Что означает полярность молекул воды
Полярные и неполярные молекулы – две группы, на которые подразделяются все диэлектрики.
Полярные по-другому называются дипольными. А неполярные являются нейтральными или бездипольными.
Что такое полярность в химии
Полярность – свойство, показывающее изменение распределения электронной плотности около ядер, если сравнивать с изначальным ее распределением в образующих данную связь нейтральных частицах.
Поляризуемость — способность поляризоваться под воздействием электрического поля.
Мерой полярности называется электрический момент диполя. В нейтральных соединениях он равен нулю. Его значение зависит от разности электроотрицательностей элементов.
Длина диполя — расстояние между его полюсами. Данная характеристика также влияет на степень полярности.
Любое соединение состоит из ядра (положительные частицы) и электронов (отрицательные частицы). И положительные, и отрицательные частицы имеют свой электрический центр тяжести.
Если центры тяжести частиц совпадают, то соединение считается неполярным. Если же полюса не накладываются друг на друга, то в этом случае речь идет о дипольной связи.
Примеры полярных молекул
Эта связь образуется, если вещество состоит из атомов разных элементов и ассиметрична (имеются неспаренные электроны). Такие соединения имеют угловую, изогнутую геометрическую форму.
Примеры неполярных молекул
Эта связь также может встречаться в соединениях, состоящих из атомов разных элементов и при этом являющихся симметричными (линейные, тетраэдрические и т. д.). Такими веществами являются: BeH2, BF3, CH4, CO2(углекислый газ) и SO3.
При нейтральной связи электронное облако равномерно распределяется между ядрами всех атомов данного вещества. Поэтому ядра действуют на него в равной мере.
Как определить полярность молекулы и от чего она зависит
Чтобы определить, является ковалентная связь дипольной или нет, необходимо посмотреть на химическую формулу вещества.
Если молекула состоит из атомов одного и того же вещества, то она в любом случае нейтральна.
Если же молекулярное строение является сложным, то речь может идти как о полярной, так и неполярной ковалентной связи. Это зависит от геометрической формы.
Вода | Строение молекулы и структура воды в жидком, твердом и газообразном виде.
Содержание:
1. Современные представления о составе и структуре воды. Строение молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.
В «тройной» точке на диаграмме может одновременно существовать вода во всех трех агрегатных состояниях.
В «критической» точке все свойства жидкости и пара (энергия, плотность, структура, характер движения частиц и т.п.) становятся равны. При более высоком давлении и/или температуре агрегатное состояние воды называют «сверхкритическим».
В стабильном энергетическом состоянии молекула воды имеет тетраэдрическую пространственную структуру. При изменении агрегатного состояния воды длина сторон и угол между ними меняются. Если бы мы увидели молекулу воды, то обнаружили, что она имеет сфероидальную форму с двумя выпуклостями (рисунок 3).
Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар обуславливает возникновение водородных связей, что способствует ассоциации молекул воды в группы.
Обладая значительным дипольным моментом, молекулы воды также сильно взаимодействуют с полярными молекулами других веществ.
Идеально чистую воду практически невозможно получить. По факту, мы всегда будем иметь дело хоть и с очень разбавленными, но растворами.
В природе на 1 000 000 молекул воды в среднем приходится:
— 997 284 молекул легкой воды 1 H2 16 O;
— 311 молекул 1 HD 16 O;
— 390 молекул 1 H2 17 O;
— 2005 молекул 1 H2 18 O.
Если из глубинной океанической воды, отвечающей стандарту SMOW (Standard Mean Ocean Water) удалить все тяжелые изотопы и заменить их на 1 H2 16 O, то масса 1 л такой воды станет меньше на 250 мг, т.е. на четверть.
2. Структура воды. Водородные связи.
В ходе современных физико-химических исследований были выявлены характерные структурные агрегаты воды, формирующиеся с помощью водородных связей.
Для формирования трехмерных структур необходимо, кроме способности молекул создавать водородные связи, выполнение еще двух условий. Этих связей должно быть не менее четырех на одну молекулу и геометрические размеры молекулы не должны противоречить оптимальным направлениям водородных связей. Вода удовлетворяет этим требованиям. Так, нагревая лед мы получаем смесь жидкой воды и кристаллов льда, температура которой останется неизменной до тех пор, пока все кристаллики не расплавятся. Это говорит о том, что подводимое нами тепло будет расходоваться в первую очередь на разрушение водородных связей льда.
3. Структура воды в жидком виде.
Жидкость, как известно, отличается от других агрегатных состояний вещества своей текучестью, т.е. способностью неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, сохраняя при этом объем. Жидкость способна течь даже под свей неподвижной поверхностью. Молекулы жидкости не имеют своего строго определенного места, но, все же, им недоступна полная свобода перемещения, как в паре.
Структура жидкости есть статистическая закономерность межмолекулярных расстояний и ориентаций, характерных для плотно упакованных систем.
Согласно одной из первых моделей воды Бернала и Фаулера, основанной на рентгеноструктурном анализе, существует три формы расположения молекул в жидкой воде:
В 1951 г. Дж. Попл предложил модель воды в виде непрерывной сетки (рисунок 5), отличной от модели Бернала и Фаулера. Отличия заключались в том, что сетка была случайной, связи в ней искривлены и имеют различную длину.
Попл объяснял уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Однако, данная модель не могла объяснить нелинейность зависимости свойств воды от температуры и давления.
Почти одновременно с идеей Попла возникли кластерные и клатратные модели, которые можно обозначить как «смешанные».
Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры из молекул, связанных водородными связями, плавающих в объеме свободных молекул. В группе кластерных моделей выделяется теория Г.Немети и Х.Шераги (рисунок 6). Отметим, что в данной модели разрушение одной водородной связи приводит к разрушению всего кластера. Разрушение и образование кластеров происходит постоянно.
Кластерная модель не говорит о расположении молекул в гроздьях, но авторы предполагают наличие отдельных «роев». При этом постулируется тот факт, что большинство молекул должно быть тетракоординировано. Состояние молекул будет определяться количеством водородных связей, которые она образует (0-5).
Удар по кластерной теории наносят исследования Г.Стэнли на основе теории перколяции (протекания). Г.Стэнли доказывает невозможность существования в воде изолированных кластеров.
Клатратная модель говорила о воде как о непрерывной сетке-каркасе связанных молекул, внутри которого содержались пустоты со свободными молекулами.
Первую модель клатратного типа предложил О.Я.Самойлов в 1946 году. В ее основе лежало представление о жидкой воде как о испорченной, размытой структуре льда Ih с частичным заполнением полостей мономерами. В процессе движения молекул решетка постоянно перестраивается. Настройкой свойств и концентраций микрофаз, а также параметрами пустот легко можно было объяснить все закономерности свойств воды.
Пустоты в воде по результатам моделирования имеют тенденцию объединяться друг с другом, образуя еще более крупные пустоты, как показано на рисунке 7.
Рассмотрим кластерную и клатратную модели строения жидкой воды подробнее.
3.1 Кластерная модель строения жидкой воды.
Согласно квантово-химическим расчетам большей устойчивостью обладают линейного «открытого» димера воды, по сравнению с циклическими формами. В случае цикла выгодными являются трех-четырех- и пятичленные образования, в которых водородные связи имеют одинаковое направление. Для шестичленного цикла выгодным становится структура типа «кресло».
Одно из первых изображений формирования циклических кластеров воды приведено на рисунке 9.
Большой вклад в возможность формирования и устойчивость кластеров воды во времени внесли работы Г.А.Домрачева и Д.А. Селивановского. Они доказывали существование механохимических реакций радикальной диссоциации воды. Доказательство основывалось на том, что вода, по их мнению, представляет собой динамически нестабильную полимероподобную систему и по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механическом воздействии на воду поглощенная водой энергия используется для разрыва химических связей H-OH. Реакция разрыва связи может выглядеть так:
Рассчитав эффективность механодиссоциации воды, авторы пришли к выводу, что кислород на Земле появился при диссоциации воды.
В 1993 г. К.Джордан предложил свои варианты устойчивых «ассоциатов воды», которые состоят из 6 молекул (рисунок 10).
По Джордану кластеры могут объединяться и друг с другом, и со свободными молекулами воды за счет водородных связей, формируя более крупные ассоциаты. Такие кластеры могут объединяться как друг с другом, так и со свободными молекулами воды.
Квантово-химические расчеты нанокластеров с общей формулой (H2O)n с n=6-20 показали, что самые устойчивые структуры образуются посредством взаимодействия тетрамерных и пентамерных кольцевых структур (рисунок 11). На рисунке ниже показаны возможные структуры конформации кластеров воды.
Оригинальной кластерной моделью является теория С.В.Зенина. Согласно модели С.В.Зенина вода представляет собой иерархию геометрически правильных объемных структур «ассоциато». Согласно его теории элементарной структурной ячейкой воды являются тетраэдры, в которых может содержаться 4 (простой тетраэдр) или 5 (объемно-центрированный тетраэдр) молекул воды. При этом у каждой молекулы воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, благодаря чему создаются более сложные структуры, как показано на рисунке 13.
Кластеры, содержащие 20 молекул воды (додэкаэдры) более стабильны. Схема их образования показана на рисунке 14.
Из 57 молекул такого образования 17 составляют гидрофобный каркас с полностью насыщенными связями, а по 10 молекул на поверхности каждого додекаэдра формируют центры образования водородных связей.
Методами жидкостной хроматографии было подтверждено существование пяти- и шестиквантовых структур типа «четырехконечной звезды» и «шестилучевой снежинки».
На уровне 24 центров связывание по водородным связям практически прекращается ввиду того, что поверхность образований становится насыщенной (нейтральной).
Кластеры почти не взаимодействуют между собой, а скользят друг по другу, поэтому вода не отличается высокой вязкостью. В таком «режиме» из кластеров формируются метастабильные структуры, пример которых показан на рисунке 17 (микроизображение в режиме фазового контраста).
Теория Зенина хорошо объясняет электропроводные свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо согласуется с большими значениями коэффициента самодиффузии и малым временем диэлектрической релаксации.
Однако практически существование регулярных матриц в воде маловероятно. Кластеры из 280 молекул также могут формировать цепочки, но с более напряженными водородными связями.
Кластеры могут разрастаться в суперкластеры (гигантские икосаэдры), примеры которых приведены на рисунке 19.
В 2002 Беркли методом рентгеноструктурного анализа показала, что молекулы воды действительно способны образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул.
А.Н.Смирновым в бидистиллированной воде и некоторых растворах методами акустической эмиссии, лазерной интерферометрии и термического анализа удалось визуализировать надмолекулярные образования с размерами частиц от 1 до 100 мкм, распределенных в водной среде (рисунок 20). Свойства таких частиц были сходны со свойствами частиц, образующих эмульсию, поэтому они были названы «эмулонами».
Размеры и пространственная организация эмулонов зависят от состава водного раствора, температуры и предыстории раствора. Наибольшее число фракций имеют размеры 30, 70 и 100 мкм.
Температурная динамика структуры эмулонов имеет следующие отсечки:
3.2 Клатратная модель строения жидкой воды.
