ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

ГИДРОГЕН. ВОДОРОД. ВОДА

Вода

Видимо, на Земле нет более распространенного и в то же время более загадочного вещества, чем вода в жидкой и твердой фазах. Действительно, достаточно вспомнить, что все живое вышло из воды и состоит из нее более чем на 50 %, 71 % поверхности Земли покрыто водой и льдом, а значительная часть северных территорий суши представляет собой вечную мерзлоту.

Следовательно, молекула воды построена из двух атомов Водорода и одного атома Кислорода. В гипотетическом состоянии полного отсутствия движения (без колебаний и вращений) ионы Водорода и Кислорода должны занимать положение в вершинах равнобедренного треугольника с углом в вершине, занятой Оксигеном, 104,5°. В невозбужденном состоянии расстояния между ионами Н⁺ и О^2- равны 0,096 нм. Молекулу воды можно изобразить в виде шара с двумя небольшими вздутиями в зоне расположения протонов.

Лед

С точки зрения обычного человека, лед более-менее одинаков независимо от того, где он образуется: в атмосфере в виде градинок, на краях крыш в виде сосулек или в водоемах в виде пластин. С точки зрения физики есть множество разновидностей льда, отличающихся своей молекулярной и кристаллической структурой. В льду, что существует за нормального давления, каждая молекула Н₂О окружена четырьмя другими. Соответствующие кристаллические решетки - гексагональные - не есть плотно расположенными, поэтому плотность обычного льда (-0,9 г/см³) ниже плотности воды (~1 г/см³). Фиксированные положения в структуре льда занимают только атомы Кислорода. Два атома Водорода могут занимать различные положения на четырех связях молекулы Н₂О с другими соседями. Несмотря на гексагональності решетки, кристаллы, растущие в свободном состоянии (например, снежинки), имеют шестигранную форму.

Однако гексагональная фаза далеко не единственная форма существования льда. Точное число других кристаллических фаз - полиморфных форм льда - до сих пор неизвестно. Они образуются за высокого давления и низких температур. Одни исследователи считают точно установленной наличии 12 таких фаз, тогда как другие насчитывают их до 14. Конечно, это не единственное вещество, которой свойственен полиморфизм, но количество разных фаз льда, которые продолжают открывать и по сегодняшний день, впечатляет. Все сказанное выше касалось упорядоченного расположения ионов Кислорода в кристаллических решетках льда. Что касается протонов - ионов Водорода,- то в их расположении существует сильный беспорядок. Таким образом, кристаллический лед есть и хорошо упорядоченным средой (за Оксигеном) и одновременно неупорядоченным (по Гідрогеном).

Иногда кажется, что лед податлив и текуч. Так оно и есть, если температура близка до точки плавления (т.е. t = 0 °С при атмосферном давлении), а нагрузка действует длительное время. Да и жесткий материал (например, металл) при температурах, близких к точки плавления, ведет себя аналогичным образом.

Не менее удивительные и электрические свойства льда. Величина проводимости и ее экспоненциальное быстрый рост с повышением температуры резко отличают лед от металлических проводников и ставят его в один ряд с полупроводниками. Лишь в 50-е годы XX века было установлено, что носителями заряда в льда есть неупорядоченные протоны, то есть лед является протонным полупроводником.

Обычно лед бывает химически очень чистая, даже если растет из грязной воды или раствора (вспомните чистые прозрачные льдинки в грязной луже). Это обусловлено низкой растворимостью примесей в структуре льда. В результате во время замерзания примеси оттесняются на фронте кристаллизации в жидкость и не входят в структуру льда. Именно поэтому снег, который только выпал, всегда белый, а вода из него отмечается исключительной чистотой. Природа мудро предусмотрела гигантскую очистную станцию для воды в масштабе всей атмосферы Земли.

Плавления приповерхностных слоев льда под действием солнечного света, более теплой атмосферы или твердого тела, скользит по нему (коньки, лыжи, полозья санок), имеет решающее значение для реализации низкого коэффициента трения. Низкое трение скольжения не результат понижения температуры плавления под действием повышенного давления, как часто думают, а следствие выделения теплоты трения. Расчет показывает, что эффект давления даже в случае скольжения остро наточеного конька по льду, под которым развивается давление около 1 МПа, приводит к понижению температуры плавления всего лишь на ~ 0,1 °С, что не может существенно повлиять на величину трения.

