Соединения водорода. Читайте так же "ГОРЕНИЕ ВОДЫ"
Вода (H2O). Самое
первое химическое вещество известное человеку – вода. Леонардо да Винчи
называл её "соком жизни” на Земле. Французский писатель Антуан де
Сент-Экзюпери сказал:"Вода! Ты не просто необходима для жизни, ты и есть
сама жизнь.” Действительно все живое состоит из воды: медузы на 95%,
огурцы, салат, помидоры, морковь, грибы, груши, яблоки на 90-85%, клетки
мозга человека на 85%, кровь человека на 80%, рыбы на 75%, человек на
60%, клетки костного мозга человека на 20%. Содержание воды в литосфере
1,3-1,4Ч 109 км3, в гидросфере 1,4-1,5Ч 109 км3, в атмосфере 13-15Ч 103 км3, на суше на долю подземной воды приходиться 60Ч 109 км3, ледников – 29Ч 109 км3, озёр – 750Ч 106 км3, рек – 1,2Ч 106 км3, почвы – 75Ч 106 км3.
Мировой океан содержит 96% воды гидросферы и покрывает 3/4 поверхности
суши, но пресной воды пригодной для питья, хозяйственных и промышленных
нужд совсем не много, поэтому при непрерывном росте её потребления
запасы воды требуют рационального использования. Ведутся разработки
способов обессоливания морской воды. В литосфере вода содержится в
связанном виде – входит в состав многих минералов и пород, таких как
гипс, глина, мирабилит, кристаллогидраты. Известны также выбросы воды
при вулканизме, но самое необычно такого рода явление – гейзеры. Это
источники, периодически выбрасывающие фонтаны горячей воды и пара до
высоты 20-40 м и более. Гейзер — одно из проявлений поздних стадий
вулканизма. Известны в Исландии, США, Новой Зеландии, Российской
Федерации (на Камчатке). Небольшие количества воды присутствуют в
атмосфере многих планет солнечной системы, но наибольшие количества у
газовых гигантов. Предполагают, что на марсианской поверхности, кроме
ледяных шапок, в глубине грунта содержится вода, которая при оседании на
поверхности заметается буйным марсианским ветром. Мир, в котором
мы живем, изменился бы коренным образом, если удалить из него воду.
Погибнет жизнь, так как вода является катализатором и главным
растворителем всех реакций в организме. Наконец высохли бы океаны,
существенно поменялся климат, неизвестно что было бы с атмосферой.
Чистой воды, как и других абсолютно чистых веществ, в природе нет. Вкус
воде придают растворенные в ней примеси. Молекула воды полярна и
имеет форму треугольника в вершине которого находиться атом кислорода, а
в углах оснований – атомы водорода. Валентный угол равен 104° 5’ и меньше тетраэдрического, вследствие гибридизации орбиталей. При образовании молекул воды происходит sp3-гибридизация
атомных орбиталей кислорода. Молекула воды является диполем – водород
заряжен положительно, а кислород – отрицательно. Но две sp3-орбитали
заняты связывающими электронными парами. Молекулы воды ассоциируют
(взаимодействуют) между собой с образованием водородной связи. Физические свойства воды (H2O).
Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость без вкуса
и запаха. Из-за наличия водородных связей между молекулами воды,
наблюдаются некоторые её аномальные свойства. Плотность воды максимальна
при 4° С, поэтому лед всплывает в воде. Это
явление имеет большое значение для жизни, так как вода в водоемах зимой
не промерзает до большой глубины, позволяя выжить водным организмам. Кроме
того если бы вода промерзала до дна, то солнечной энергии не хватило бы
для ее оттаивания. Вода обладает также аномально высокими удельной
теплопроводностью, теплотой испарения, плавления и рядом других
аномальных свойств. Ниже в алфавитном порядке перечислены основные
физические и физико-химические константы для воды, в случае, когда не
указываются температура или давление, то имеются в виду нормальные
условия: t=0° C, p=101325 Па. Вязкость воды и пара; Коэффициент поглощения звука f=843 МГц (при t=20° C) [22]; Критическая плотность r кр=320 кг/м3 [32]; Критическая температура Tкр=647,3 К [32]; Критический объем Vкр=56,3Ч 10-6 м3/моль [32]; Критическое давление pкр=22,12 МПа [32]; Магнитная восприимчивость не описывающаяся законом Кюри-Вейсса c =-0,719Ч 10-9 м3/кг (при Т=273 К – твердая), c =-0,7177Ч 10-9 м3/кг (при Т=273 К – жидкая), cЧ 10-9 м3/кг (при Т=293 К), c =-0,72454Ч 10-9 м3/кг (при Т=373 К – жидкая); , c =-0,727Ч 10-9 м3/кг (при Т>373 К – газ); , c =-0,015Ч 10-9 м3/кг (при Т=298 К) [49]; Молярная изобарная теплоемкость СР=75,3 Дж/мольЧ К [23], СР=33,6 Дж/мольЧ К (газ) [23]; Область прозрачности – 0,2-0,9 мкм [29]; Объемная упругость K=22,7Ч 109 Па (при p=2,2 ГПа) [11]; Параметр адиабатической квадратичной нелинейности n=6,06-7.6 (при t=20° C) [20]; Плотность r =1000,0 кг/м3 (при t=4° C) [12,14]; Поверхностное натяжение; Показатель преломления водяного пара n=1,0002354 (при l=546,1 нм), n=1,0002337 (при l=632,8 нм) [29], см. Диаграмму 1.15; Постоянные Ван-дер-Ваальса a=0,5524 НЧ м4/моль2, b=30,413Ч 10-6 м3/моль [32]; Постоянная Верде V=154 мин/ТлЧ cм (при l=546 нм), V=137 мин/ТлЧ cм (при l=578 нм), V=130,7 мин/ТлЧ cм (при l=589 нм) [29]; Скорость звука v=1482,7 м/с (при t=20° C) [17], v=494 м/с (при t=134° C) [16]; Температура кипения tкип=100,00° С [14]; Температура насыщения; Температура плавления tпл=0,00° С [14]; Температурный коэффициент линейного расширения; Температурный коэффициент объемного расширения; Теплопроводность; Теплота кипения D Hкип=40683 Дж/моль [14]; Теплота плавления D Hпл=6013 Дж/моль [14]; Удельная теплоемкость CP=33,61 Дж/мольЧ К (газ) [31]; Энергия Гиббса D Gобр° =-237230 Дж/моль (жидкость), D Gобр° =-228610 Дж/моль (газ) [31]; Энтальпия образования D Hобр° =-291850 Дж/моль (кристалл), D Hобр° =-285830 Дж/моль (жидкость), D Hобр° =-241810 Дж/моль (газ) [31]; Энтропия S° =39,33 Дж/мольЧ K (кристалл), S° =69,95 Дж/мольЧ K (жидкость), S° =188,72 Дж/мольЧ K (газ) [31]. =-0,7199 Вода молекулы которой включают в себя тяжелые изотопы водорода и кислорода называют дейтериевой. Наиболее изучены свойства D2O16,
её содержание в природной воде около 0,26%. Содержание остальных видов
тяжелой воды еще меньше. Строение молекул тяжелой воды сходно с обычной с
небольшими различиями в параметрах, связь D–O прочнее, чем H–O. см.