Клатраты в целом (не только вода) делятся на два класса, зависящие от соединения-хозяина. Молекулярные клатраты образуются «хозяевами», имеющими внутримолекуярные полости. Такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Если «хозяин» способен образовывать только межмолекулярные или кристаллические полости, то из него получаются решетчатые клатраты (рисунок 21), устойчивые лишь в твердом состоянии.
В поздних модификациях клатратной модели воды допускается образование водородных связей между молекулами в каркасе и молекулами в пустотах. При этом сами молекулы в обеих микрофазах соединены водородными связями.
В заключение отметим, что существует целый ряд воздействий, которые могут приводить к определенному структурированию воды:
Более подробно структурирование воды под воздействием внешних сил будет рассмотрено в отдельной статье.
4. Особенности строения воды в твердом виде. Лед.
• Всего насчитывается около 15 структурных модификаций льда (рисунок 22).
1922 г. У.Г.Брэгг в статье «Кристаллическая структура льда» пытается выяснить причины возможных ошибок при расшифровке положений ядер кислорода. Он убежден, что ни Джон, ни Деннисон не смогли найти истинного расположения ядер кислорода в структуре льда. Брэгг сделал важное замечание: каждый атом кислорода в структуре льда должен быть окружен четырьмя другими. Атом же водорода располагается между двумя кислородами как бусинки на нитке. При этом, что важно, бусинки сдвинуты, смещены, относительно центра льда. Т.е. ядра водорода расположены асимметрично.
Кристаллическая решетка льда называется ажурной (рисунок 23). Паутина связей между молекулами воды во льду содержит много крупных пустот, больших по размеру, чем сами молекулы. Именно поэтому лед более легкий, чем жидкая вода. При плавлении льда водородные связи начинают разрушаться и в пустотах оставшихся ассоциатов поместиться освободившиеся молекулы воды.
• При давлении в 2 ГПа можно получить лед со структурой VI (горячий лед), который не будет плавиться даже при 80 о С.
• При очень высоких давлениях внутри нанотрубок с диаметром от 1,35 до 1,90 нм вода может кристаллизоваться в форме двойных спиралей (рисунок 24).
• Современные представления о структуре льда говорят о наличии кластерного строения. Чем ниже температура, тем крупнее кластеры. Наиболее устойчивы кластеры из 8, 12, 24, 36 молекул.
5. Особенности строения воды в газообразном виде. Пар.
В паре водородные связи на 99% разорваны. При этом в нем сохраняется до 1% димеров. Полностью разорвать все связи в паре можно лишь при температура 600 о С.
Расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул. При этом сами молекулы хаотично двигаются, сталкиваются со стенками сосуда, в котором заключены, и между собой. Скорость их тем выше, чем выше температура системы.
Вода может длительное время находиться и в перегретом состоянии до 200 о С. При введении пузырька воздуха в такую перегретую воду она мгновенно вскипает и ее температура падает до 100 о С.
Уникальные свойства воды
1. Вода полярная. Молекулы воды полярны, с частичным положительным зарядом на атомах водорода, частичным отрицательным зарядом на кислороде и изогнутой общей структурой. Это связано с тем, что кислород более электроотрицателен, а это означает, что он лучше, чем водород, притягивает электроны.
2. Вода отличный растворитель. Вода обладает уникальной способностью растворять многие полярные и ионные вещества. Это важно для всех живых существ, потому что, когда вода проходит через круговорот воды, она забирает с собой много ценных питательных веществ!
3. Вода обладает высокой теплоемкостью. Чтобы повысить температуру определенного количества воды на градус, требуется много энергии, поэтому вода помогает регулировать температуру в окружающей среде. Например, это свойство позволяет температуре воды в пруду оставаться относительно постоянной днем и ночью, независимо от изменения температуры воздуха.
4. Вода имеет высокую теплоту испарения. Люди (и другие животные, которые потеют) используют высокую теплоту испарения воды для охлаждения. Вода превращается из жидкой формы в пар при достижении теплоты испарения. Поскольку пот состоит в основном из воды, испаряющаяся вода поглощает избыточное тепло тела, которое выделяется в атмосферу. Это называется испарительным охлаждением
5. Вода обладает когезионными и адгезионными свойствами. Молекулы воды обладают сильными силами сцепления из-за их способности образовывать водородные связи друг с другом. Силы сцепления ответственны за поверхностное натяжение тенденцию поверхности жидкости сопротивляться разрыву, когда она находится под напряжением или напряжением. Вода также обладает адгезионными свойствами, которые позволяют ей прилипать к другим веществам, кроме нее самой.
Эти когезионные и адгезионные свойства необходимы для переноса жидкости во многих формах жизни. Например, они позволяют транспортировать питательные вещества к верхушке дерева против силы тяжести.
6. Вода менее плотная в твердом виде, чем в жидкой. Когда вода замерзает, молекулы образуют кристаллическую структуру, которая разделяет молекулы дальше, чем в жидкой воде. Это означает, что лед менее плотный, чем жидкая вода, поэтому он плавает.
Это свойство важно, поскольку оно защищает пруды, озера и океаны от замерзания и позволяет жизни продолжать процветать под ледяной поверхностью.
Распространенные ошибки и заблуждения
• Вода растворяет все, потому что это «универсальный растворитель». Вода обладает способностью растворять многие вещества, но термин «универсальный растворитель» вводит в заблуждение. Вода способна растворять другие полярные молекулы и ионы, такие как сахара и соли. Однако неполярные молекулы, такие как масла, не имеют частичных положительных или частичных отрицательных зарядов, поэтому они не притягиваются к молекулам воды. Вот почему неполярные вещества, такие как масло, остаются отдельными при добавлении в воду.