Физические свойства воды

Или не самой важной аномалией воды очень высокая удельная теплота плавления (кристаллизации) и теплоемкость, то есть трудно растопить лед, а воду - заморозить. В результате климат на нашей планете в целом достаточно мягкий, но за отсутствия воды (например, в пустынях жаркой Африки) контраст между дневной и ночной температурами значительно выше, чем на побережье океана на той же широте. Жизненно важной для биосферы является свойство увеличиваться в объеме при кристаллизации, а не уменьшаться, как это делает абсолютное большинство известных веществ. В результате лед плавает в воде, а не тонет, и сильно замедляет промерзание водоемов в холодное время, защищая все живое, что скрывается в нем на зиму. Этому также способствует и немонотонная изменение плотности воды при понижении температуры до 0 °С - одна из самых известных аномальных свойств воды, выявлена более 300 лет назад. Максимум плотности достигается при t = 4 °С, и это препятствует опусканию на дно приповерхностных слоев воды, которые охладились до температуры ниже 4 °С. Конвективное перемешивание жидкости блокируется, что очень замедляет дальнейшее охлаждение. Достаточно давно известны и другие аномалии воды: вязкости при 20 °С, удельного теплоемкости при 40 °С, изотермической сжимаемости при 46 °С, скорости распространения звука при 60 °С. Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не увеличивается, как в других жидкостей. Ясно, что аномальные свойства воды обусловлены структурными особенностями ее молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий.

В очень переохлажденной воды есть две характерные температуры t_h = -36 °С и t_g = -140 °С. Хорошо очищенная и лишена газа вода, находящаяся в интервале температур 0 °С > t > t_h, длительное время может оставаться в состоянии переохлажденной жидкости. За t_g t t_h происходит гомогенное зарождение кристаллов льда, и вода не может находиться в переохлажденном состоянии любой степени очистки. В условиях достаточно быстрого охлаждения при t t_g подвижность молекул воды настолько падает (а вязкость возрастает), что она образует стеклообразное твердое тело с аморфной структурой, свойственной жидкостям. При этом в области невысоких давлений образуется аморфная фаза низкой плотности, а в области повышенных - аморфная фаза высокой плотности, то есть вода демонстрирует поліаморфізм. В случае изменения давления или температуры одна аморфная фаза скачком переходит в другую с неожиданно большим изменением плотности (> 20 %).

Поведение переохлажденной воды представляет большой интерес через различные причины. В частности, она определяет климатические условия, возможность и режим судоходства в высоких широтах.

Процессы таяние льда на первый взгляд кажутся легче для анализа, чем процессы кристаллизации. Однако и они оставляют множество вопросов. Так, например, очень распространено мнение, что талая вода какое-то время имеет свойства, отличные от свойств воды обычной, по крайней мере в отношении биологических объектов: растений, животных, человека. Вероятно, эти особенности могут быть обусловлены высокой химической чистотой (через указанный малый коэффициент захвата примесей в процессе кристаллизации льда), различиями в содержании растворенных газов и ионов, а также запоминанием структуры льда в багатомолекулярних кластерах жидкой фазы. Однако достоверной информации об этом, полученной современными физическими методами, нет.

Не менее сложным представляется анализ механизмов влияния внешних физических полей, в частности магнитного, на процессы и свойства воды, льда и фазовых переходов. Вся наша жизнь проходит в условиях постоянного действия магнитного поля Земли и его слабых флуктуаций. В течение многих веков развиваются магнітобіологія и магнитные методы лечения в медицине. Наконец, серийно производятся и широко применяются установки для намагничивания воды, которую используют для полива в сельском хозяйстве (в целях повышения урожайности), питания паровых котлов (для уменьшения скорости образования накипи в них) и т.д. Однако хоть какого удовлетворительного физического описания механизмов действия магнитного поля в этих и других подобных случаях до сих пор нет.

Химические свойства воды

Вода - очень активная в химическом отношении вещество.

1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2Na + 2Н₂O = Н₂ + 2NaOH (бурно),

2К + 2Н₂O = Н₂ + 2КOН (бурно),

3Fe + 4Н₂O = 4Н₂ + Fe₃O₄ (только во время нагревания).

Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Легче всего реагируют щелочные и щелочноземельные металлы i И II групп.

С неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородная соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

С + Н₂O = Н₂ + СО (во время сильного нагрева)

СН₄ + 2Н₂O = 4Н₂ + СO₂ (во время сильного нагрева)

2) Вода разлагается на водород и кислород в результате действия электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окисником, и восстановителем:

3) Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединение с водой:

СаО + Н₂O → Са(ОН)₂.

Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Это ZnO, ТеO₂, Сr₂O₃, из которых готовят, например, устойчивые к воде краски. Оксиды Железа также не растворимые в воде и не реагируют с ней.

5) Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если кристаллический гидрат, то он называется кристалогідратом. Например:

Не только соли способны образовывать гидраты:

(гидрат серной кислоты)

(гидрат едкого натра)

Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют как осушитель. По их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.

6) Особая реакция воды - синтез растениями крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n и других подобных соединений (углеводов), что происходит с выделением кислорода: