Физические и химические свойства воды

Чистая вода представляет собой бесцветную или голубовато-зеленую прозрачную жидкость, не имеющую ни запаха, ни вкуса.

Масса 1 мл очищенной речной воды принята за единицу массы и называется граммом.

Такие фундаментальные физические характеристики воды, как температура кипения и замерзания известны каждому из нас. При давлении 760 мм рт. ст. температура замерзания воды составляет 0,00 °С, а температура кипения - 100,00 °С. Вода по своему молекулярному строению, как гидрид кислорода, подобна гидридам серы, селена и теллура, т.е. гидридам элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической системы химических элементов, и для нее должны бы наблюдаться закономерности изменения физических свойств, свойственные гидридам других элементов данной подгруппы. Начиная с более тяжелого из них, проследим, как изменяются температуры кипения и замерзания по мере уменьшения молекулярной массы гидридов.

В соответствии с этими зависимостями следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при -70 °С и замерзать при -90 °С. На самом же деле в

обычных условиях вода замерзает при О °С и закипает при 100 С. Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Таким образом, аномальность температур замерзания и кипения воды связана с тем, что существование ее в условиях Земли в твердом и жидком состояниях само по себе аномально. Нормальным было бы пребывание ее только в парообразном состоянии.

Температура ассоциации молекул воды позволяет объяснить причину одного из важнейших свойств воды - ее плотностную аномалию. Как известно, максимальная плотность воды (1,0 г/см3) соответствует температуре +4 °С, а лед имеет значительно меньшую плотность - 0,94 г/см3. Предполагается, что в воде при +4 °С присутствует максимальное число удвоенных молекул воды.

Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой теплоте ее парообразования. Например, чтобы испарить 1 г воды, уже нагретой до 100 °С, требуется в 6 раз больше тепла, чем для нагревания 1 г воды от 0 до 80 °С. Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. Под действием солнца 1 млн т воды за минуту превращается в пар, каждый грамм которого несет в верхние слои атмосферы по 2,26 тыс. Дж солнечной энергии. В результате атмосфера Земли получает количество тепла, эквивалентное тому, которое вырабатывали бы 40 тысяч электростанций, каждая мощностью по 1 млрд кВт.

Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Вода выступает регулятором температуры на нашей планете.

Среди необычных свойств воды следует отметить ее исключительно высокое поверхностное натяжение (72,7-10"3 Н/м при 20 °С), которое относительно велико по сравнению с большинством других жидкостей и уступает только ртути.

Поверхностное натяжение воды очень чувствительно даже к следам примесей. Величина поверхностного натяжения существенно снижается при наличии примесей поверхностно-активных веществ.

Поверхностное натяжение проявляется в смачивании поверхностей многих тел. Смачивание и поверхностное натяжение лежат в основе явления, называемого капиллярностью. Состоит оно в том, что в узких каналах вода способна подниматься на высоту, гораздо большую, чем та, которая допускается силой тяжести для столбика данного сечения. Капиллярность имеет огромное значение для эволюции жизни на нашей планете. Благодаря этому явлению вода смачивает толщу Земли, лежащую значительно выше грунтовых вод, и доставляет корням растений растворы питательных солей с глубины десятков метров. Капиллярностью во многом обусловлено движение крови и тканевых жидкостей. С величиной поверхностного натяжения связаны такие практически важные вопросы, как расход энергии на распыление воды, степени смачиваемости водой твердых тел в процессе флотации, способность воды подниматься по капиллярам.

В обычных условиях чистая вода практически не диссоциирована, это делает ее плохим проводником электрического тока; электропроводность химически чистой воды при 18 С составляет 3,8-10"8 Ом*1 • см*1, тогда как электропроводность морской воды в миллионы раз больше благодаря ее высокому солесодержанию. Измерение электропроводности является одним из наиболее чувствительных методов анализа воды.

Вязкость воды быстро уменьшается с повышением температуры. Это свойство воды следует учитывать и по возможности использовать в процессах, связанных с фильтрацией водных растворов.

В природе в зависимости от температуры и давления вода может находиться в трех агрегатных состояниях: лед, вода, пар.