Физические и химические свойства воды. Показатели качества воды
» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>
Физические и химические свойства воды. Показатели качества воды
Из всей пресной воды человечество может использовать лишь 0,003%, так как она либо сильно загрязнена, либо залегает на больших глубинах и ее нельзя извлечь по приемлемым ценам, либо содержится в айсбергах, полярных льдах, в атмосфере и в почве.
Вода находится в постоянном круговороте (рис.1). Этот естественный процесс рециркуляции происходит до тех пор, пока потребление воды не становится интенсивнее, чем восполняются ее запасы и пока не превышен объем отходов, делающий воду непригодной. Существует два источника пресной воды поверхностные воды и грунтовые воды.
Рис. 1. Круговорот воды в биосфере
Критериями использования воды служат показатели водозабора и водопотребления. Почти три четверти добываемой в мире воды идет на орошение, остальная вода используется в промышленности и коммунальном хозяйстве, для охлаждения оборудования на электростанциях и т.д.
На выращивание одной тонны пшеницы необходимо 1500 тонн воды, одной тонны риса – более 7000 тонн, одной тонны хлопка – 10000 тонн. Огромное количество воды требуется для производства продовольствия и различной промышленной продукции. Прежде чем в магазине появится литровая банка консервов из фруктов или овощей, на нее будет истрачено 40 литров воды. Для производства суточной нормы пищевых продуктов на одного человека требуется около 6 м 3 воды.
Различают природную, сточную и денатурированную воду.
Человек может существовать без пищи несколько недель, а без воды лишь несколько дней. От поступления воды в живой организм зависит переваривание пищи, циркуляция крови, удаление распадающихся клеток, регуляция кислотно-основного баланса и температура тела. Несмотря на активное участие в процессах обмена вода инертна в физиологическом отношении. Вода участвует в таких процессах, как перестройка молекул и ионов, образование сложных органических молекул, выполняющих биохимические функции, диссоциация молекул, гидролиз соединений, окислительно-восстановительные реакции и т.д. Для инженеров-строителей представляют интерес свойства жидкой воды и льда и особенности их внутреннего строения, формы связанной воды, образование кристаллогидратов и гидрогелей, составляющих основу при твердении вяжущих материалов.
В современном строительстве широко применяются различные вяжущие материалы (цемент, гипс, известь и др.). Вяжущие необходимы для изготовления бетона, строительных деталей и конструкций, скрепления отдельных элементов сооружений, камней, кирпичей. Строительные растворы готовят смешивая с водой вяжущие материалы, пластичность растворов которых обеспечивает их применение для различных строительных работ. Пластичная масса со временем загустевает и превращается в твердое камневидное тело. При замешивании порошкового гипса (СаSО 4 * 0,5Н2О) получают тесто, затвердевающее за счет присоединения воды и образования двухводного гипса:
2(СаSО 4 * 0,5Н2О) + 3 Н2О) =2(СаSО 4 * 2Н2О)
Этот процесс используется для получения перегородочных плит, панелей, слепков с различных предметов и получения известковогипсовых растворов для штукатурных работ. Известковый раствор – смесь гашеной извести с песком и водой, также используют в качестве вяжущего материала. Но в отличие от гипса он затвердевает в результате отщепления воды и образования кристаллического карбоната кальция по схеме:
Са(ОН)2+ СО2= СаСО 3 + Н2О
Сложные процессы гидратации и поликонденсации составных частей цементного клинкера происходят только при его смешивании с водой и способствуют постепенному затвердеванию и образованию высокомолекулярных силикатов и алюминатов кальция. Например, однокальциевый алюминат сначала гидратируется:
СаО * А12О 3 + 10 Н2О = СаО * А12О 3 *10Н2О
Образовавшийся гидроалюминат кальция переходит в более устойчивый кристаллический двухкальциевый гидроалюминат с выделением гидроксида алюминия:2(СаО * А12О 3 *10Н2О) + Н2О =2СаО * А12О 3 * 8Н2О +2А1(ОН) 3
Прочность цементного камня нарастает с большой скоростью.
Свойства воды
1.1. Состав воды и ее строение
Н2О (оксид водорода) – устойчивое соединение, с массовой долей водорода 11,10 % и кислорода – 88,91 %. Известно до 36 разновидностей молекул воды, состоящих из сочетаний изотопов водорода (протия – 1 1 Н; дейтерия – 21 D и трития – 3 1 Т) и кислорода с массовыми числами от 14 до 19. На долю стабильного изотопа Н2О (где кислород с массовым числом 16) приходится 99,73 % от массы воды. Тяжелая вода D2О получается в результате многократного электролиза обычной воды и отличается по свойствам от обычной воды.
Таблица 1. Свойства обычной и тяжелой воды
Реакции с тяжелой водой происходят значительно медленнее, чем с обычной водой. Тяжелая вода оказывает сильное биологическое воздействие на живые организмы и непригодна для жизненных процессов, так как более прочные связи О – Д изменяют скорости биологических процессов и приводят к смещению равновесия этих процессов. Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах, а также как источник дейтронов Д + для ядерных и термоядерных реакций, для получения искусственных радиоактивных изотопов, используемых при исследовании механизмов протекания реакций.
Между атомами водорода (1s 1 ) и кислорода (1s 2 2s 2 2р 4 ) в молекуле воды образуются две ковалентные полярные связи по обменному механизму.
