Свойства воды
-
Физические свойства воды
- Вода — это жидкость без вкуса и запаха при комнатной температуре.
- Вода имеет слабые полосы поглощения на длинах волн около 750 нм, что придает ей голубой оттенок.
- В стандартных условиях вода является жидкостью, в отличие от других гидридов, которые обычно газообразны.
-
Фазы воды
- В атмосфере и на поверхности Земли вода существует в жидкой, твердой и газообразной фазах.
- Твердая фаза воды известна как лед, который может быть кристаллическим или аморфным.
- Газообразная фаза воды называется водяным паром.
-
Теплоемкость и теплоты испарения и плавления
- Вода обладает высокой удельной теплоемкостью и теплотой испарения.
- Эти свойства позволяют воде смягчать климат Земли.
- Удельная энтальпия плавления воды составляет 333,55 кДж/кг, что делает лед устойчивым к таянию.
-
Плотность воды и льда
- Плотность воды составляет около 1 грамма на кубический сантиметр.
- Плотность воды увеличивается при температуре до 3,98 °C, а затем уменьшается.
- Лед менее плотен, чем вода, что важно для жизни на Земле.
-
Плотность соленой воды и льда
- Плотность соленой воды зависит от содержания соли и температуры.
- Лед в океанах плавает из-за снижения температуры замерзания.
- Процесс отторжения рассола приводит к формированию океанских течений.
-
Смешиваемость и конденсация
- Вода смешивается со многими жидкостями, включая этанол.
- Вода и большинство масел не смешиваются, образуя слои.
- Водяной пар полностью смешивается с воздухом.
-
Давление водяного пара
- Максимальное давление водяного пара при заданной температуре относительно низкое по сравнению с атмосферным давлением.
- При охлаждении воздуха вода начинает конденсироваться при определенной температуре, создавая туман или росу.
- При повышении влажности пар достигает давления, необходимого для фазового перехода, и конденсируется в виде мельчайших капель воды.
-
Сжимаемость воды
- Сжимаемость воды зависит от давления и температуры.
- При 0 °C и нулевом давлении сжимаемость составляет 5,1×10-10 Па−1, при 45°C — 4,4×10-10 Па-1, при 100 МПа — 3,9×10-10 Па-1.
- Объемный модуль упругости воды составляет около 2,2 ГПа.
-
Тройная точка воды
- Тройная точка воды — это температура и давление, при которых вода находится в равновесии в трех состояниях.
- С 1954 года тройная точка использовалась для определения кельвина, но с 2019 года определяется с использованием постоянной Больцмана.
- Вода имеет множество полиморфов, что приводит к различным тройным точкам.
-
Температура плавления льда
- Температура плавления льда составляет 0 °C при стандартном давлении.
- Чистая жидкая вода может быть переохлаждена ниже 0 °C без замерзания.
- Температура плавления льда немного снижается при высоких давлениях, достигая 355 К при 2,216 ГПа.
-
Электрические свойства воды
- Чистая вода является отличным электронным изолятором, но содержит ионы.
- Вода подвергается автоионизации, что делает ее ограниченным проводником ионного заряда.
- Теоретическое максимальное электрическое сопротивление воды составляет 18,2 МОм·см при 25°C.
- Лед обладает небольшой проводимостью, обусловленной поверхностными дефектами.
-
Полярность и водородные связи
- Вода имеет изогнутую молекулярную геометрию и полярную природу.
- Водородная связь объясняет многие свойства воды, такие как высокие температуры плавления и кипения.
- Вода обладает высокими адгезионными свойствами и высоким поверхностным натяжением.
-
Сцепление и адгезия воды
- Молекулы воды удерживаются вместе водородными связями.
- Вода обладает высокими адгезионными свойствами, образуя тонкую пленку на стекле.
- В биологических клетках вода находится в контакте с гидрофильными поверхностями, что важно для гидратации и обезвоживания.
-
Капиллярное действие воды
- Вода обладает сильными когезионными и адгезионными свойствами, что позволяет деревьям переносить воду на большие высоты.
