Тема № 1. Вода в природі та життєдіяльності людини.

Питання теми:

1.1. Фізичні та хімічні властивості води.

1.2. Природні води та водні ресурси.

Основні терміни: оксиген, гідроген, важка вода, елемент, міжмолекулярна структура, електронегативність, іонний асоціат, гідросфера, водні ресурси, водоспоживання.

1.1. Фізичні та хімічні властивості води.

Елементи, що входять до складу води.

Яка хімічна сполука може бути простішою, ніж вода. Два атоми Гідрогену (водню) сполучені з одним атомом Оксигену (кисню). Проте воді притаманні незвичайність і таємничість.

Аналізом звичайної води встановлено, що насправді це суміш декількох різновидів води, які є сполуками нуклідів Оксигену і Гідрогену. Крім звичайного Гідрогену Н у природі трапляється Гідроген з масовим числом 2 (дейтерій D) і ще важчий — з масовим числом 3 (тритій Т). В Оксигену, крім звичайного, з відносною атомною масою 16, виявлено ще два важчих нукліди з відносними атомними масами 17 і 18.

Теоретично може існувати 42 ізотопних різновиди води, з яких лише 7 є стійкими, тобто нерадіоактивними. Однак поки що в природі виявлено далеко не всі з них. На 99,73 % гідросфера складається із звичайної води. Решта води -важка, до складу молекул якої входять важкі ізотопи Оксигену і Гідрогену.

За властивостями важка вода істотно відрізняється від звичайної (табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Деякі константи звичайної Н2О і важкої D2O води

Показник	Вода
	Звичайна	Важка
Відносна молекулярна маса	18	20
Температура замерзання, °С	0	3,8
Температура кипіння, °С	100	101,43
Густина при 20°С, г/см3	0,9982	1,1056
Максимальна густина за температури, °С	4	11,6

Важка вода гірше розчиняє солі, ніж звичайна. Лід з важкої води плавиться за температури 3,813°С, хімічні реакції у ній відбуваються значно повільніше. Важка вода випаровується теж повільніше, ніж звичайна, тому, мабуть, деякі замкнені водойми збагачуються важкою водою. Експериментальне підтверд­жено, що вона пригнічує рослини, у великих дозах спричинює навіть їх загибель і взагалі чинить сильний негативний біологічний вплив на деякі організми. Однак у загальній масі природної води вплив ізотопних інгредієнтів на її фізичні властивості не дуже відчутний або поки що недостатньо досліджений.

Аномальні властивості води.

Багато фізичних властивостей води є аномальними. Так, аналогами Окси­гену О у межах головної підгрупи шостої групи періодичної системи елементів Д.І.Менделєєва є Сульфур, Селен і Телур. Їхні сполуки з Гідрогеном є подібними до води. Заряд ядра атома елемента, який їх утворює, визначає фізичні властивості речовин цього ряду. Справді, якщо Н2Те — речовина з найбільшою відносною молекулярною масою цього ряду—кипить за температури -4°С, а замерзає за температури -51 °С, то дві інші, легші, сполуки киплять і замерзають за нижчих температур, які прямо пропорційні їхнім відносним молекулярним масам (рис. 1.1). Справа наліво простежується плавний хід кривих, які сполучають точки кипіння і замерзання гідратів телуру, селену і сірки. Далі ці криві стрім­ко йдуть вгору, так що темпера­тура замерзання води замість очі­куваної -90°С становить 0°С, а температура її кипіння замість -70°С -+100°С. Вода — незвичайний, а можливо й унікальний виняток з правил. Причини цього явища поки що цілком не з'ясовані, хоча зрозуміло, що загадки води хо­ваються в будові її молекули і міжмолекулярній структурі.

 

Рис. 1.1. Аномалія точок кипіння і замер­зання води порівняно з іншими сполуками Гідро­гену подібної молекулярної будови.

 

Властивості елементів, що утворюють воду.

Будова молекули води.

Вочевидь, усі особливості води визначаються властивостями елементів, які її утворюють, — Оксигену і Гідрогену. Гідроген — елемент, який не має жодної заповненої, а отже, стійкої, електронної оболонки. Для її заповнення йому потрібен ще один електрон. Як наслідок, простота будови його атома — один протон і один електрон — зумовлює його особливі властивості. Хоча позитивний заряд ядра його атома дорівнює негативному заряду електрона, атом Гідрогену загалом виявляє здатність притягувати до себе деякі інші атоми. Іншими словами, після сполучення з іншим атомом, наприклад Оксигену, за допомогою свого єдиного електрона, він набуває деякої додаткової здатності притягання — здатності утворювати так звані водневі зв'язки. Ця особливість визначається саме незаповненою електронною оболонкою атома Гідрогену.