Неподеленные пары электронов кислорода влияют на строение молекулы воды, придавая ей тетраэдрическую структуру (рис. 2б). Орбитали, с неподеленными электронными парами, направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Поэтому около протонов создается пониженная электронная плотность (+), а вокруг орбиталей с неподеленной парой электронов – повышенная электронная плотность (-). а) б)
Рис. 2. Схема структуры молекулы воды
В молекуле воды ядерные центры атомов водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник (рис.3)
Рис. 3. Расстояние между ядрами и угол связи в молекуле жидкой воды
Параметры молекул воды зависят от ее агрегатного состояния (табл. 2).
Таблица 2. Параметры молекул воды
1.2. Особенности физико-химических свойств воды
1. Полярность. Высокая полярность молекул воды объясняется несовпадением центров тяжести ее положительных и отрицательных зарядов. Благодаря необычно большому дипольному моменту (μ (Н2О) = 1,85 Д) вода является химически активным соединением, обусловливающим электролитическую диссоциацию солей кислот, оснований и имеет аномально большую диэлектрическую постоянную, равную 79,5 при 25 о С, т.е. в воде два электрических заряда притягиваются или отталкиваются с силой приблизительно в 80 раз меньшей, чем в вакууме.
2. Наличие водородных связей. Молекулы воды связаны между собой водородными связями. По прочности они занимают промежуточное положение между ковалентными и межмолекулярными связями. Причиной образования водородной связи является смещение единственного электрона водорода к сильно электроотрицательному атому кислорода. При этом водород превращается в частицу с уникальными свойствами:
а) не имеет электрона, а поэтому не отталкивается, а притягивается электронными оболочками других частиц;
б) обладает ничтожно малым размером и, следовательно, большим поляризующим действием. Энергия водородной связи в воде равна 29 кДж/моль. Водородные связи объединяют молекулы воды в ассоциаты (рис.4.)
Ассоциация молекул воды является причиной аномально высоких температур ее кипения, плавления, теплоты парообразования. Известно, что в ряду аналогичных соединений с увеличением молярной массы возрастают температуры плавления и кипения. Однако в случае воды при сопоставлении ее с аналогами эта закономерность нарушается (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость температур кипения (I) и замерзания (II) от величины молярной массы вещества для водородных соединений р-элементов (VI) группы
Молекулы воды не образуют ассоциатов в парообразном состоянии. В жидкой воде ассоциированные молекулы могут находиться в равновесии с неассоциированными молекулами. Среднее координационное число молекул в жидкой фазе близко к четырем. В 1932 году Бернал и Фаулер (Англия), основываясь на данных рентгеноструктурного анализа, установили, что связь между молекулами и относительное расположение их в жидкой воде подобно расположению молекул воды в структуре льда. Определить процентное содержание свободных молекул не удалось. Очевидно, что с повышением температуры усиливается тепловое движение и уменьшается степень связанности молекул.
Притяжение молекул воды друг к другу обусловливает большую величину поверхностного натяжения 72,7 мДж/м2. Это значит, что для разрыва водяного столбика диаметром 2,5 см потребуется усилие в 90 тонн. Схема возникновения поверхностного натяжения такова:
молекула А, расположенная внутри жидкости, притягивается соседними частицами с одинаковой силой, т.е. межмолекулярные силы, действующие на молекулу воды, расположенную в объеме фазы, распределены равномерно со стороны соседних молекул;
молекула Б, расположенная на поверхности жидкости, испытывает действие межмолекулярных сил в большей степени со стороны жидкой фазы и почти не взаимодействует с молекулами газообразной фазы. Поэтому каждая отдельная молекула на поверхности жидкости обладает большей энергией по сравнению с энергией молекулы в объеме фазы. Она находится в неравновесном состоянии и стремится втянуться в объем жидкости (рис. 6).
Поэтому небольшие количества воды принимают шарообразную форму, так как из всех геометрических тел одинакового объема шар имеет наименьшую поверхность.
Рис. 6. Схема возникновения поверхностного натяжения на границе раздела двух фаз
3. Способность к донорно-акцепторному взаимодействию. Вода проявляет свойства донора за счет неподеленной пары электронов атома кислорода. Этим объясняется высокая химическая активность воды и способность ее к комплексообразованию в качестве лигандов. Вода относится к слабым электролитам и поэтому ионизирует в небольшой степени по следующей схеме:
1.3. Диаграмма состояния воды
Вода при 0оС и давлении насыщенного пара 600,5 Па образует три фазы в состоянии равновесия (рис. 7):
С повышением температуры исчезает твердая фаза – лед, с понижением температуры – жидкая фаза – вода. Система из трехфазной системы становится двухфазной. Тройная точка (0) – место пересечения трех кривых 1, 2, 3 – соответствует нонвариантной системе, т.е. число ее степеней свободы равно нулю. Изобара с давлением 1,013 * 10 5 Па пересекает кривую I при температуре кипения воды. Точки кривой I соответствуют таким значениям температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии (кривая кипения). Аналогично кривая II – кривая плавления, III – кривая сублимации. Отклонение кривой II к оси ординат с повышением давления указывает на снижение температуры плавления, что обусловлено меньшей плотностью льда по сравнению с водой.
Рис. 7. Схема фазовой диаграммы воды
1.4. Структура и свойства льда
Кристаллы льда имеют гексагональную структуру (рис. 8,а)
Как видно из рисунка 8а в структуре льда есть пустоты, которые могут заполняться другими соединениями, например, одноатомными молекулами газов с образованием соединений включения или клатратов. Каждый атом кислорода тетраэдрически связан с четырьмя другими атомами кислорода (рис. 8б). Между ними располагаются атомы водорода. Два атома водорода соединены с атомом кислорода ковалентной полярной связью (длина связи – 0,099 нм), а два других – соединены водородной связью (длина связи – 0,176 нм), т.е. принадлежат двум другим молекулам воды. В результате образуется рыхлая структура с небольшой плотностью. При плавлении льда водородные связи частично разрушаются (примерно на 10 %), молекулы воды сближаются и плотность воды немного возрастает. При нагревании воды происходит ее расширение, увеличивается расстояние между молекулами и одновременно разрушаются водородные связи, что приводит к уменьшению объема. Поэтому плотность воды проходит через максимум при температуре 3,98оС (рис. 9).