Напомним, что химической системой называется вещество или смесь веществ в определенном ограниченном объеме. Система может быть гомогенной и гетерогенной. Гомогенная система представляет собой единое по составу и внутренней структуре скопление частиц, либо одинаковых, либо разных, но полностью перемешанных друг с другом. Такой системой будет, например, вода, раствор сахара или соли, смесь газов, однородное твердое вещество и т.п. Наоборот, система является гетерогенной, если в ней одновременно содержатся различные по составу или внутренней структуре скопления частиц, ограниченные друг от друга поверхностями раздела. гетерогенным относятся, например, системы, состоящие из двух несмешивающихся жидкостей, льда и воды, смеси твердых веществ и др.

Разделенные составные части гетерогенной системы носят название её фаз. Фазой, таким образом, называется гомогенная часть гетерогенной системы.

Если мы обратимся теперь к рис. 5, то увидим, что вся площадь диаграммы разбита на три части, каждая из которых соответствует области устойчивости одного из агрегатных состояний воды, т.е. одной из фаз трех-фазной системы: лед - вода - водяной пар. Разделяющие эти области линии отвечают тем условиям температуры и давления, при которых в устойчивом состоянии находятся две фазы.

Вода является очень слабым электролитом. Из 555 млн. молекул воды диссоциирует на ионы только одна

Ионное произведение воды сильно возрастает при повышении температуры водных растворов. Изменение величины ионного про-изведения воды в зависимости от температуры очень важно в процессах гидролитического расщепления солей.

В реакциях окисления - восстановления вода обычно играет роль среды. Под действием сильных восстановителей при обыкновенной темпера-туре и особенно при повышенной вода проявляет окислительные свойства, например, окисляет щелочные и щелочноземельные металлы, железо, углерод и др. При действии сильных окислителей (фтор, хлор и т.п.) вода склонна проявлять восстановительные свойства.

Вода способна к комплексообразованию. Существуют три типа присоединения воды к молекулам других веществ, а именно: присоединение по электролитическому или ионному типу, по координационному типу и по адсорбционному типу.

По ионному типу соединяются с водой оксиды щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов и кислотные оксиды. Вода, присоединенная по ионному типу, называется конституционной. Так как все реакции соединения оксидов с водой являются экзотермическими, то полученные соединения устойчивы, и конституционная вода при нагревании удаляется с большим трудом.

Молекулы воды, будучи диполями, способны притягиваться преимущественно к положительным ионам металлов, образуя комплексы. Комплексы, в состав которых входит вода, называются аквакомплексами или кристаллогидратами, а вода, вошедшая в их состав - кристаллизационной. Связь между положительными ионами металлов и кислородом воды является координационной связью. При нагревании, а также при выветривании кристаллогидратов кристаллизационная вода выделяется значительно легче, чем конституционная.

Каждое вещество на своей поверхности адсорбирует некоторое количество воды за счет межмолекулярных сил притяжения. Наличие последних обусловливается, по-видимому, дипольностью молекул воды. Вода, присоединенная к веществу по адсорбционному типу, называется гигроскопической. Гигроскопическая вода удаляется еще легче кристаллизационной

Вода является универсальным растворителем, способным растворять очень многие твердые вещества, жидкости и газы. Способность многих веществ растворяться в воде и диссоциировать на ионы определяется ее высокой диэлектрической проницаемостью. У большинства растворителей диэлектрическая проницаемость находится в пределах от 10 до 50. У воды величина диэлектрической проницаемости максимальна и равна 81. Эта особенность воды определяет самую большую растворяющую способность в отношении веществ с полярной и ионной структурой. Высокая растворяющая способность воды сыграла важную: роль в формировании состава природных вод, которые в зависимости от условий образования значительно отличаются друг от друга по своим качественным показателям.

По своим химическим свойствам вода является весьма реакционным веществом. Реакционную способность воды необходимо учитывать при использовании химических методов очистки сточных вод.

В то же время вода является химически устойчивым соединением. То, что вода химически не изменяется под действием тех соединений, которые она растворяет, и не изменяет их, характеризует ее как инертный растворитель. Это свойство воды очень важно для живых организмов нашей планеты, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно мало измененном виде. Как растворитель вода может использоваться многократно.