Оксиген — не менш незвичайний елемент, оскільки для заповнення, а отже, забезпечення стійкості електронної оболонки йому не вистачає двох електронів на передостанньому енергетичному рівні (шість замість восьми), а на остан­ньому енергетичному рівні атома цього елемента міститься всього два електрони. Цим, а також відносно малим атомним радіусом і зумовлюється його різко виражений електропозитивний характер. Він атакує всі атоми, здатні віддавати електрони, і тому є одним з найактивніших елементів у природі.

Оксиген і Гідроген активно сполучаються між собою (іноді з вибухом) з утворенням стійкої молекули, електрони в якій "знаходять себе", оскільки атоми обох елементів існують ніби з дефіцитом електронів. Атоми Оксигену і Гідрогену розміщуються у мікропросторі так, що зовнішні електрони їхніх атомів об'єднуються з утворенням електронних пар. В результаті цього виникає асиметрична молекула води, біля атома Оксигену якої концентрується негативний заряд, а біля атомів Гідрогену — позитивний. Центри цих зарядів зміщені один відносно одного, тому така молекула подібна до малого магніту. Дещо абстрактною просторовою схемою її будови є тетраедр з двома позитивними і двома негативними зарядами у вер­шинах тетраедра. В центрі таких фігур розміщене ядро атома Оксигену, на двох сусідніх вершинах тетраедра — позитивно заряджені атоми Гідро­гену, а на двох інших — негативно заряджені електрони (рис.1.2).

 

Рис. 1.2. Варіанти будови молекули води

Оксиген більш елек­тронегативний, ніж Гідроген, тому атоми цих елементів сполучають­ся ковалентним поляр­ним зв'язком. Валент­ний кут між зв'язками Н-0- становить 104,5 °, що відповідає 3р - гібридизації атомних орбіталей Оксигену й утворенню міцних сігма –з в'язків з атомами Гідрогену. Отже, молекула води кутова і полярна. Дипольні молекули води утворюються за такою схемою:

 

Висока полярність молекул води зумовлює утворення міжмолекулярних зв'язків, здебільшого водневих, завдяки чому вода й має аномально високу температуру кипіння.

Незважаючи на велику різницю електронегативностей ЕН Оксигену і Гідрогену, зв'язок між цими атомами в молекулі води досить міцний (енергія зв'язку 461 кдж/моль) з причини гібридизації валентних орбіталей атома Оксигену і невеликої довжини зв'язку. Тому вода погано дисоціює на Йони і є слабким електролітом (Кдис=1,8 • ІО-16). Молекулу води дуже важко зруйнувати, тому вода може існувати за умов різноманітних і дуже силь­них впливів, наприклад у Космосі і в мантії Землі.

Сконструйовані на зразок магнітів молекули води і взаємодіють як справжні магніти, створюючи просторові структури, оскільки кожна вершина тетраедра може притягувати по одній молекулі води, а всього - чотири молекули. Електрична взаємодія між атомом Гідрогену однієї молекули води і порівняно вільними парами електронів атома Оксигену другої молекули води (водневий зв'язок) та просторові структури молекул, що виникають, визначають міжмолекулярну структуру води, яка є однією з причин її унікальності. Наявністю неподілених пар електронів на гібридизованих орбіталях атома Оксигену зумовлена здатність молекул води утворювати додаткові зв'язки за донорно-акцепторним механізмом (наприклад, іони гідроксонію нзо -).

Діелектрична проникність рідкої води становить 81. Отже, якщо вмістити у воду полярну молекулу, іонний асоціат, кристал (сукупність протилежних зарядів), сила їхнього міжіонного притягання зменшиться у 81 раз (відносно вакууму). Вода є полярним розчинником, у якому багато речовин розчиняється, а також дисоціює на іони. Є дуже мало розчинників, полярність яких перевищує полярність води (це пероксид гідрогену, сульфатна кислота, фтороводень, ціановодень та ін.). Однак внаслідок великої реакційної здатності ці сполуки як розчинники майже не використовуються, тому вода є унікальним розчинником.

Гіпотези структури води.

Вода має максимальну густину за температури 4°С. На відміну від біль­шості інших речовин, густина яких під час охолодження зростає, густина води зменшується. Ця аномальна властивість води має велике біологічне значення. Завдяки їй глибокі водойми не промерзають взимку до дна і в них зберігається життя, тому що щільність криги менша за густину рідкої води, вона спливає на поверхню й утворює теплонепроникний шар.

