Необычные свойства обычной воды
Информация - Химия
Другие материалы по предмету Химия
»ьно 1) каждого из концов палочки, но занято бывает только одно из этих мест. Атомы водорода размещены так, что около каждого атома кислорода их оказывается по два, так что в кристалле можно выделить молекулы Н2О. Два атома водорода связаны с атомом кислорода так, что они образуют почти прямой угол, точнее, угол в 105 градусов. Если бы это был угол в 109 градусов, молекулы замерзшей воды соединились бы в кубическую решетку, подобную кристаллу алмаза. Но в этом случае такая структура была бы неустойчивой из-за нарушения связей. Строение молекул воды подтверждено и другими методами.
Строение жидкой воды будет рассмотрено ниже для объяснения некоторых аномальных свойств воды.
Необычные свойства воды
Тепловые свойства
При постепенном повышении температуры и сохраняющемся внешнем давлении вода последовательно переходит из одного фазового состояния в другое: лед - вода - пар.
Известно, что водяной пар при температурах 300 - 400 К имеет молярную теплоемкость (при постоянном объеме) СV = 3R ? 25Дж/ (мольК). Величина 3R соответствует теплоемкости идеального многоатомного газа, имеющего шесть кинетических степеней свободы - три поступательные и три вращательные. Это означает, что колебательные степени свободы самих молекул воды в этом диапазоне температур еще не включены. Естественно, что при более низких температурах они не включены тем более.
Удельная теплоемкость воды в жидком состоянии, равная 4200Дж/ (мольК), соответствует молярной теплоемкости 75,9Дж/ (мольК) ? 9,12R. На один моль атомов (и кислорода, и водорода), входящих в состав жидкой воды, приходится около 3,04R - вода формально подчиняется закону Дюлонга и Пти для твердых тел, хотя и не является твердым телом. На это обстоятельство стоит обратить пристальное внимание!
Молярная теплоемкость льда при температуре 273К равна примерно 4,5R, т.е. вдвое меньше, чем для жидкой воды. Классическое объяснение теплоемкости твердых тел основано на предположении, что каждый атом в составе твердого тела имеет три колебательные степени свободы. Атомы не имеют вращательных степеней свободы, поэтому, в соответствии с правилом о равнораспределении энергии по степеням свободы, молярная теплоемкость атомов, входящих в состав твердого тела, равна 3R и не зависит от температуры. Это правило действительно выполняется при достаточно высоких температурах для большинства твердых тел и носит название закона Дюлонга и Пти.
С чем же связана такая высокая теплоемкость? Ответ лежит в межмолекулярных силах, связывающих молекулы воды в единое целое. Водород отличается от других элементов тем, что его атомы имеют лишь по одному электрону. Однако они могут соединяться с другими атомами не только с помощью своих электронов (валентные связи), но и привлекая своей свободной, положительно заряженной стороной электроны, других атомов. Это так называемая водородная связь. В воде связанные с каждым кислородным атомом два атома водорода в то же время могут быть сцеплены с другими атомами посредством водородных связей. Так молекулы Н2О соединяются друг с другом. Поэтому воду следует рассматривать не как совокупность отдельных молекул, но как единую их ассоциацию. На деле вся масса воды, содержащаяся в каком-либо сосуде - это одна молекула.
Водородные связи легко обнаруживаются при исследовании воды инфракрасным спектрометром.
Водородная связь, как мы установили, сильнее всего поглощает лучи с длиной волны около трех микронов (они расположены вблизи инфракрасной области теплового излучения, то есть рядом с видимой частью спектра). В жидком состоянии вода так сильно поглощает эти лучи, что если бы наши глаза воспринимали их, вода казалась бы нам черной, как смоль. Частично ею поглощаются и лучи красного конца видимого спектра; отсюда характерный голубой цвет воды.
При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим и объясняется высокая теплоемкость воды.
Рис.2. Изменение температур плавления и кипения водородных соединений элементов VIA группы
Прочность связи водяных молекул ведет к тому, что у воды необычно высокие точки плавления и кипения (рис.2).
Если определить температуру кипения гидрида кислорода по положению кислорода в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при восьмидесяти градусах ниже нуля. Значит, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения, наиболее обычное свойство воды, оказывается необычайным и удивительным.
Можно представить себе, что если бы наша вода потеряла вдруг способность образовывать сложные, ассоциированные молекулы, то она, вероятно, кипела бы при той температуре, какая ей положена в соответствии с периодическим законом. Океаны закипели бы, на Земле не осталось ни одной капли воды, а на небе никогда больше не появилось ни одного облачка.
Оказывается, что гидрид кислорода - по его положению в таблице Менделеева - должен затвердевать при ста градусах ниже нуля.
Вода - удивительное вещество, не подчиняющееся многим физико-химическим закономерностям, справедливым для других соединений, потому что взаимодействие ее молекул необычайно велико. Согласно расчетам, общая энергия водородных связей в одном моле воды эквивалентна 6 тысячам калорий. И требуется особенно интенсивное тепловое движение молекул, чтобы преодолеть это дополнит