Что содержит молекула воды
Научная электронная библиотека
Шишелова Т. И., Созинова Т. В., Коновалова А. Н.,
2. Строение молекулы воды
Молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода (H 1 ) и одного атома кислорода (O 16 ).
Рис. 1. Строение молекулы воды [1]
При испарении рвутся все оставшиеся связи. Для разрыва связей требуется большое количество энергии, отсюда высокая температура, удельная теплота плавления и кипения, высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Строение электронного облака молекулы воды таково, что во льду каждая молекула связана четырьмя водородными связями с ближайшими к ней молекулами, координационное число молекул в структуре льда равно четырем. О размере молекулы можно судить по величине расстояния между ближайшими молекулами во льду, составляющего 2,67Å. Соответственно молекуле воды можно приписать радиус равный 1,38Å.
Тенденция каждой молекулы воды к окружению четырьмя ближайшими молекулами и к образованию с ними водородных связей сохраняется и в жидкости, исследования показали, что в воде сохраняется ближняя упорядоченность, свойственная структуре льда. Расстояние между ближайшими молекулами при плавлении льда изменяется от 2,76 Å до 2,90 Å. Свойственное среднее расположение ближайших молекул ведет к очень рыхлой, ажурной структуре. Именно с этим связаны аномалии воды.
Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом.
Что содержит молекула воды
Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).
Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Является важнейшим веществом для всех живых существ на планете Земля.
Содержание
Виды воды
Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях — жидком, газообразном и твёрдом и приобретать различные формы, которые могут одновременно соседствовать друг с другом: водяной пар и облака в небе, морская вода и айсберги, ледники и реки на поверхности земли, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе множество органических и неорганических веществ. Из-за важности воды, «как источника жизни», её нередко подразделяют на типы по различным принципам.
По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:
Химические названия воды
С формальной точки зрения вода имеет несколько различных корректных химических названий:
Свойства
Физические свойства
| Температура °С | Удельная теплоёмкость воды кДж/(кг*К) |
|---|---|
| -60 (лёд) | 1,64 |
| -20 (лёд) | 2,01 |
| -10 (лёд) | 2,22 |
| 0 (лёд) | 2,11 |
| 0 (чистая вода) | 4,218 |
| 10 | 4,192 |
| 20 | 4,182 |
| 40 | 4,178 |
| 60 | 4,184 |
| 80 | 4,196 |
| 100 | 4,216 |
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Чистая вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O + ) и гидроксильных ионов HO − составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.
Что содержит молекула воды
Вода́ (оксид водорода) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки).
Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).
Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.
Содержание
Физические и химические свойства
Физические свойства
Вода обладает рядом необычных особенностей:
Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а так же того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода — каждый в одной, а атом кислорода — в двух. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект слабее, чем обычное тепловое расширение; при испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. [2] Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чем основан принцип действия микроволновой печи.
Агрегатные состояния
При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C. При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находится в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.
При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.
Так же возможны метастабильные состояния — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.
Изотопные модификации воды
И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды: Лёгкая вода (просто вода), Тяжёлая вода (дейтериевая) и Сверхтяжёлая вода(тритиевая).
Химические свойства
Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH-). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ ок. 16.
Сама по себе вода относительно инертна в обычных условиях, но её сильно полярные молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.
Вода в природе
Атмосферные осадки
Осадки согласно направлению
| «Вертикальные» осадки | «Горизонтальные» осадки | Свободно-парящие структуры |
|---|---|---|
| Дождь | Роса | Облака |
| Дождь со снегом | Иней | Туман |
| Изморось | Атмосферное оледенение | Морская пена |
| Переохлаждённая морось | Гололёд | |
| Снег | ||
| Снежная крупа | ||
| Снежные зерна | ||
| Ледяная крупа | ||
| Ледяной дождь | ||
| Град | ||
| Ледяные кристаллы |
Осадки согласно состоянию
| Жидкие осадки | Твёрдые осадки |
|---|---|
| Дождь | Снег |
| Дождь со снегом | Снежная крупа |
| Изморось | Снежные зерна |
| Переохлаждённая морось | Ледяная крупа |
| Роса | Ледяной дождь |
| Град | |
| Ледяные кристаллы | |
| Иней | |
| Атмосферное оледенение | |
| Гололёд |
Виды воды
Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях — жидком, газообразном и твёрдом и в свою очередь приобретать самые разные формы, которые зачастую соседствуют друг с другом. Водный пар и облака в небе, морская вода и айсберги, горные ледники и горные же реки, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе много веществ, приобретая тот или иной вкус. Из-за важности воды, «как источника жизни» её нередко подразделяют на типы.