Диаграмму 1.16. Ниже в алфавитном порядке перечислены основные
физические и физико-химические константы для тяжелой воды, в случае,
когда не указываются температура или давление, то имеются в виду
нормальные условия: t=0° C, p=101325 Па. Физические свойства тяжелой воды (D2O). Критическая плотность r кр=363 кг/м3 [32]; Критическая температура Tкр=644,05 К [32]; Критический объем Vкр=55,1Ч 10-6 м3/моль [32]; Критическое давление pкр=21,86 МПа [32]; Магнитная восприимчивость не описывающаяся законом Кюри-Вейсса c =-0,626Ч-9 м3/кг (при Т=276,8 К – твердая), c =-0,632Ч 10-9 м3/кг (при Т=276,8 К – жидкая), c =-0,637Ч 10-9 м3/кг (при Т=293 К)[49]; Молярная изобарная теплоемкость СР=84,3 Дж/мольЧ К, СР=34,4 Дж/мольЧ К (газ) [23]; Область прозрачности – 0,2-1,8 мкм [29]; Объемная упругость K=24,2Ч 109 Па (при p=2,2 ГПа) [11]; Параметр адиабатической квадратичной нелинейности n=5.52 (при t=20° C) [21]; Плотность r =1104 кг/м3 [12,14]; Постоянные Ван-дер-Ваальса a=0,5535 НЧ м4/моль2, b=30,625Ч 10-6 м3/моль [32]; Скорость звука v=1399 м/с (при t=25° C) [18], Температура кипения tкип=101,43° С [14]; Температура насыщения; Температура плавления tпл=3,813° С [14]; Теплопроводность; Теплота кипения D Hкип=45430 Дж/моль [14]; Теплота плавления D Hпл=6013 Дж/моль [14]; Энергия Гиббса D Gобр° =-243470 Дж/моль (жидкость), D Gобр° =-234550 Дж/моль (газ) [31]; Энтальпия образования D Hобр° =-294600 Дж/моль (жидкость), D Hобр° =-249200 Дж/моль (газ) [31]; Энтропия S° =75,90 Дж/мольЧ K (жидкость), S° =198,23 Дж/мольЧ K (газ) [31]. 10 Химические свойства воды. Вода – слабый электролит и диссоциирует по схеме H2O ® H+ + OH— или точнее 2H2O ® H3O+ + OH—. Вода
– весьма реакционноспособное вещество. Вода хороший растворитель, в ней
растворяется большинство неорганических кислот, оснований и солей, а из
органических соединений, те, которые имеют полярную функциональную
группу. Большинство веществ содержит примеси воды, что сказывается
на их свойствах, как то понижение температуры кипения. Вода является
также катализатором многих химических реакций, например взрыва гремучей
смеси, горения угарного газа в кислороде, действия хлора на металлы,
плавиковой кислоты на стекло, окисления натрия и фосфора на воздухе,
разложения многих химических соединений. Но также может служить и
каталитическим ядом, например при синтезе аммиака. 1.Разложение воды при нагревании до 1000° С (термическая диссоциация) или электролизе: 2H2O « 2H2 + O2 . 2.Взаимодействие
воды с металлами, стоящими в оксислительно-восстановительном ряду до
водорода, с металлами пассивирующимися водой в присутствии щелочи: 2Li + 2H2O ® 2LiOH + H2 , Zn + H2O (t) ® ZnO + H2 . 3.Взаимодействие с неметаллами. Вода горит в токе фтора светло-фиолетовым пламенем, или разлагается фтором: 2F2 + 2H2O ® 4HF + O2. Хлор, бром и иод диспропорционируют в воде: Cl2 + H2O « HCl + HСlO. От хлора к иоду активность реакции спадает. 4.Гидролиз солей или реакция обменного разложения. 5.Реакции гидратации (присоединение воды). Гидратация кислотных оксидов, происходит с образованием кислот: SO3 + H2O ® H2SO4, P2O5 + 3H2O ® 2H3PO4. Гидратация основных оксидов приводит к образованию оснований (гидроксидов): Na2O + H2O ® 2NaOH, BaO + H2O ® Ba(OH)2. Вода способна образовывать кристаллогидраты со многими соединениями: MgSO4 + 7H2O ® MgSO4 ? 7H2O. Примерами
таких соединений могут служить большинство минералов, а также
соединения двух сульфатов металлов с водой, называемых квасцами. Но она
может связывать и газообразные вещества. Выпадающие в виде кристаллов
при температурах от 0 до 24° С. Например, XeЧ 6H2O, Cl2Ч 8H2O, CH4Ч 6H2O, C2H6Ч 6H2O, C3H8Ч 17H2O, такие соединения называются клатратами. Тяжелая вода менее реакционноспособное вещество, является биологическим ядом. Получают воду из природных источников, для тщательной очистки от примесей применяют перегонку воды (дистилляцию). Применение.
Применяется, как реагент, растворитель, хладагент, теплоноситель,
рабочее тело в паровых машинах и энергетике. Вода — обязательный
компонент практически всех технологических процессов как промышленного,
так и сельскохозяйственного производства. Вода особой чистоты необходима
в производстве продуктов питания и медицине, новейших отраслях
промышленности (производство полупроводников, люминофоров, ядерная
техника), в химическом анализе. Тяжелая вода применятся в ядерной
технике, главным образом, как замедлитель нейтронов. |
