«Вода знакомая и незнакомая» (стр. 4 из 19)

Всем известна аномалия плотности. Она двоякая. Во-первых, после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при 4 ⁰ С и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.

Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.

ПЕРЕОХЛАЖДЕННАЯ ВОДА

В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды, то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0⁰ С. (Переохладить воду можно либо в тонких капиллярах, либо - еще лучше - в виде эмульсии: маленьких капелек в неполярной среде - "масле"). Что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно . С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает).

АНОМАЛИЯ СЖИМАЕМОСТИ

Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления. Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется минимум при 45⁰ С.

АНОМАЛИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ

Что же это за необычный процесс, происходящий в воде и делающий ее непохожей на другие жидкости? Чтобы уяснить его физическую сущность, рассмотрим еще одну, на мой взгляд, самую сильную аномалию воды - температурное поведение ее теплоемкости. Величина теплоемкости, как известно, показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно -никак не более 10%. Другое дело - вода. При плавлении льда теплоемкость скачет от 9 до 18 кал/моль " град, то есть в два раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен.

Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоемкие), которые тратится подводимое тепло и которые обусловливают появление избыточной теплоемкости. Такая избыточная теплоемкость и, следовательно, упомянутые энергоемкие процессы существуют во всем диапазоне температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Она исчезает только в паре, то есть эта аномалия является свойством именно жидкого состояния воды.

Много нового вносят в проблему теплоемкости исследования последних лет по изучению свойств переохлажденной воды. При сильном переохлаждении теплоемкость сильно возрастает, то есть аномальный вклад в нее еще больше увеличивается. Переохлажденная вода еще более аномальна, чем обычная.

Теплоемкость воды «делает погоду»

Климат на планете зависит и от свойства воды - очень большой теплоемкости, то есть способности отдавать и накапливать тепло. В одном литре воды можно запасти в 330 раз больше_t тепла, чем в таком же объеме воздуха. Вода медленнее нагревается, но зато долго сохраняет тепло. Поэтому летним вечером на море вода теплее, чем песок на берегу. А Мировой океан - своеобразная грелка для континентов. Его огромные массы воды в прямом смысле слова «делают погоду» на Земле. Летом он не дает суши перегреться, а зимой постоянно «поставляет» ей тепло. Поэтому в странах, расположенных вблизи океана, мягкий морской климат, здесь не бывает ни суровой зимы, ни холодных ночей. Перепады температур в разные сезоны здесь небольшие.

Поверхностное натяжение.

Вода на гладких листьях водных растений похожа на ртутные шарики. Из всех жидкостей вода обладает самым высоким, после ртути, поверхностным натяжением. Именно из-за него капельки росы принимают такую форму. Круглые шарики воды очень упруги.

Если стальную иголку или лезвие безопасной бритвы осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то они не тонут. А ведь металл в 8 раз тяжелее воды! А как легко, не замачивая лапок, скользит по воде жучек водомерка.

Все свойства воды уникальны, исключительны и аномальны. Поэтому из-за своих качеств это соединение наиболее благоприятно для жизни.

VI ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Вода - идеальное амфотерное соединение, так как при ее диссоциации образуется равное число ионов Н⁺ и ОН^- . Вода взаимодействует:

1. с щелочными и щелочноземельными металлами:

С натрием, калием и кальцием вода реагирует при обычной температуре; с магнием -при кипении.

2Na + 2H0H = NaOH + Н₂

Са + 2Н0Н - Са (ОН )₂ + Н₂

Mg + 2Н0Н = Mg(OH)₂ + Н₂

2. с амфотерными металлами:

С цинком реакция идет при кипячении; с алюминием, если он без оксидной пленки в виде амальгамы (раствор в ртути) - при обычной температуре; с железом - при высокой температуре (красного каления),

Zn + 2НОН = Zn(OH)₂ + Н₂

2AI + 6Н0Н = 2А1(ОН)₃ + 3H₂

3Fe+4H₂O =Fe₃O₄+4H₂

3. с оксидами активных металлов:

Например, вода взаимодействует с оксидом калия, оксидом кальция (оксиды всех металлов, стоящих в ряду напряжений до Mg включительно).

К₂О + Н₂О = 2КОН

CaO+ Н₂О = Са(ОН)₂

Кислотные свойства воды

1. Взаимодействие с аммиаком:

Вода является донором протона, т.е. по теории Лоури-Бренстеда - кислотой. Поэтому, она способна реагировать с аммиаком, как кислота, с образованием катиона аммония.

NH₃ + НОН = NH₄OH или:

NH₃ + НОН- NH⁺₄ +ОН^-

0(I) К(I) К (I I) 0(I I)

2. гидролиз солей:

Соли, образованные слабыми основаниями, гидролизуются водой. Например, с хлоридом меди (II), гидролиз идет ступенчато.

Си²⁺ +НОН =Си(ОН)⁺ +Н⁺ СиОН⁺ + НОН = Си(ОН)₂ + Н⁺

Основные свойства воды

1. Взаимодействие с кислотными оксидами

С1₂О₇ +Н₂О = 2НСlO₄

2. Взаимодействие с кислотами:

В данном случае вода является акцептором протона, т.е. по теории Лоури-Бренстеда -основанием. При взаимодействии воды с хлороводородом образуется ион гидроксония (Н₃О)⁺.

НС1+НОН -Н₃0⁺+Сl^-

К(1) 0(I ) К(I I) 0(I I )

3. гидролиз солей

Соли, образованные слабыми кислотами, гидролизуются водой. Для многоосновных кислот реакция идет ступенчато.

СO₃²-+hoh-hco₃^-+ 0Н^- (I ступень)