Характеристики вод
По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:
Исследования воды
Гидрология
Гидроло́гия — наука, изучающая природные воды, их взаимодействие с атмосферой и литосферой, а также явления и процессы, в них протекающие (испарение, замерзание и т. п.).
Предметом изучения гидрологии являются все виды вод гидросферы в океанах, морях, реках, озёрах, водохранилищах, болотах, почвенных и подземных вод.
Гидрология исследует круговорот воды в природе, влияние на него деятельности человека и управление режимом водных объектов и водным режимом отдельных территорий; проводит анализ гидрологических элементов для отдельных территорий и Земли в целом; даёт оценку и прогноз состояния и рационального использования водных ресурсов; пользуется методами, применяемыми в географии, физике и других науках. Данные гидрологии моря используются при плавании и ведении боевых действий надводными кораблями и подводными лодками.
Океанология подразделяется на биологию океана, химию океана, геологию океана, физическую океанологию, и взаимодействие океана и атмосферы.
Биологическая роль
Вода играет уникальную роль, как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время — достаточную сложность образующихся комплексных соединений. Благодаря водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причём именно в том, который широко представлен на планете Земля в настоящее время.
Применение
Земледелие
Выращивание достаточного количества сельскохозяйственных культур на открытых засушливых землях требует значительных расходов воды на ирригацию, доходящих до 90% в некоторых странах.
Питьё и приготовление пищи
Живое человеческое тело содержит от 55% до 78% воды, в зависимости от веса и возраста. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. Для нормального функционирования организма человеку нужно усвоить от 1 до 7 литров воды за день в зависимости от температуры и влажности окружающей среды, физической активности и пр.
Растворитель
Вода является растворителем для многих веществ. Она используется для очистки как самого человека, так и различных объектов человеческой деятельности. Вода используется как растворитель в промышленности.
Теплоноситель
Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью. Теплота её испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку. В качестве теплоносителя воду используют в тепловых сетях, для передачи тепла по теплотрассам от производителей тепла к потребителям. Воду в качестве льда используют для охлаждения в системах общественного питания, в медицине. Большинство атомных электростанций используют воду в качестве теплоносителя.
Пожаротушение
В пожаротушении вода зачастую используется не только как охлаждающая жидкость, но и для изоляции от огня в составе пены.
Спорт
Многие вида спорта проходят на водных поверхностях, на льду, на снегу и даже в воде. Это подводное плавание, хоккей, лодочные виды спорта, биатлон и пр.
Инструмент
Вода используется как инструмент для разрыхления, раскалывания и даже резки пород и материалов. Она используется в добывающей промышленности, горном деле и в производстве. Достаточно распространены установки по резке водой различных материалов: от резины до стали. Вода, выходящая под давлением несколько тысяч атмосфер способна разрезать стальную пластину толщиной несколько миллиметров, или более при добавлении абразивных частиц.
Из чего состоит все вокруг или что такое молекула?
Каждый раз, когда два атома соединяются вместе, они образуют молекулу. На самом деле все, что нас окружает – да и мы сами – состоит из триллионов различных типов молекул. Понятие молекулы было принято в 1860 году на международном съезде химиков в Карлсруэ. Согласно принятому определению молекула – это наименьшая частица химического вещества, которая обладает всеми его химическими свойствами (растворимость, вкус, способность вступать в соединения и пр). Введение понятия молекулы подтолкнуло развитие физики, химии и других естественных наук. В более общем понимании молекулой называют частицу, образованную из двух или более атомов, соединенных между собой ковалентными связями.
Молекула воды содержит 1 атом кислорода и 2 атома водорода
Атом – мельчайшая частица вещества, которая обладает всеми его физическими свойствами (цвет, твердость, плотность и пр.)
Когда атомы различных типов элементов соединяются вместе, они образуют молекулы, называемые соединениями. Так, вода состоит из сложных молекул, состоящих из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Вот почему она называется H2O: у молекулы воды всегда будет в 2 раза больше атомов водорода, чем атомов кислорода. Существует чуть более 100 типов атомов, но типов различных веществ миллионы. Причина такого неравенства кроется в том, что они состоят из различных типов молекул.
