Вода и растворы

В результате изучения данной главы студент должен: знатъ

• • аномальные свойства воды;
• • ионное произведение воды, pH;
• • процессы, происходящие при диссоциации воды;
• • понятия раствора, концентрации, растворимости;
• • принципы очистки воды;
• • свойства тяжелой воды;
• • понятия давления насыщенного пара, осмотического давления;
• • формулировки закона Рауля и отклонения от него;
• • понятия эбулиоскопии и криоскопии;
• • теорию растворов сильных электролитов;
• • условия образования и растворения осадков;
• • факторы, влияющие на растворимость; уметь
• • проводить расчет энтальпии растворения;
• • различать электролиты и неэлектролиты, сильные и слабые электролиты;
• • определять произведение растворимости; владеть
• • понятиями, связанными с образованием растворов.

Аномальные свойства воды

Вода — самое распространенное на Земле вещество. Соединения, состав которого точно отвечает формуле Н₂0, в природе не существует. Природная жидкая вода — это раствор веществ, с которыми, протекая, соприкасалась вода.

Водные растворы имеет огромное значение в жизни природы. Без воды и ее растворов невозможно существование живых организмов. Вода — удивительное вещество, со свойствами, часто сильно отличающимися от ожидаемых, и их называют аномальными. Многие из аномальных свойств воды связаны с sp³-гибридным состоянием внешних электронных оболочек атома кислорода и с водородной связью между молекулами воды.

Диаграмма состояния воды (см. рис. 2.15, 6 и 2.16, а) отличается от диаграмм состояния других веществ наклоном кривой зависимости температуры плавления льда от давления. Кривая плавления направлена влево вверх, тогда как почти у всех других веществ она идет направо вверх. Поскольку при плавлении льда объем воды уменьшается, повышение давления понижает температуру плавления льда.

Уменьшение объема при плавлении льда связано с тем, что разрушается рыхлая алмазоподобная структура льда и молекулы воды располагаются в жидкости более компактно. Повышение давления на 1,33−10' Па приводит к температуре плавления льдаГС.

Лед обладает меньшей плотностью по сравнению с жидкой водой. Плотность льда при 0 °C равна 0,9168 г/см³. При более низких температурах плотность льда снижается, а объем увеличивается. Эго свойство воды имеет огромное значение для природы нашей планеты: лед на поверхности водоема защищает нижние слои воды от замерзания, а проникая в трещины горных пород и камней, вода разрушает их при замерзании из-за увеличения объема льда. В зависимости от плотности воды (и льда) от 83 до 90% объема айсберга находится под водой. При флуктуации айсберг переворачивается нижней частью вверх, что опасно для находящихся рядом судов.

Наибольшую плотность вода имеет при +4,0°С. Выше и ниже этой температуры ее плотность снижается (рис. 4.1). Можно предположить, что это явление отражает две различные температурные зависимости — тепловое расширение воды, приводящее к уменьшению плотности, и увеличение плотности вследствие разрушения льда и льдоподобных структур. При температурах ниже и выше 4 °C одна из этих составляющих преобладает над другой.

У воды очень высокая теплоемкость (табл. 4.1).

У жидкой воды зависимость теплоемкости от температуры имеет минимум при 37 °C. (В-4−1. Не связано ли это с температурой нашего тела?) Теплоемкость льда и пара примерно одинакова (В-4−2. Почему?) и почти в два раза меньше теплоемкости жидкой воды.

Рис. 4.1. Зависимость плотности жидкой воды от температуры и две составляющие этой зависимости — разрушение структуры и тепловое расширение

Таблица 4.1

Теплоемкость воды, кДж/(кг-К).

Высокая теплоемкость жидкой воды очень важна для природы: вода сохраняет полученную теплоту, что способствует сохранению постоянной температуры живых организмов. Воды океанов, морей, озер и рек служат тепловым аккумулятором, сглаживают суточные и сезонные колебания температуры атмосферы. Благодаря высокой теплоемкости воды перенос теплоты водами чрезвычайно велик, что выравнивает климат теплых и холодных областей Земли. Воздух над поверхностью теплого водоема или океанического течения нагревается, что приводит к ветрам и другим, иногда крайне нежелательным для жителей атмосферным явлениям.

Теплопроводность воды также очень высока, что играет важную роль для процессов жизнедеятельности. Теплопроводность снега при плотности 0,1 г/см³ соответствует теплопроводности шерсти.

У воды очень высокая энтальпия (теплота) плавления, испарения и конденсации. При замерзании воды теплота выделяется, а при плавлении льда теплота поглощается, что приводит к поддержанию температуры воздуха вблизи 0 °C.