Рис. 9. Изменение плотности воды с температурой (dv/dt – изменение объема данного количества воды с температурой)
Благодаря аномалии в плотности лед плавает на воде. При замерзании на глубине водоемов сохраняется относительно теплая вода (не ниже 4оС), что позволяет существовать живым организмам.
По мере замерзания воды происходит увеличение ее объема (
10 %). Это может привести к нежелательным последствиям, например, к разрыву стальных труб, развитию трещин в скальных породах, разрушению стройматериалов. Наибольший вред приносит периодическое замораживание и оттаивание воды. Учитывая свойства воды, строительные материалы и сооружения из них защищают различными способами.
Необычным свойством льда является его пластичность. Примером проявления пластичности может служить течение горных ледников. Это свойство льда объясняется наличием в его структуре таких сечений, вдоль которых снежные слои кристалла оказываются слабее связанными водородными связями.
1.5. Физические свойства воды
Вода – прозрачная текучая жидкость, не имеющая в чистом виде вкуса, запаха, цвета. Синий цвет морей, озер обусловлен присутствием в воде тонко измельченных твердых веществ. Некоторые свойства воды используются для определения единиц измерения фундаментальных физических величин. Например, в основу стоградусной термометрической шкалы положен интервал между точками замерзания (0оС) и кипения (100оС) воды при давлении 101,3 кПа.
1.6. Химические свойства воды
Наличие неподеленных пар электронов и высокий дипольный момент воды придают ей химическую активность. Вода взаимодействует с большим количеством разнообразных веществ:
1. С инертными газами. При пропускании инертных газов над переохлажденной водой под давлением 150 атм. образуются клатраты или соединения включения типа Ar * 6Н2О, Xе *6Н2О, Кr *6Н2О, устойчивые при низких температурах.
2. С галогенами. Реакции галогенов с водой зависят от окислительной активности галогенов. В ряду F2 – С12– Вr2– I2окислительные свойства уменьшаются, поэтому реакции взаимодействия с водой протекают следующим образом:
Н2О + F2=2НF + О (реакция протекает при обычной температуре)
Н2О + С12 НС1 + НС1О (система находится в равновесии)
Н2О + Вr2(I2) НВr + НвrО (равновесие смещено в сторону исходных веществ)
2 Н2О + С12= 4 НС1 + О2(при нагревании)
3. С атомарным кислородом. Н2О + О = Н2О2
4. С фосфором. 6 Н2О +2Р =2НРО 3 + 5 Н2(давление, катализатор)
5. С углеродом и его соединениями. В промышленности эти реакции используются для получения водорода. Н2О (пар) + С (раскаленный) = СО + Н2(смесь СО + Н2– водяной газ) Н2О + СО = СО2+ Н2(катализатор – Fе, 450оС) Н2О + СН4 = СО + 3 Н2(1200 – 1400оС)
6. С металлами.
а) С s-элементами. Реакция протекает при обычных условиях (кроме магния, с которым реакция протекает при 100оС, и бериллия, покрытого прочной оксидной пленкой)2Н2О +2Nа =2NаОН + Н2
б) С металлами средней активности (Fе, Сd, Со, Ni т.д.) Н2О + Fе = FеО + 3Н2(при температуре красного каления)
в)С благородными металлами (Аg, Аu, Рt) и ртутью вода не взаимодействует.
7. С гидридами s-элементов. Н2О + NаН = NаОН + Н2
8. С основными и кислотными оксидами. Н2О + СаО = Са(ОН)2Н2О + SO 3 = Н2SО 4
9. С солями (гидролиз солей) СuС12+ Н2О СuОНС1 + НС1 Сu 2+ + Н2О СuОН + + Н +
11. С органическими веществами (реакции гидратирования) С2Н 4 + Н2О = С2Н 5 ОН
Термическая устойчивость воды. Вода устойчива к нагреванию, но свыше 1000оС происходит ее термическая диссоциация.
Каталитические свойства воды. Некоторые металлы не реагируют с сухим хлором, натрий не окисляется в атмосфере воздуха без следов влаги. Фтороводород в отсутствии влаги не разъедает стекло и т. д.
1.7. Вода в связанном состоянии
Формы состояния связанной воды довольно многообразны. Для строительных специальностей интерес представляют следующие формы: химически связанная вода, вода в кристаллогидратах, вода в гидрогелях, вода, адсорбированная на поверхности твердых тел и капиллярная вода. Рассмотрим более подробно состояния связанной воды без учета переходных форм.
1. Химически связанная вода. В такой форме вода не существует самостоятельно, но может выделиться в свободном виде Например, при нагревании гидроксида кальция происходит диссоциация по следующей схеме:
Это гетерогенная реакция с участием твердых веществ – Са(ОН)2, СаО и паров воды. Поэтому константа равновесия определяется концентрацией паров воды или их давлением К = С(Н2О) или К = Р(Н2О)
Иными словами при любой температуре равновесное давление водяного пара является постоянной величиной и не зависит от количеств Са(ОН)2и СаО. Согласно принципу Ле-Шателье равновесие смещается в сторону прямой реакции как при повышении температуры (прямая реакция – эндотермическая), так и при уменьшении влажности воздуха. Зависимость давления диссоциации Са(ОН)2от температуры смещена в сторону высоких температур, что свидетельствует о больших затратах энергии для выделения водяного пара из Са(ОН)2, чем из свободной воды (рис. 10)
Рис. 10. Влияние температуры на давление диссоциации Са(ОН)2
Химически связанная вода содержится в большинстве вяжущих строительных материалов, во многих горных породах, а также в кислородсодержащих кислотах, основных и кислых солях.