Важно понимать, что молекулы состоят не только из различных типов атомов, но и из различных соотношений. Как и в приведенном выше примере с водой, молекула воды состоит из двух атома водорода и одного атома кислорода, что записывается как H2O. Другими примерами являются углекислый газ (C02), аммиак (NH3) и сахар или глюкоза (C6H12O6). Некоторые молекулярные формулы могут получиться довольно длинными и сложными. Давайте посмотрим на молекулу сахара:
Чтобы она получилась, нужны определенные атомы в определенном количестве. Но молекулы могут быть гораздо больше. Одна молекула витамина С состоит из 20 атомов (6 атомов углерода, 8 атомов водорода и 6 атомов кислорода – C6H8O6). Если взять эти 20 атомов витамина С и смешать, соединяя их вместе в другом порядке, то получится совершенно другая молекула, которая не только выглядит по-другому, но и действует иначе.
Молекула витамина С выглядит так
Некоторые молекулы, особенно некоторые белки, содержат сотни или даже тысячи атомов, которые соединяются вместе в цепи, которые могут достигать значительной длины. Жидкости, содержащие такие молекулы, иногда ведут себя странно. Например, жидкость может продолжать вытекать из колбы, из которой была вылита некоторая ее часть, даже после того, как колба будет возвращена в вертикальное положение.
Факты о молекулах
Чтобы всегда быть в курсе последних научных открытий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram
Химические связи
Молекулы и соединения удерживаются вместе силами, называемыми химическими связями. Существует четыре типа химических связей, которые удерживают большинство соединений вместе: ковалентные связи, ионные связи, водородные и металлические, однако в качестве основных выделяют ковалентные и ионные, так как они связаны с электронами. Как известно, электроны вращаются вокруг атомов в оболочках. Эти оболочки хотят быть «полными» электронов. Когда они не заполнены, то будут пытаться соединиться с другими атомами, чтобы получить нужное количество электронов и заполнить их оболочки.
Ковалентные связи делят электроны между атомами. Это происходит, когда получается, что атомы делятся своими электронами, чтобы заполнить свои внешние оболочки. В свою очередь ионные связи образуются, когда один электрон передается другому. Это происходит, когда один атом отдает электрон другому, чтобы сформировать баланс и, следовательно, молекулу или соединение.
Еще больше увлекательных статей о том, как ученые дробят реальность на атомы, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там выходят статьи, которых нет на сайте!
Знания о свойствах и строении молекул легли в основу современной науки и нашего понимания Вселенной
Немаловажным также является тот факт, что молекулы всегда находятся в движении. В твердых телах и жидкостях они находятся очень близко друг к другу, а их движение можно сравнить с быстрой вибрацией. В жидкостях молекулы могут свободно перемещаться между собой, как бы скользя. В газе плотность молекул обычно меньше, чем в жидкости или твердом теле того же химического соединения, а потому молекулы движутся даже более свободно, чем в жидкости. Для конкретного соединения в данном состоянии (твердом, жидком или газообразном) скорость молекулярного движения возрастает с увеличением абсолютной температуры.
Что содержит молекула воды
ВОДА – оксид водорода H2O.
В течение многих столетий вода считалась простым веществом. Лишь в 1783 французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) сумел разложить ее. Он показал, что вода состоит из водорода и кислорода, а в 1789 дал первую оценку ее количественного состава: 15% водорода и 85% кислорода. В дальнейшем количественный анализ воды проводили многие ученые. Долгое время образцовыми считались результаты французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778–1850), полученные около 1808: 13,27% водорода и 86,73% кислорода. Только в 1821 шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) и французский физик и химик Пьер Луи Дюлонг (1785–1838) сделали более правильный анализ воды и нашли, что она содержит 11,1% водорода и 88,9% кислорода, что очень близко к современным значениям (11,19% водорода и 88,81% кислорода).
Изучая объемные отношения реагирующих газов, Гей-Люссак показал, что один объем кислорода и два объема водорода при взаимодействии дают два объема водяного пара (при температуре выше 100° С). На основании этих результатов с учетом закона Авогадро был сделан вывод, что две частицы водяного пара образуются из одной частицы кислорода и двух частиц водорода. Таким образом была выведена формула воды H2O.
На нашей планете вода играет очень важную роль. В природе она совершает непрерывный круговорот. Под влиянием солнечной энергии жидкая вода (главным образом, в теплых морях и океанах) превращается в пар, который поднимается в верхние слои атмосферы. Это происходит благодаря тому, что водяной пар легче воздуха. Так происходит образование облаков, которые ветрами переносятся в другие части планеты, где в виде дождя и других осадков вода попадает на поверхность земли. Здесь она образует ручьи и реки, которые возвращают испаренную воду в океаны (рис. 1).