Для большинства жидкостей вязкость (сопротивление смещению частиц относительно друг друга) увеличивается с ростом давления и уменьшается с повышением температуры. Вода является исключением из этого правила: ее вязкость при температуре ниже 25 °C с ростом давления снижается, достигая минимального значения, и затем возрастает. Объясняется понижение вязкости воды с ростом давления тем, что происходит разрушение ее структуры с образованием большого количества одиночных молекул.

Вода обладает высокой диэлектрической проницаемостью, показывающей, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в веществе меньше, чем в вакууме. Это имеет большое значение для поведения растворенных веществ, так как приводит к диссоциации кислот, оснований и солей. При повышении температуры диэлектрическая проницаемость чистой воды понижается.

Вода имеет высокое поверхностное натяжение, характеризующее стремление жидкого или кристаллического вещества уменьшить поверхностную энергию на границе раздела фаз. Поверхностное натяжение вызывано тем, что в наружном слое и в объеме силы межмолекульных взаимодействий не равны. Из-за нескопенсированности сил межмолекульных взаимодействии на границе раздела двух фаз энергия поверхностного слоя больше энергии внутри фазы.

Благодаря поверхностному натяжению капля жидкости во время дождя принимает форму шара и в порах кристаллического тела жидкость поднимается, как в капиллярах. С ростом давления и температуры поверхностное натяжение уменьшается. Оно зависит от присутствующих в воде веществ и снижается при введении поверхностно-активных веществ.

Поверхностное натяжение жидкостей определяют различными способами: взвешиванием числа капель, образующихся из единицы объема жидкости, измерением давления, требующегося для образования пузырька газа в жидкости, или по высоте подъема жидкости в капилляре.

У кристаллов поверхностное натяжение определяют по форме капли жидкости на плоской поверхности и вычисляют по краевому углу смачивания. В живых организмах поверхностное натяжение жидкости клетки является одним из факторов, определяющих форму клетки и ее внутренних частей, микроорганизмов, инфузорий и т. п.

Прозрачность воды не относится к ее аномальным свойствам, но жизнь не могла зародиться и развиваться в непрозрачной среде. Прозрачность воды в области видимого света очень велика. Самой прозрачной на Земле считают воду озера Байкал. Вода сильно поглощает энергию в инфракрасной и ультрафиолетовой областях света, что существенно для физических и биологических процессов в природе.

Скорость звука в воде при 20 °C и атмосферном давлении равна 1482 м/с.

Скорость света в вакууме равна 299 793 км/с, но в воде при 20 °C снижается до 224 904 км/с, а при 30 °C составляет 225 080 км/с. (В-4−3. Почему повышение температуры воды приводит к повышению скорости света?).

Водяной пар обладает удивительной способностью переносить многие вещества, например ионы натрия Na⁺, оксиды различных элементов, соли и т. п. На огромные расстояния водяные пары атмосферы переносят соли океанов и морей. При повышении температуры эта способность пара повышается.

Вода — один из лучших растворителей. Она растворяет большинство веществ и в больших количествах, чем другие жидкости.

Вода — катализатор очень многих химических и биологических процессов. Нет другого вещества, которое могло бы ускорять так много и самых разнообразных реакций.

Вода — инициатор многих химических реакций.

Эти свойства позволяют утверждать, что вода — основа жизни на Земле.

В ряду соединений с водородом элементов главной подгруппы VI группы Н₂0 — H₂S — H₂Se — Н₂Те строение молекулы воды по сравнению с молекулами сероводорода H₂S, селеноводорода H₂Se, теллуроводорода Н₂Те аномально. Ядра атомов в молекуле воды расположены по углам равнобедренного треугольника, в вершине которого находится ядро атома кислорода. В невозбужденных молекулах воды угол Н—О—Н составляет 104°27', в то время как угол между связями в молекуле сероводорода H₂S равен 92°, селеноводорода H₂Se — 90° и теллуроводорода Н₂Те — 89°.

Это различие объясняется sp³-гибридизацией наружных электронных орбиталей атома кислорода и почти полным ее отсутствием у атома серы. Угол между р-орбиталями равен 90°. Угол, меньший 90°, у теллуроводорода может быть объяснен взаимным притяжением атомов водорода (или другими эффектами).

В ряду Н₂0 — H₂S — H₂Se — Н₂Те температура плавления почти линейно повышается у трех последних веществ. Если бы зависимость температуры плавления от номера периода п соблюдалась примерно линейной, то лед плавился при температуре ниже температуры плавления H., S. То, что лед плавится при значительно более высокой температуре, говорит о более прочных связях между молекулами воды в кристаллической структуре льда. Примерно такая же зависимость наблюдается у температур кипения, энтальпий плавления и испарения, энтропий и других термодинамических свойств водородных соединений элементов этой подгруппы.

Аномальные свойства воды доказывают существование водородных связей между молекулами и относительно высокий порядок в структуре жидкой воды.