Ймовірно, що в кризі усі молекули води сполучені між собою в ажурну гратку, відстань між атомами Оксигену в якій більша за розміри поодинокої молекули, тобто вона пронизана "дірами" або "пустотами". Під час танення криги й подальшого підвищення температури така "крижана" структура поступово руйнується, і поряд з каркасом, який частково зберігається, з'являються незв'язані молекули води, які можуть заповнювати ці "дірки". Описана гіпотеза добре пояснює аномалію криги — її меншу щільність порівняно з рідкою водою (як відомо, інші рідини під час тверднення утворюють речовину завжди більшої густини, ніж густина вихідної рідини, тому вона тоне в останній). Вода веде себе, так само, як і інші рідини, зменшуючись в об'ємі під час охолодження і збіль­шуючи свою густину до досягнення найбільшої густини (0,999973 г/см3) за температури 3,98 °С. Однак, у разі подальшого її зниження, вода починає роз­ширюватись (густина 0,999841 г/см3 за 0°С) й особливо сильно збільшує свій об'єм під час перетворення на кригу (густина 0,9168 г/см3). Згідно з гіпотезою, падіння температури нижче 4°С змушує поодинокі молекули "вилізати" зі своїх "шпар" і ставати цеглинками впорядкованої тетраедричної структури криги (кожна молекула води сполучена водневими зв'язками з чотирма іншими молекулами води), нарощуючи тим самим об'єм і зменшуючи щільність криги. Щоправда, досі цілком не з'ясовано, що саме змушує молекули води "вилізати" з міжатомних "шпар".

Гіпотеза структури криги передбачає, що вона руйнується не відразу після танення, а зберігається у вигляді фрагментів протягом тривалого часу, аж до досягнення температури кипіння. Навіть водяна пара, в якій переважають по­одинокі молекули, містить зростки молекул води до 11 %. А якщо це так і жорст­ка структура криги зберігається в рідкій воді (тобто вона є дуже структурованою), то тоді чому вона рідка і тече? Для пояснення цього явища розроблено різні гіпотези, наприклад про існування дво-, чотири- і восьмичленних структур, причому кожній температурі відповідає свій набір таких асоціатів і поодиноких молекул. Дво- і чотиричленні асоціати мають вигляд ланцюжків, восьмичленні — замкнених трикутних призм. Запропонована також гіпотеза про кластерну структуру води, тобто існування "згустків", в яких сполучено по 12—150 молекул води з вільними проміжками між ними. Такі згустки швидко утворюються і швидко розщеплюються, тому їх називають "мерехтливими" кластерами.

Ці та подібні гіпотези пояснюють принципову можливість води бути структурованою і водночас залишатися рідкою й текучою, намагаються пояснити багато аномалій води, наприклад зменшення її в'язкості під час підвищення тиску (в інших рідин, навпаки, з підвищенням тиску в'язкість зростає); ця властивість води забезпечує її більшу рухливість глибоко в надрах планети, де тиск досягає величезних значень.

Хімічні властивості води.

У хімічному плані вода — досить активний реагент за рахунок наявності двох неподілених пар електронів на атомі Оксигену та полярності молекул. ЇЇ можна розглядати як продукт взаємодії іонів Н+ і ОН- (вода — амфоліт, оскільки утворює ці іони у процесі дисоціації), які є носіями кислотних і основних влас­тивостей водних розчинів. Тому чиста вода має нейтральну реакцію сере­довища (рн = 7; іонний добуток води 10-14).

За рахунок здатності води утворювати донорно-акцепторні і водневі зв'язки існують численні міжмолекулярні та комплексні сполуки: гідрати, кристалогідрати, аквакомплекси. За участю полярних молекул води відбуваються процеси електролітичної дисоціації електролітів, гідролізу, гідратації, реакції обміну та розкладання різних органічних і неорганічних сполук, наприклад:

 

Вода виявляє слабкі окислювальні властивості за рахунок атома Гідрогену у вищому ступені окислення йона Н+. За високих температур і наявності каталізаторів вода окислює вуглець, метан, оксид карбону (II), залізо, фосфор, за звичайних умов - лужні і лужноземельні метали, гідриди металів:

 

 

Вода має також слабкі відновні властивості за рахунок наявності в її молекулі атома Оксигену в нижчому ступені окислення (іона О2-). Під дією сильних окисників - атомарного кисню, фтору — вода окислюється:

 

 

Речовини Н2О2, Оз, ОF2 — продукти окислення води, до складу молекул яких входить Оксиген у різних ступенях окислення (-1, 0, +2).

Багато реакцій відбувається лише за наявності слідів води (взаємодія луж­них металів з хлором, ланцюгова реакція водню з хлором тощо).