Чистой воды в природе нет. Даже наиболее чистая дождевая вода при падении через атмосферу растворяет газы и захватывает пыль. При ее испарении всегда остается небольшой остаток – около 0,03 г на литр. На поверхности земли вода дополнительно растворяет многие твердые вещества. Часть ее впитывается в почву. В глубине земли продолжается растворение различных веществ, так что при выходе на поверхность вода иногда образует минеральные источники. Ключевая и колодезная вода от растворенных в ней солей часто бывает жесткой.
Речная (пресная) вода содержит до 0,5 г растворенных солей в одном литре. В конце концов, все это попадает в море. Таким образом, море, испаряя чистую воду, получает взамен воду с растворенными в ней веществами. Количество солей, поставляемое реками в моря и океаны, огромно. Так, река Дон ежегодно вносит в Азовское море около 16 млн. т солей, Дунай в Черное море – 9 млн. т.
В океанской воде содержится около 35 г солей в литре. Столько же имеется в водах большинства морей. Однако для закрытых морей встречаются отклонения от средней солености, связанные с числом впадающих рек, средней температурой и другими факторами. Балтийское море содержит лишь 3–8 г солей на литр, а Красное – до 45 г. В соленых озерах содержание солей может быть намного больше: в Мертвом море – 228 г в одном литре, в оз. Эльтон – 270 г. В морской воде растворен, в основном, хлорид натрия; кроме того, имеются и другие соли натрия, магния, кальция.
Для научной работы, а также для фармацевтических и других целей, воду перегоняют (рис. 2). Для этого ее превращают в пар, который затем охлаждают, получая чистую дистиллированную воду. Примеси остаются в перегонном сосуде.
Природная вода содержит следы «тяжелой» воды (оксида дейтерия) D2O. Физические свойства H2O и D2O заметно различаются.
| H2O | D2O | |
| t плав.,°С | 0,0 | 3,8 |
| t кип., °С | 100,0 | 101,4 |
Свойства воды служат точкой отсчета для многих физических величин. Так, температуры замерзания и кипения воды лежат в основе шкалы Цельсия. Один литр – это объем 1 кг чистой воды, взвешенной при +4 °С (при этой температуре вода имеет максимальную плотность).
Многие физические свойства воды аномальны по сравнению с другими жидкостями. Одной из причин этого служат малые размеры молекул воды – минимальные среди всех жидких веществ при обычных условиях. Однако наиболее важным свойством воды является ее способность образовывать прочные водородные связи.
В водяном паре при температуре кипения и атмосферном давлении присутствует около 1% димеров, в которых молекулы воды объединены в пары водородными связями. В жидком и твердом состоянии каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две как донор протонов и две – как акцептор протонов. Водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 3.).
Если бы водородных связей не было, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов. Водородные связи являются причиной и другого уникального свойства воды – при плавлении ее плотность возрастает. При 0°С плотность льда (0,9168 г/см 3 ) меньше, чем плотности жидкой воды (0,9998 г/см 3 ), поэтому лед плавает на поверхности воды. Если бы у льда была более высокая плотность, по мере замерзания он опускался бы на дно, что сделало бы жизнь в водоемах зимой невозможной.
Чтобы превратить воду в пар, надо затратить много энергии – около 44 кДж/моль. При обратном переходе пара в жидкую воду выделяется то же количество теплоты.
Вода устойчива при нагревании вплоть до 1000°С. При более высоких температурах она частично разлагается на водород и кислород. Эти же продукты образуются при электролизе воды.
Разложение воды искрами электрической машины заметили еще в 1789, а годом позже воду разложили с помощью гальванического электричества. В России это впервые было сделано профессором С.-Петербургской Медико-Хирургической Академии В.В. Петровым летом 1802 посредством огромной «гальвани-вольтовой батареи», состоявшей из 4200 медных и цинковых кружков. Электролиз чистой воды идет очень медленно. Для более быстрого разложения воды электрическим током в нее добавляют какую-либо кислоту, щелочь или соль. Этот процесс иногда используют для получения чистого водорода и кислорода (рис. 4).
Вода вступает в химическое взаимодействие со многими простыми веществами. Большинство таких реакций протекает при высокой температуре. Только наиболее активные металлы (щелочные и щелочноземельные) и неметаллы (галогены) реагируют с водой при комнатной температуре. Однако при одновременном воздействии воды и окислителей даже при обычной температуре происходит разрушение металлов средней активности (таких как железо) в результате коррозии.
