Физические свойства воды

Физические свойства воды. Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает.

При нагревании воды от 0 до 4С плотность е также увеличивается. При 4С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании е плотность уменьшается. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0С и опускались на дно, освобождая место более тплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водома не приобрела бы температуру 0С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водом промерзал бы на всю его глубину.

При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4С, то перемещение ее слов, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажднный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой тепломкостью 4,18 Джг К, поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре. В связи с тем, что при плавлении льда объм, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье.

Действительно, пусть лед и жидкая вода находятся в равновесии при ОС. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при ОС вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается.

Молекула воды имеет угловое строение входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния О Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды. Две электронные пары образуют ковалентные связи О Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелнных электронных пары. Валентный угол НОН 104,3 близок к тетраэдрическому 109,5. Электроны, образующие связи О Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса.

Центры отрицательных зарядов неподелнных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса.

Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает е простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях, оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.

В твердой воде лд атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме, в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры льда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноимнными полюсами. Молекулы образуют слои, причм каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы. При плавлении льда его структура разрушается.

Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами образуются ассоциаты как бы обломки структуры льда, состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов.

В пустотах таких ледяных агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объм, занимаемый водой, уменьшается, а е плотность возрастает. По мере нагревания воды, обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать.

Однако при нагревании выше 4С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4С вода обладает максимальной плотностью. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДжмоль. Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар. Гл.4.