ВОДА, ЛЕД И ПАР Физические свойства. Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие температуры плавления (0? С) и кипения (100? С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната кальция. Чистая вода - плохой проводник электричества, ее удельная электропроводность равна 1,5?10-8 Ом-1?см-1 при 0? С. Сжимаемость воды очень мала: 43?10-6 см3 на мегабар при 20? С. Плотность воды максимальна при 4? С; это объясняется свойствами водородных связей ее молекул.
Давление паров. Если оставить воду в открытой емкости, то она постепенно испарится - все ее молекулы перейдут в воздух. В то же время вода, находящаяся в плотно закупоренном сосуде, испаряется лишь частично, т.е. при определенном давлении водяных паров между водой и воздухом, находящимся над ней, устанавливается равновесие. Давление паров в равновесии зависит от температуры и называется давлением насыщенного пара (или его упругостью). Когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением, вода закипает. При обычном давлении 760 мм рт.ст. вода кипит при 100? С, а на высоте 2900 м над уровнем моря атмосферное давление падает до 525 мм рт.ст. и температура кипения оказывается равной 90? С.
Испарение происходит даже с поверхности снега и льда, именно поэтому высыхает на морозе мокрое белье.
Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100? С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0? С.
Химические свойства. Каталитическое действие. Очень многие химические реакции протекают только в присутствии воды. Так, окисление кислородом не происходит в сухих газах, металлы не реагируют с хлором и т.д.
Гидраты. Многие соединения всегда содержат определенное число молекул воды и называются поэтому гидратами. Природа образующихся при этом связей может быть разной. Например, в пентагидрате сульфата меди, или медном купоросе CuSO4?5H2O, четыре молекулы воды образуют координационные связи с ионом сульфата, разрушающиеся при 125? С; пятая же молекула воды связана так прочно, что отрывается лишь при температуре 250? С. Еще один стабильный гидрат - серная кислота; она существует в двух гидратных формах, SO3?H2O и SO2(OH)2, между которыми устанавливается равновесие. Ионы в водных растворах тоже часто бывают гидратированы. Так, Н+ всегда находится в виде иона гидроксония Н3О+ или Н5О2+; ион лития - в виде Li (H2O)6+ и т.д. Элементы как таковые редко находятся в гидратированной форме. Исключение составляют бром и хлор, которые образуют гидраты Br2?10H2O и Cl2?6H2О. Некоторые обычные гидраты содержат кристаллизационную воду, например хлорид бария BaCl2?2H2O, английская соль (сульфат магния) MgSO4?7H2O, питьевая сода (карбонат натрия) Na2CO3?10H2O, глауберова соль (сульфат натрия) Na2SO4?10H2O. Соли могут образовывать несколько гидратов; так, сульфат меди существует в виде CuSO4?5H2O, CuSO4?3H2O и CuSO4?H2O. Если давление насыщенного пара гидрата больше, чем атмосферное давление, то соль будет терять воду. Этот процесс называется выцветанием (выветриванием). Процесс, при котором соль поглощает воду, называется расплыванием.
Гидролиз. Гидролиз - это реакция двойного разложения, в которой одним из реагентов является вода; трихлорид фосфора PCl3 легко вступает в реакцию с водой:
PCl3 + 3H2O P (OH)3 + 3HCl
Аналогичным образом гидролизуются жиры с образованием жирных кислот и глицерина.
Сольватация. Вода - полярное соединение, а потому охотно вступает в электростатическое взаимодействие с частицами (ионами или молекулами) растворенных в ней веществ. Образовавшиеся в результате сольватации молекулярные группы называются сольватами. Слой молекул воды, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения, составляет сольватную оболочку. Впервые понятие сольватации было введено в 1891 И.А.Каблуковым.
Тяжелая вода. В 1931 Г.Юри показал, что при испарении жидкого водорода его последние фракции оказываются тяжелее обычного водорода вследствие содержания в них в два раза более тяжелого изотопа. Этот изотоп называется дейтерием и обозначается символом D. По своим свойствам вода, содержащая вместо обычного водорода его тяжелый изотоп, существенно отличается от обычной воды.
В природе на каждые 5000 массовых частей Н2О приходится одна часть D2O. Это соотношение одинаково для речной, дождевой, болотной воды, подземных вод или кристаллизационной воды. Тяжелая вода используется в качестве метки при исследовании физиологических процессов. Так, в моче человека соотношение между Н и D тоже равно 5000:1. Если дать пациенту выпить воду с большим содержанием D2O, то, последовательно измеряя долю этой воды в моче, можно определить скорость выведения воды из организма. Оказалось, что около половины выпитой воды остается в организме даже спустя 15 сут. Тяжелая вода, вернее, входящий в ее состав дейтерий - важный участник реакций ядерного синтеза.
Третий изотоп водорода - тритий, обозначаемый символом Т. В отличие от первых двух он радиоактивен и обнаружен в природе лишь в малых количествах. В пресноводных озерах соотношение между ним и обычным водородом равно 1:1018, в поверхностных водах - 1:1019, в глубинных водах он отсутствует. См. также ВОДОРОД.