Внутренняя структура воды, аномалии воды, физические константы воды, изотопный состав воды
Физические константы воды
Молярная масса, г/моль | 18,016 |
Температура в °С: | |
замерзания (при =0,1МПа) | 0,00 |
кипения | 100,00 |
Температура при максимальной плотности, °С | 3,98 |
Плотность воды в г/см при температуре в °С: | |
0 | 0,99987 |
3,98 | 1,0000 |
20 | 0,99823 |
Критическая температура воды, °С | 374,2 |
Критическое давление воды, МПа | 22,1 |
Критическая плотность воды, кг/м | 0,324 |
Относительная диэлектрическая постоянная при температуре в °С: | |
0 | 88,2 |
20 | 80,4 |
100 | 55,1 |
Химически чистая вода – жидкость без запаха, вкуса, цвета, состоит из 11,11 % водорода и 88,89 % кислорода.
Внутренняя структура воды
Молекулы воды расположены в форме неправильного тетраэдра: в центре – атом кислорода, в противоположных углах одной из граней куба – два атома водорода, угол между которыми составляет 104°31’. Два из восьми электронов атома кислорода расположены около ядра, два других связаны с атомами водорода, а две пары электронов образуют ветви, расположенные в направлении, противоположном электронным облакам водорода.
Ветви электронных облаков являются областями сосредоточения отрицательных зарядов, они обусловливают водородную связь между молекулами воды и других веществ.
Структура жидкой воды
В основе многочисленных моделей жидкая вода рассматривается как кристаллическое вещество (жидкие кристаллы).
Упорядоченное (кристаллическое) расположение частиц воды в жидком состоянии доказано экспериментально. Полагают, что при плавлении льда его решетка частично разрушается и эти пустоты, а также ажурная структура льда заполняются освободившимися молекулами воды. Плотность жидкой воды вследствие этого увеличивается. Учеными подсчитано, что в жидкой фазе при 0 °С несвязанные, заполняющие пустоты молекулы составляют около 16% от общего количества.
В теории структуры воды, созданной Берналом и Фаулером, существование максимума плотности воды при температуре 4 °С объясняется тем, что при этой температуре преобладающая часть молекул воды связана в кварцеподобную структуру, а при других температурах они имеют тридимитоподное кристаллическое строение, соответствующее меньшей плотности.
Изотопный состав воды
Вода – продукт соединения двух химических элементов, имеющих несколько изотопов.
Для водорода известны три изотопа:
- протий1H, массовое число 1;
- дейтерий 2H(D), массовое число 2;
- тритий 3H(T), массовое число 3.
Содержание дейтерия в природной смеси изотопов водорода 0,014-0,015 %. Для кислорода известны также три изотопа с массовыми числами 16, 17 и 18, соотношение которых в природной смеси изотопов равно 2670:1:5.
Вода – это смесь девяти различных видов молекул, поэтому в зависимости от их количественного соотношения изменяются свойства воды, особенно ее плотность.
Аномалии воды
Простейшую формулу имеет молекула парообразной воды (гидроль). Молекула воды в жидком состоянии представляет собой объединение двух простых молекул - дигидроль, а в твердом состоянии – трех простых молекул - тригидроль.
В составе льда преобладают молекулы тригидроля, в составе водяного пара (при температуре свыше 100°С) – молекулы гидроля, а в капельно-жидкой воде – смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношения между которыми меняются с изменением температуры.
Особенностями структуры воды обусловлены ее следующие аномалии:
1. наибольшую плотность вода имеет при 4 °С, с понижением температуры до 0 °С или с повышением до 100 °С плотность ее уменьшается;
2. объем воды при замерзании увеличивается примерно на 10%, при этом твердая фаза становится легче жидкой;
3. вода обладает высокой удельной теплоемкостью, которая с повышением температуры до 40 °С уменьшается, а затем вновь увеличивается;
4. вода обладает весьма большой удельной внутренней энергией (318,8 Дж/кг);
5. вода замерзает при 0 °С, с увеличением давления температура замерзания понижается и достигает своего минимального значения (-22°С) при давлении 211,5 МПа;
6. вода обладает наибольшим удельным количеством теплоты (2156 Дж/кг) при температуре 100 °С;
7. вода обладает наиболее высокой диэлектрической проницаемостью при 20 °С;
8. вода обладает самым большим поверхностным натяжением по сравнению с другими жидкостями.
При взаимодействии со щелочами вода ведет себя, как кислота, а при взаимодействии с кислотами – как основание. В процессе реакции активных металлов и воды выделяется водород. Вода вызывает процесс обменного разложения (гидролиз), взаимодействуя с некоторыми солями.