2. Вода в кристаллогидратах. Вода, содержащаяся в кристаллогидратах называется кристаллизационной. Количество кристаллизационной воды влияет на устойчивость соединения. Кристаллогидрат с большим содержанием воды устойчив при низких температурах и разлагается при ее повышении, образуя менее гидратированные соединения. Например, при дегидратации гексагидрата хлорида кальция происходят следующие процессы:
В условиях высокой температуры устойчивы менее гидратированные или безводные соединения, поэтому при получении вяжущих материалов образуются именно такие формы. При обычной температуре идет гидратация вяжущих материалов в результате взаимодействия как с жидкой водой или водными растворами, так и с водяным паром. Этот процесс способствует образованию пластичной массы вяжущих материалов. Со временем вяжущие материалы превращаются в камневидное тело, твердеют, так как образуются кристаллогидраты (гипс, портландцемент и др.).
3. Вода в гидрогелях. Твердение вяжущих строительных материалов проходит через стадию образования геля – студнеобразной массы. Это полужидкое – полутвердое состояние. Дегидратация геля (его обезвоживание) происходит по-разному: при обычной температуре или при нагревании вода испаряется или вступает в химическое взаимодействие с другими веществами. При этом давление водяного пара над гелем по мере его обезвоживания понижается непрерывно. При одинаковом количестве воды в геле давление водяного пара зависит от его структуры, которая может измениться со временем.
По мере обезвоживания геля изменяются его свойства, пористость. Постепенно гель переходит в твердое камневидное тело с высокой прочностью. Некоторые гели обладают способностью разжижаться при механических воздействиях – перемешивании, вибрировании и т.п. Неоднократное обратимое разжижение геля называют тиксотропией. Процесс тиксотропии используют при твердении бетона.
4. Адсорбированная вода. Многие строительные материалы поглощают своей поверхностью влагу из окружающей среды, в первую очередь из воздуха. Это явление называют адсорбцией. Адсорбция зависит от химического состава, состояния поверхности и от внешних условий (температуры, влажности и т.д.).
Если молекулы воды вступают в химическое взаимодействие с веществами поверхности, то это способствует образованию прочных соединений – хемосорбция. Однако в таком процессе участвует лишь часть воды, так как он ограничен доступной частью поверхности. С помощью специальной обработки состояние поверхности твердого вещества можно изменить таким образом, что оно будет отличаться от внутренних слоев. Это изменение называют химическим модифицированием. Вещества разделяют по отношению к воде на гидрофильные (хорошо смачиваются водой) и гидрофобные (не смачиваются водой) вещества. Соответствующая обработка строительных материалов изменяет их свойства по отношению к воде. С помощью химически модифицированных поверхностей уменьшают или увеличивают гидрофильность или гидрофобность поверхности строительной конструкции, что широко используется в строительной промышленности.
Под влиянием физических факторов вода непрочно адсорбируется поверхностью твердого вещества (физическая адсорбция). Поверхностные частицы твердого вещества (атомы, ионы, молекулы) притягивают подобные им частицы из окружающей среды, создавая силовое поле. Выход частиц из этого поля требует затраты энергии, т.е. «испарение» частиц с поверхности не является свободным. Так как поверхность твердого вещества неоднородна и имеет более или менее активные участки, по отношению к водяным парам, то при небольшой концентрации паров именно они участвуют в поглощении. Однако при повышении концентрации водяных паров оказываются задействованными и другие участки. Следовательно, повышение концентрации водяных паров в окружающей среде способствует увеличению количества адсорбированной воды, которое сильно различается для разных веществ.
Адсорбция – экзотермический процесс, поэтому с повышением температуры количество адсорбированной воды уменьшается. При хемосорбции влияние температуры может быть незначительным. Увеличение поверхности (внутренние поры, капилляры, повышение степени дисперсности) способствует увеличению количества адсорбированной воды, что следует учитывать при использовании строительных материалов.
5. Капиллярная вода. Жидкость, находящаяся в трубке, взаимодействует с ее поверхностью. В стеклянной трубке, опущенной одним концом в воду, столбик воды поднимается выше уровня воды в сосуде, образуя вогнутый мениск (рис. 11).
Рис.11. Стеклянная трубка, опущенная в воду (а) и ртуть(б)
Ртуть в таких же условиях опускается ниже своего уровня в сосуде, образуя выпуклый мениск. Это означает, что поверхность стекла смачивается водой и не смачивается ртутью. Чем меньше диаметр трубки, тем значительнее вышеописанный эффект. Различие уровней воды в трубке и сосуде означает, что давление ее насыщенного пара над этими поверхностями неодинаково. Давление пара над вогнутым мениском в капилляре, стенки которого смачиваются водой, меньше, чем над плоской поверхностью воды во внешнем сосуде. Это приводит к тому, что пар не конденсируется в жидкость на ее плоской поверхности, но конденсируется в капилляре, являясь насыщенным или пересыщенным по отношению к вогнутой поверхности мениска. Это явление называют капиллярной конденсацией, и оно возможно для любой жидкости. На практике роль капилляров могут выполнять поры разного размера и формы. Способность поверхности смачиваться той или иной жидкостью играет решающую роль в капиллярной конденсации.