Благодаря своей ассоциативности вода обладает удивительными, можно сказать, загадочными свойствами. К примеру, вода, прошедшая сквозь магнитное поле (омагниченная вода), находит применение в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве и даже медицине. Омагниченная вода растворяет не только накипь в паровых котлах, но и почечные камни. Лекарства, приготовленные на омагниченной воде, действуют более эффективно.

А талая вода? Ученые в Томске обнаружили, что замачивание семян в талой снеговой воде повышает урожайность ячменя на четверть. Цыплят поили талой речной водой - через два месяца их вес был на 40 % больше, чем у тех, которые пили обычную воду из той же реки.

Есть и озвученная вода. Был проведен такой опыт: семена сосны одновременно замачивали в ведре обычной воды и в ведре той же воды, над которой час гудел автомобильный клаксон. Вторые саженцы были значительно выше и мощней своих собратьев.

А в серьезной научной литературе ежегодно печатаются сведения о чудесах воды освещенной, перемешанной, ионизированной, пропущенной через капилляры, обработанной электрическим током.

И вот что интересно, разные воздействия на воду приводят чаще всего к одинаковым результатам: повышается растворимость веществ в воде, биологическая и химическая активность воды резко снижается. С чем это связано? Почему?

Еще в 1933 году известные химики Дж. Бернал и Рю Фаулер доказали, что вода достаточно сложное образование, содержащее в себе мономолекулы и ассоциаты. Причем количество мономолекул и ассоциатов в одной и той же порции воды непостоянно и зависит от внешних условий. Эту теорию никто никогда не оспаривал, но и выводов из нее особых никто не сделал, пока не хлынул в 60-х годах поток публикаций о "странной" воде,

И тут выяснилось, что свойства "странной" воды имеют явно временный характер: если растопить лед, талая вода лишь несколько часов будет "странной", а затем вновь будет обычной. И еще, каждое воздействие на воду, будь то магнитное поле, звук или нагревание, экспериментаторами объяснялось по-своему, хотя свойства были, как правило, очень похожими.

И наконец, была разработана гипотеза, заключающаяся в том, что все без исключения воздействия на воду приводят к одному результату- дроблению крупных ассоциатов на более мелкие, вплоть до мономолекул; что после прекращения воздействия идет обратный процесс - слипание мономолекул в мелкие ассоциаты, а тех - в крупные. .

В чем, например, причина повышения биологической активности "странной" воды? Почему в "странной" воде ускоряются физико- химические процессы? Да очень просто: мономолекулы аномально-полярны, следовательно, больше растворяют биологически активных веществ. Мономолекулы имеют маленький размер, им легко по сравнению с крупными ассоциатами проникнуть через клеточную мембрану, ввести в клетку питательные вещества, вывести продукты распада.

Мономолекулы, как архиполярные частицы, в большей степени, чем ассоциаты, вызывают электролитическую диссоциацию, повышают концентрацию реагирующих ионов и, соответственно, скорость реакции.

Рассмотренные нами физические и химические свойства воды относятся лишь к одному ее виду, а именно Н2О. Но в природе встречаются и другие устойчивые изотопы водорода (дейтерий, тритий) и кислорода , а соответственно, и другие виды молекул воды.

Наибольшее практическое значение имеет тяжелая вода D2160 с молекулярной массой 20. По свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Она кипит при +101,4 °С, замерзает при +3,8 °С. Плотность ее при +25 °С составляет 1,1042 г/см3. Молекулы тоже образуют межмолекулярные дейтериевые связи, они прочнее водородных, поэтому структура тяжелой воды более стабильна, Растворимость солей в тяжелой воде на 10-20 % ниже, чем в легкой. Она угнетает жизнедеятельность растений и животных.

В природных водах содержание тяжелой воды составляет около 0,02%. Повышенное содержание тяжелой воды наблюдается в живых организмах и минералах. Тяжелая вода очень гигроскопична, т.е. поглощает легкую воду. Вязкость тяжелой воды на 20% выше, чем у обычной.