраэдрическому (109⁰28′), чем к углу 90⁰. Объяснить искажение валентного угла можно только предположив, что происходит sр³-гибридизация орбиталей атома кислорода. Дополнительным подтверждением этому является геометрическая модель молекулы аммиака, у которого только одна свободная орбиталь и валентный угол (107,3⁰) еще в большей степени приближен к тетраэдрическому. Такой же валентный угол, как у аммиака, имеет ион гидроксония Н₃О⁺, у которого также свободна только одна орбиталь. В кристаллическом состоянии валентный угол воды (109⁰28') еще ближе к тетраэдрическому, так как из-за образовавшихся водородных связей свободные орбитали отсутствуют.

Отдельные молекулы воды соединяются друг с другом посредством водородных связей с образованием относительно прочных ассоциатов:

,

которые полностью разрушаются только при переходе из жидкого в газообразное состояние.

Наличие водородных связей объясняет аномально высокие температуры плавления и кипения воды.

Вода – бесцветная прозрачная жидкость. В таблице 16.1 приведены некоторые физические константы воды. Тпл. и Ткип. приведены при атм. давлении.

Таблица 16.1– Физические константы воды

М, г/моль	Т пл., оС	Т кип. оС	Т крит., оС	Р крит., МПа	ρ(Н2Ож), г/мл (4 оС)	ρ(лёд), г/мл	С(Н2Ож), Дж/(г·К)	С(лёд), Дж/(г·К)
			374,2	22,12	1,00000	~0,9	4,18	2,12

 

Из таблицы 16.1 видно, что вода имеет аномально высокие температуры

плавления и кипения, не согласующиеся с её мольной массой. Критические температура и давление указывают, что при данных значениях различия между жидким и газообразным состояниями воды исчезает. Плотность воды максимальна при температуре 4 ^оС, а в кристаллическом состоянии плотность примерно на 10 % меньше. Плотность льда значительно ниже плотности жидкой воды, так как в алмазоподобной кристаллической структуре льда имеется большое количеством пустот. Вода и лёд характеризуются высокой теплоемкостью.

Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении жидкой воды атмосферным воздухом. При понижении температуры поверхностного слоя

воды до 4 ^оС плотность её постепенно возрастает, что обеспечивает перемешивание слоев воды, имеющих различную температуру. При достижении всеми слоями воды температуры 4 ^оС и при дальнейшем охлаждении до температуры 0 ^оС конвективный теплообмен прекращается. При температуре верхнего слоя воды 0 ^оС происходит переход жидкой воды в кристаллическое состояние (лёд), поэтому промерзание водоема начинается с поверхностного слоя воды. Так как лед имеет плотность меньше, чем плотность жидкой воды, он располагается на поверхности водоема.