Перемещение влаги (миграция) в пористых и сыпучих материалах, грунте возможно за счет капиллярной конденсации. При этом в результате миграции система в естественных условиях переходит в более равновесное состояние. Внутри системы достигается одинаковое парциальное давление водяного пара. Если подвергнуть нагреванию часть системы, то происходит перенос конденсированной влаги в более холодные части системы.
1.8. Замерзание воды и водных растворов в различных условиях
В строительстве необходимо учитывать климатические условия и зависимость от них процессов замерзания воды или таяния льда. Замерзание воды в порах строительных материалов при бетонировании, кирпичной кладке и т.п. влияет на их морозостойкость. Природная вода, содержащая различные примеси, при низких температурах ведет себя иначе, чем чистая вода, представляя собой растворы разбавленных электролитов. Следует учитывать и то, что большая часть воды в твердеющих вяжущих материалах находится в связанном состоянии и условия ее замерзания также отличаются от обычной воды.
В результате исследований было доказано, что часть воды в мерзлых грунтах при температуре более низкой, чем 0оС, находится в жидком состоянии, и при нагревании в области низких температур количество такой воды обратимо возрастает. Это свидетельствует о том, что в процессе участвует как свободная, так и связанная вода. В отличие от чистой воды кристаллизация природной воды происходит в некотором интервале низких температур, который может достигать несколько десятков градусов. Между различными формами состояния воды возможно достижение равновесия. Связанная вода обладает давлением равновесного пара (Р), но более низким давлением, чем давление насыщенного пара свободной воды (Р нас. ) при той же температуре. Поэтому температура, при которой связанная вода может находиться в равновесии со льдом, всегда ниже 0 о С (рис.12). Чем сильнее связана вода и, чем ниже поэтому давление равновесного с ней пара, тем ниже температура ее замерзания.
Капиллярная вода обладает давлением пара Р, близким к Р нас. и замерзает почти при 0 о С в относительно широких капиллярах. В более узких капиллярах этот эффект еще заметнее. Можно утверждать, что чем больше отношение Р/Р нас. отличается от единицы, тем больше понижается температура замерзания воды. То же происходит и с адсорбированной водой. При этом следует учесть, что и капиллярная, и адсорбированная вода, находясь в жидком состоянии при температуре ниже 0 о С, является устойчивой равновесной системой и никакие «затравки» в виде льда не способствуют ее кристаллизации. Количество жидкой воды зависит от температуры, а также и от химического состава и структуры грунта. Вода находясь на расстоянии полмикрона от поверхности грунтовых частиц, является свободной и может замерзать и оттаивать почти при 0оС. Исследования показали, что образующаяся при твердении цемента вода в гидрогелях увеличивается в объеме при охлаждении в интервалах 5 – 8оС и –20 –50оС.
1.9. Показатели качества воды
Основными показателями качества воды различных источников являются: физические, химические, биологические и бактериологические. Физические показатели характеризуются как общесанитарные. К ним относятся:
Химические показатели условно делятся на пять групп:
2) Растворенные газы : O2, CO2, H2S и др. Содержание кислорода в воде определяется поступлением его из воздуха и образованием в результате фотосинтеза. Растворимость кислорода зависит от температуры воды, и его концентрация в воде зимой меньше. СО2находится как в растворенном виде, так и в виде углекислоты. Основными источниками СО2являются процессы распада биохимических веществ. H2S бывает органического (продукт распада) и неорганического (растворение минеральных солей) происхождения. H2S придает воде неприятный запах и вызывает коррозию металла.
3) Биогенные вещества. К этой группе относятся необходимые для жизнедеятельности водных организмов и образующиеся в процессе обмена веществ соединения азота и фосфора.
4) Микроэлементы – элементы, содержание которых в воде менее 1 мг/л. Наиболее важные из них йод и фтор.
5) Органические вещества присутствуют в виде гуминовых соединений образующихся при разложении растительных остатков и органических соединений, поступающих со стоком. Их определяют показателями: ХПК (химическое потребление кислорода) и БПК (биологическое потребление кислорода). ХПК – это количество кислорода, которое идет на окисление органики химическим путем в присутствии катализатора (сульфата серебра или дихромата калия), мг/л. БПК – это количество кислорода, которое идет на окисление органики естественным путем (биологическое окисление веществ), мг/л.
К химическим показателям воды относится водородный показатель – рН.
Биологическими показателями качества воды являются гидробионты и гидрофлора. Гидробионты – обитатели от дна до поверхности. Гидрофлора – растительность макро- и микрофиты. Макрофиты – высшая форма растительности. Микрофиты – водоросли. При отмирании макрофитов вода обогащается органическими веществами, ухудшающими органолептические показатели. Микрофиты – продуцируют кислород.
Бактериологические показатели – присутствие болезнетворных микроорганизмов (кишечной палочки). Содержание бактерий группы кишечной палочки в 1 литре воды определяет ее коли-индекс. наименьший объем воды (мл), приходящийся на 1 кишечную палочку называется коли-титром.
Природная вода, как правило, содержит различные примеси: грубодисперсные (песок, глина и т.д.) и коллоидные частицы, органического и минерального происхождения, растворимые и нерастворимые соединения, в том числе и соли. Для получения питьевой и технической воды, используемой в различных отраслях народного хозяйства, необходимо провести ее обработку. Процесс обработки воды обусловлен ее целевым назначением. Так питьевая вода должна соответствовать стандартным требованиям: полная безвредность, приятные органолептические свойства, бактериальная безопасность, жесткость не более 7 ммоль/л. К воде, применяемой для промышленных целей предъявляются менее жесткие требования.
Требования к качеству воды зависят от цели ее использования. В табл. 3 приведены требования к качеству питьевых вод.
Таблица 3 Требования, предъявляемые к качеству воды