-
Растворимость воды
- Вода является отличным растворителем благодаря своей высокой диэлектрической проницаемости.
- Вещества, хорошо смешивающиеся с водой, называются гидрофильными, а плохо смешивающиеся — гидрофобными.
- Способность вещества растворяться определяется его способностью соответствовать сильным силам притяжения молекул воды.
-
Гидратация и полярные вещества
- Ионные и полярные вещества, такие как кислоты, спирты и соли, относительно растворимы в воде.
- Неполярные вещества, такие как жиры и масла, не растворяются в воде.
- Неполярные молекулы остаются вместе в воде из-за водородных связей между молекулами воды.
-
Квантовое туннелирование в воде
- В 2016 году было обнаружено квантовое туннелирование молекул воды.
- Это предполагает согласованное разрушение двух водородных связей.
-
Электромагнитное поглощение воды
- Вода прозрачна для видимого света, но поглощает ультрафиолетовый, инфракрасный свет и микроволны.
- Микроволновые печи используют это свойство для нагрева воды.
-
Структура воды
- Одна молекула воды может образовывать четыре водородные связи.
- В воде образуются тетраэдрические структуры, что приводит к аномальному снижению плотности при охлаждении.
- Альтернативная теория предполагает, что молекулы воды связываются с двумя другими молекулами, образуя цепочки и кольца.
-
Молекулярная структура воды
- Вода имеет изогнутую молекулярную структуру из-за отталкивания двух одиночных пар на атом кислорода.
- Угол водород-кислород-водород составляет 104,45°, что меньше, чем для идеальной гибридизации sp3.
-
Химические свойства воды
- В воде происходит самоионизация с образованием ионов гидрония и гидроксид-ионов.
- Константа равновесия для этой реакции, Kw, имеет значение около 10-14 при 25 °C.
-
Геохимия воды
- Вода воздействует на горные породы, приводя к выветриванию и водной эрозии.
- Водяной лед может образовывать клатратные соединения, такие как клатрат метана.
-
Кислотность в природе
- Дождь обычно слабокислый, с рН от 5,2 до 5,8.
- Кислотные дожди могут возникать при наличии оксидов азота и серы в воздухе.
-
Изотопологи воды
- Вода состоит из изотопов водорода и кислорода.
- Венский стандарт «Средняя океанская вода» определяет изотопы воды.
- D2O, тяжелая вода, используется в ядерных реакторах.
- Тритий радиоактивен и распадается с периодом полураспада 4500 дней.
- HDO и D2O встречаются в природе в низких концентрациях.
- D2O имеет более высокую плотность и влияет на биохимические процессы.
-
Свойства воды
- Вода является наиболее распространенным веществом на Земле и третьей по распространенности молекулой во Вселенной.
- Вода составляет 0,23% массы Земли и 97,39% мирового объема воды находится в океанах.
- Вода более распространена во внешней части Солнечной системы, где она поступает во внутреннюю часть через столкновения астероидов и комет.
-
Химические реакции
- Вода амфотерна, может действовать как кислота или основание в химических реакциях.
- Вода является слабым твердым основанием и слабой твердой кислотой, что делает ее распространенным лигандом в комплексах переходных металлов.
- Вода легко вступает в реакцию с органическими карбокатионами, образуя спирты и расщепляя органические молекулы.
- Вода окисляет химические вещества, такие как гидриды и щелочные металлы.
-
Электролиз
- Воду можно расщепить на водород и кислород с помощью электролиза.
- Необходимый потенциал для электролиза чистой воды составляет 1,23 В при 25°C.
-
История
- Генри Кавендиш показал, что вода состоит из кислорода и водорода в 1781 году.
- Первое разложение воды на водород и кислород было осуществлено в 1800 году.
- Гилберт Ньютон Льюис выделил первый образец чистой тяжелой воды в 1933 году.
-
Номенклатура
- Общепринятое название воды ИЮПАК — оксидан или просто вода.
- Существуют и другие систематические названия, такие как оксид водорода и гидроксид водорода.
- Поляризованная форма молекулы воды, H+OH−, также называется гидроксидом водорода.