Очень сильными восстановителями вода восстанавливается до водорода, очень сильными окислителями – окисляется до кислорода.
Вода взаимодействует со многими основными оксидами с образованием гидроксидов. В реакциях воды с большинством кислотных оксидов образуются кислоты.
РЕАКЦИИ ВОДЫ
| С простыми веществами: | |
| металлами | неметаллами |
| 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 | Cl2 + H2O⇋ HCl + HClO |
| 2Fe + 3H2O = Fe2O3 + 3H2 (600 °C) | H2O + C ⇋ CO + H2 (800–1000 °C) |
| С оксидами: | |
| основными | кислотными |
| CaO + H2O = Ca(OH)2 | SO3 + H2O = H2SO4 |
| Na2O + H2O = 2NaOH | N2O5 +H2O = 2HNO3 |
| Термическое разложение: 2Н2О⇋ 2Н2 + О2 | |
Некоторые сложные вещества полностью разлагаются водой – подвергаются необратимому гидролизу:
Вода может служить катализатором. Например, щелочные металлы и водород реагируют с хлором только в присутствии следов воды. Иногда вода является каталитическим ядом, например, для железного катализатора при синтезе аммиака.
В результате образования водородных связей твердая вода (лед) имеет рыхлую структуру с обширными замкнутыми полостями двух типов: больших и малых. В этих полостях могут размещаться молекулы других веществ, имеющие соответствующие размеры. Они удерживаются в них ван-дер-ваальсовыми силами. Так образуются газовые гидраты – клатраты, соединения типа «гость-хозяин», в которых «гостями» являются молекулы газов или легкокипящих жидкостей (благородные газы, галогены, углеводороды и др.), а «хозяевами» – молекулы воды, образующие кристаллический каркас. По внешнему виду газовые гидраты напоминают снег или рыхлый лед, но могут существовать только при повышенном давлении и отрицательной (по Цельсию) температуре. Наиболее важным на сегодняшний день газовым гидратом является гидрат природного газа метана, колоссальные скопления которого обнаружены в недрах земли, в особенности на шельфе морей и океанов.
Вода хорошо растворяет многие вещества, имеющие ионное строение (соли, щелочи), а также вещества, молекулы которых полярны. Наличие в жидкой воде ассоциатов (элементов кристаллической структуры) наряду с большим дипольным моментом молекул приводит к высокой диэлектрической проницаемости воды (ε = 78,3 при 25 °С). Это вызывает заметное ослабление кулоновского притяжения в водной среде, а, следовательно, способствует электролитической диссоциации ионных и полярных ковалентных соединений. При этом полярные молекулы воды участвуют в процессе гидратации за счет притяжения соответствующих полюсов полярных молекул воды к образующимся катионам и анионам. В ряде случаев образующиеся связи являются настолько прочными, что можно говорить о возникновении аквакомплексов. Аквакомплексы обнаружены не только в водных растворах, но и во многих кристаллических структурах.
Твердые вещества, как правило, лучше растворяются при нагревании. При этом вещества с очень прочной кристаллической решеткой мало растворимы в воде. К ним относятся хлориды, бромиды и иодиды серебра и свинца, сульфаты щелочноземельных металлов и свинца, большинство гидроксидов, сульфидов, ортофосфатов и карбонатов металлов.
Газы обычно плохо растворяются в воде. Исключение составляют газообразные вещества, взаимодействующие с водой, например аммиак, хлороводород или диоксид серы. Растворимость всех газов возрастает при увеличении давления и, как правило, понижается при нагревании.
В жидкой воде одна из каждых 10 миллионов молекул диссоциирует, образуя ионы: катионы водорода Н + и гидроксид-ионы ОН – :
Н2О ⇋ Н + + ОН –
| Индикатор | Кислотная среда | Нейтральная среда | Щелочная среда |
| Лакмус | Красный | Фиолетовый | Синий |
| Фенолфталеин | Бесцветный | Бесцветный | Малиновый |
| Метиловый оранжевый | Розовый | Оранжевый | Желтый |
| Вещества | Сильные | Слабые |
| Основания | NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 | NH3 |
| Кислоты | HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3 | H3PO4, H2CO3, H2S |
Соли при растворении в воде диссоциируют на катионы металла и анионы кислоты. Растворы многих солей имеют кислотную или щелочную среду за счет обратимого гидролиза по катиону или по аниону (см. ГИДРАТАЦИЯ, ГИДРАТЫ, ГИДРОЛИЗ).