Вода

Вода (гідроген оксид) – бінарна неорганічна сполука, яка складається з двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену H2O.

Вода є найпоширенішою в природі і найважливішою для людини сполукою. Біля 71 % поверхні Землі вкрито водою – 361,13 млн км2. Загальна кількість води на Землі становить близько 1500 млн км3, або 1/4500 маси земної кулі.

Будова

1Молекула води має кутову будову (тип AB2E2 по Гіллеспі) з кутом HOH 104,5°, близьким до тетраедричного. Тому згідно методу валентних зв’язків вважають, що атом Оксигену знаходиться в стані sp3-гібридизації. Молекули води полярні (диполі). Дипольний момент 1,84 D.

Вода володіє багатьма унікальними властивостями, які відрізняють її від бінарних сполук з Гідрогеном елементів 16 групи. Причиною високих значень температур плавлення і кипіння, ентальпії і ентропії випаровування, поверхневого натягу є здатність молекул води утворювати міцні асоціати за рахунок неподілених електронних пар.

2В гексагональній структурі льоду кожна молекула H2O зв’язана з трьома сусідніми молекулами за допомогою водневих зв’язків. В результаті такої сильної міжмолекулярної взаємодії утворюється міцний каркас. Кожна молекула води в каркасі бере участь в утворенні двох водневих зв’язків, використовуючи обидві неподілені електронні пари. Під час плавлення руйнується каркас за рахунок майже повного розриву одного з двох водневих зв’язків. При 0 °С водневі зв’язки рвуться лише на 15 %, тобто окремі фрагменти каркасу ще зберігаються. Частина молекул води, яка утворилась при руйнуванні асоціатів, попадає в пустоти всередині фрагментів каркасу, які лишились. Це призводить до аномального росту густини при температурі від 0 до 4 °С. Густина води при 4 °С досягає максимуму. Подальше нагрівання призводить до повного руйнування каркасу на менші асоціати, наприклад (H2O)6.

3В рідкій воді вище 4 °С міжмолекулярна взаємодія забезпечується лише однією неподіленою парою електронів і кожна молекула води зв’язана лише з трьома сусідніми. Об’ємна система водневих зв’язків зберігається в рідкій воді аж до температури кипіння. Пара в основному складається з неасоційованих молекул H2O лише з невеликим вмістом димерів (H2O)2.

Фізичні властивості

Чиста вода – прозора, рухома, безбарвна за звичайних умов рідина, яка не має ні запаху, ні смаку. За температури 3,98 °С вода має найбільшу густину, яка умовно прийнята за одиницю густини 1 г/см3. Електропровідність води мізерна, та все ж чутлива щодо вимірювання, яка порівняно з електропровідністю 1 М розчину НCl менша у 107 разів. Отже, вода дуже незначною мірою дисоціює на йони.

Вода має величезну теплоємність. Кількістю теплоти, що виділяється під час охолодження 1 м3 води на 1 °С, можна нагріти 1000 м3 повітря на 3 °С. Цей процес відбувається в природі, коли настає холодна пора. Нагріта влітку вода океанів і морів, поступово охолоджуючись, нагріває величезні об’єми повітря і перешкоджає різкому зниженню температури.

Вода є прекрасним розчинником багатьох неорганічних та органічних речовин. Розчинність газів, рідин і твердих речовин великою мірою залежить від їхньої природи. Майже всі гази, які складаються з полярних молекул добре розчиняються у воді. Розчинність газів зростає зі збільшенням їх тиску та температури.

Розчинність у воді рідин в основному залежить від характеру молекул, з яких вони складаються. Полярні рідини зазвичай добре розчиняються у воді.

З неорганічних солей добре розчиняються у воді нітрати, переважна більшість хлоридів і сульфатів. Вода є ідеальним середовищем для перебігу різноманітних хімічних реакцій. Часто вона виявляє каталітичну дію.

Хімічні властивості води

Хімічні властивості води визначаються її здатністю брати участь як в протолітичних, так і в окисно-відновних процесах.

