Вода: физические, химические свойства, химическая формула, плотность

Вода, или оксид (окись) водорода Н₂О – важнейшая среда, в которой проходят все химико-биологические реакции. На 65-70 % организмы животных и человека состоят из воды. Ее содержание в растениях еще выше – 90 %. Вода – это основа жизни.

Строение воды

Вода – неорганическое соединение с формулой Н₂О. Она состоит из кислородного атома, который связан с двумя водородными атомами. Угол между атомами Н-О-Н составляет 104,5˚.

Кислород – электроотрицательный элемент, к которому смещены общие электронные пары. На кислороде возникает частично отрицательный заряд, а на водороде – частично положительный. Вода – электрический диполь. Многие свойства воды обусловлены ее полярностью.

Молекулы воды между собой образовывают водородные связи, которые объясняют высокую плотность и температуру кипения. Чем выше температура реакции, тем меньшее количество связей образуется.

Физические свойства воды

Вода – бесцветная жидкость, у которой отсутствует запах и вкус. Она обладает рядом физических свойств.

1. Температура кипения 100˚С (при давлении 101,3 кПа).


2. Температура замерзания 0˚С.


3. Максимальная плотность воды (характерна при 4˚С) 1 г/см3.

Лед всегда всплывает в водоемах или стаканах с водой. Это связано с тем, что плотность горячей и холодной воды отличается. Лед обладает меньшей плотностью, чем жидкая вода.

Воде свойственна высокая теплоемкость, поэтому она медленно нагревается и остывает. С помощью теплофизических свойств воды регулируется климат. Водные бассейны регулируют температуру на нашей планете. Вода задерживает до 60 % теплового излучения нашей планеты, не позволяя ей охлаждаться.

Теплопроводность воды небольшая. Вода в водоемах нагревается не с помощью молекулярной теплопроводности, а путем перемешивания с помощью волн и течений. Если вода не перемешивается, то она нагревается частями и образуется термическая слоистость (стратификация).

Физсвойства воды отражаются в агрегатных состояниях:

• Н₂О – молекула парообразной воды (гидроль);


• (Н₂О)₂ – молекула жидкой воды (дигидроль);


• (Н₂О)₃ – молекула твердой воды (тригидроль).

В химии физические свойства воды отражаются в количестве связей между молекулами. В парах находятся отдельные молекулы, в жидкостях между ними образуются водородные связи. Если вода находится в состоянии льда, то каждая молекула соединена с соседними молекулами с помощью четырех водородных связей.

Растворимость веществ в воде

Растворимость – максимальная масса вещества, которая может раствориться в 100 г растворителя при определенной температуре. Вещества классифицируются на три группы в зависимости от степени растворимости.

• Хорошо растворимые – в 100 мл воды растворяется более 1 г вещества (сахар).


• Малорастворимые – в 100 мл воды растворяется 0,01-1 г вещества (гипс).


• Нерастворимые – в 100 мл воды растворяется менее 0,01 вещества (хлорид серебра (I)).

Большинство твердых веществ при нагревании растворяется быстрее. Растворимость газов повышается при понижении температуры и повышении давления.

Растворение многих веществ в воде сопровождается образованием оболочки из молекул воды. Данный комплекс называется гидратом. После кристаллизации в составе таких комплексов сохраняется часть молекул воды, образуя кристаллогидрат:

CuSO₄ +5 H₂O = CuSO₄· 5H₂O

Растворы

Растворы – гомогенные смеси, которые включают частицы растворенного вещества, растворитель и продукты их реакции. Растворы классифицируют на две группы:

• насыщенные (вещество в растворе больше не растворяется при определенной температуре);


• ненасыщенные (вещество продолжает растворяться при определенной температуре).

Химические свойства воды

Вода вступает во взаимодействие с рядом веществ.

1. Со щелочными и щелочно-земельными металлами
   • 2 Na + 2 H₂O = 2 NaOH + H₂↑


2. С металлами при нагревании
   • Fe + 4 H₂O = Fe3O₄ + 4 H₂↑


3. С неметаллами при нагревании
   • С + Н₂О = СО↑ + Н₂↑


4. С оксидами активных металлов
   • Li₂O + H₂O = 2 LiOH


5. С оксидами неметаллов
   • SO₃ + H₂O = H₂SO₄ 
     Вода может разлагаться под действием электрического тока или температуры в 2000˚С.
     2 Н₂О → 2 Н₂↑ + О₂↑

Вода – важнейший компонент такой реакции как гидролиз. Гидролиз – взаимодействие соли с водой, в результате которого происходит ионный обмен между молекулами.

Na₃PO₄ + H₂O ↔ Na₂HPO₄ + NaOH

Очистка воды

Вода – самое распространенное вещество на нашей планете. Она наполняет океаны, моря, озера. Пары воды входят в состав воздуха. Природная вода всегда содержит различные примеси. В зависимости от целей использования применяют различные способы очистки воды.

В питьевой воде не должны содержаться примеси и болезнетворные бактерии. Чтобы вода из озер и рек была пригодна для питья, ей дают отстояться в специальных бассейнах. Затем ее фильтруют через слой песка. Очищенную от нерастворимых веществ воду обрабатывают хлором, озоном или ультрафиолетовыми лучами.

Для очищения воды от растворенных в ней веществ используют перегонку, или дистилляцию. Этим способом получают дистиллированную воду. Ее применяют в лабораториях, аптеках, охладительных системах машин и т. д.

Применение воды

Воду используют в промышленности, сельском хозяйстве и быту. В химическом производстве она является важнейшим сырьем для получения водорода. При получении оснований и кислот применяется способность воды вступать в реакции с некоторыми оксидами. Также вода часто выступает в роли растворителя.

Развитие промышленности привело к тому, что многие водоемы загрязнены отходами производства. Поэтому в каждом государстве должны приниматься меры по охране и рациональному использованию природных ресурсов.

Вода – важный ресурс для всего живого на планете. Если ее запасы на Земле иссякнут, то растения, животные и человек погибнут. Вода является более ценным природным богатством, чем нефть и газ, железо и уголь и т. д. Это связано с тем, что воду невозможно ничем заменить.