Вода. Химические и физические свойства
Молекула воды имеет уголковую форму — в виде равнобедренного треугольника. Угол между атомами углерода равен 104о45′:
Общие электронные пары смещены к более электроотрицательному атому кислорода, поэтому на кислороде скапливается отрицательный заряд, а атомы водорода приобретают положительные заряды. Следовательно, молекула воды – это диполь, на одном полюсе которого положительный заряд, а на другом отрицательный:
Между молекулами воды образуются водородные связи, наличием которых объясняется неограниченная растворимость некоторых веществ в воде (кислоты, этиловый спирт и т.д.):
Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. В тонком слое она бесцветна, а в слое толщиной 2 м и более имеет голубоватый оттенок.
Природная вода всегда содержит примеси, главным образом соли кальция и магния, которые обусловливают жесткость воды. Временную, или карбонатную жесткость воды определяют содержащиеся в ней растворимые гидрокарбонаты Са2+ и Mg2+. Такую жесткость устраняют:
1. Кипячением
Са(НСО3)2 → СаСО3 + СО2 + Н2О;
2. Добавлением известкового молока
Са(НСO3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСO3 + 2Н2O.
Постоянную, или некарбонатную жесткость воды, которую определяют содержащиеся в ней хлориды, сульфаты, нитраты и другие растворимые соединения кальция и магния, устраняют добавлением соды:
Са2+ + Na2СО3 → СаСO3 + 2Na+
Для научных исследований, в медицине, для заливки в систему охлаждения автомобилей и других целей используют дистиллированную воду (полученную в результате перегонки). Особо чистую воду получают многократной перегонкой в кварцевой аппаратуре, а абсолютно чистую — синтезом из водорода и кислорода.
Для воды характерны как окислительно-восстановительные свойства, так и реакции, протекающие без изменения степеней окисления водорода и кислорода.
1. Окислительные свойства воды проявляются в реакциях с металлами. Щелочные и щелочноземельные металлы взаимодействуют с водой при обычных условиях с образованием щелочи и водорода:
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2
Магний реагирует с водой или в виде мелкого порошка, или при нагревании:
Mg + 2Н2О → Mg(OH)2 + Н2.
Алюминий вступает в реакцию с водой лишь при условии, что его поверхность будет освобождена от плотной оксидной пленки:
2А1 + 6Н2О → 2А1(ОН)3 + 3Н2.
Остальные металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, взаимодействуют с водой лишь при значительном нагревании с образованием оксида металла и водорода:
Zn + Н2О → ZnO + Н2;
3Fe + 4Н2О → Fe3О4 + 4Н2.
2. Восстановительные свойства воды проявляются в реакциях с галогенами:
2Н2О + 2F2 → 4HF + О2
3. Некоторые вещества (чаще всего соли) вступают с водой в реакции гидролиза. Обратимый гидролиз солей был рассмотрен в лекции 14. Гидролиз может быть и необратимым, когда в результате образуется газ или малодиссоциирующее вещество:
СаН2 + 2Н2О → Са(ОН)2 + 2Н2↑
Mg2Si + 4Н2О → 2Mg(OH)2 + SiH4↑
A12S3 + 6Н2О → 2А1(ОН)3↓ + 3H2S↑
4. В органической и неорганической химии широко распространены реакции гидратации, т. е. реакции присоединения воды. Так при взаимодействии этилена с водой образуется этиловый спирт:
СН2=СН2 + Н2О → С2Н5ОН,
а при взаимодействии кислотных и основных оксидов образуются соответственно кислоты и основания:
Р2О5 + 3Н2О → 2Н3РО4.
СаО + Н2О → Са(ОН)2;