Відносно нагріванн вода є досить стійкою сполукою. Вона практично не розкладається під час нагрівання до температури 1200 °С. За температури 5000 °С вода розкладається з вибухом.

Ступінь дисоціації води при 25 °С становить 0,0000000017 (або 1,7 • 10-7 %), тобто серед майже 600 000 000 молекул води лише одна перебуває в дисоційованому стані. Рівняння дисоціації води записують так:

2H2O ↔ H3O+ + OH

а у спрощеному вигляді:

H2O ↔ H+ + OH

Присутність у воді йонів Гідрогену (точніше, гідроксонію H3O+) і гідроксиду (OH) зумовлює її специфічні властивості: вода може виконувати функції слабкої кислоти і слабкої основи.

1. Приєднання основних та кислотних оксидів з утворенням основ та кислот

Na2O + H2O = 2NaOH

BaO + H2O = Ba(OH)2

SO3 + H2O = H2SO4

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4

2. Приєднання до основ, кислот і солей з утворенням кристалогідратів

KOH + H2O = KOH•H2O

H2SO4 + 2H2O = H2SO4•2H2O

CuSO4 + 5H2O = CuSO4•5H2O

3. Окисно-відновні властивості води

Окисно-відновна двоїстість води пов’язана з можливістю протікання двох процесів:

1) відновлення Гідрогену

H2O + e = 0,5H2 + OH; E°(pH = 7) = -0,410 В;

2) окиснення Оксигену

O2 + 4H+ + 4e = 4H2O; E°(pH = 7) = 0,815 В.

В водному розчині не можуть довго існувати як сильні окисники (E° > 0,815 В), наприклад Mn3+, так і сильні відновники (E° < -0,410 В), наприклад Na0.

Одночасне окиснення та відновлення води відбувається при електролізі з фоновим електролітом (KF, Na2SO4 тощо):

2H2O = 2H2 + O2

Приклади відновлення:

2Na + H2O = 2NaOH + H2

CO + H2O = CO2 + H2

CH4 + H2O = CO + 3H2

Приклади окиснення:

2F2 + 2H2O = 4HF + O2

4. Участь в окисно-відновних реакціях

Вода може не лише створювати середовище, а й бути безпосереднім учасником окисно-відновних реакцій:

Cl2 + H2O ↔ HCl + HOCl

2KMnO4 + 3K2SO4 + H2O = 2MnO2 + 3K2SO4 + 2KOH

5. Участь в донорно-акцепторних взаємодіях

За рахунок донорних властивостей атома Оксигену, який має дві неподілені пари електронів, вода часто відіграє роль ліганда в реакціях комплексоутворення. Вона може бути і донором протона, тому в кислотно-основних перетвореннях відіграє роль амфоліту:

H+ + H2O ↔ H3O+

Згідно з протонною теорією кислот і основ Й. Н. Бренстеда в цій реакції вода є основою. Відносно електролітів, здатних приєднувати протон, вода поводить себе як кислота, наприклад:

NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH

Вона утворює велику кількість аквакомплексів:

Cu2+ + 4H2O = [Cu(H2O)4]2+

Cr3+ + 6H2O = [Cr(H2O)6]3+

6. Гідроліз

Відомо багато сполук, які розкладаються водою:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S

PCl3 + 3H2O = H3PO3 + 3HCl

ICl5 + 3H2O = HIO3 + 5HCl

CH3COOC2H5 + H2O = CH3COOH + C2H5OH

7. Каталіз

В деяких реакціях вода може виступати в ролі каталізатора:

1) 2Al + 3I2 = 2AlI3

В даній реакції вода взаємодіє з йодом з утворенням йодидної кислоти, яка руйнує оксидну плівку алюмінію:

I2 + H2O = HI + HIO

6HI + Al2O3 = 2AlI3 + 3H2O

2) H2S + SO2 = S + H2O

Дана реакція з сухими газами не проходить. Для початку реакції необхідна присутність в системі слідів води.