12.2 Вода

1000000000000000000 тонн воды

Вода - наиболее распространенное соединение на Земле. Ее количество достигает 1018 т. и она покрывает приблизительно четыре пятых земной поверхности. Это единственное химическое соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого вещества (лед) и газа (пары воды). Вода играет жизненно важную роль в промышленности, быту и в лабораторной практике; она совершенно необходима для поддержания жизни. Приблизительно две трети человеческого тела приходятся на долю воды, и многие пищевые продукты состоят преимущественно из воды (табл. 12.8).

Структура и физические свойства воды

Древние философы полагали, что вода является одним из четырех первичных элементов природы наряду с землей, воздухом и огнем. Эти представления продолжали существовать и в средние века. В 1781 г. Г. Кавендиш показал, что вода образуется при сгорании водорода. Однако лишь в 1860 г. Станислао Канниццаро окончательно установил, что вода имеет формулу .

Таблица 12.8. Содержание воды в некоторых пищевых продуктах

Вода - ковалентное молекулярное соединение. В каждой ее молекуле атом кислорода имеет две неподеленные пары электронов. Это объясняет изогнутую структуру молекулы воды с тетраэдрическим углом между связями (см. гл. 2).

Вода представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, обладающую целым рядом аномальных физических свойств. Например, она имеет аномально высокие температуры замерзания и кипения, а также поверхностное натяжение (см. разд. 2.2). Ее удельные энтальпии испарения и плавления (в расчете на 1 г) выше, чем почти у всех остальных веществ. Редкой особенностью воды является то, что ее плотность в жидком состоянии при 4 С больше плотности льда. Поэтому лед плавает на поверхности воды.

Эти аномальные свойства воды объясняются существованием в ней водородных связей, которые связывают между собой молекулы как в жидком, так и в твердом состоянии (см. разд. 2.1). Вода плохо проводит электрический ток, но становится хорошим проводником, если в ней растворены даже небольшие количества ионных веществ (см. гл. 8).

Универсальный растворитель

Вода широко используется в качестве растворителя в химической технологии, а также в лабораторной практике. Она представляет собой универсальный растворитель, необходимый для протекания биохимических реакций. Дело в том, что вода прекрасно растворяем ионные соединения, а также многие ковалентные соединения. Способность воды хорошо растворять многие вещества обусловлена полярностью ее молекул. Молекула воды обладает сравнительно большим дипольным моментом (см. табл. 2.5). Поэтому при растворении в ней ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг

ионов, т. е. сольватируют их. Водные растворы ионных веществ являются электролитами (см. гл. 10).

Растворимость ковалентных соединений в воде зависит от их способности образовывать водородные связи с молекулами воды. Водородные связи - это диполь-дипольные взаимодействия между атомами водорода в молекулах воды и электроотрицательными атомами молекул растворенного вещества. Простые ковалентные соединения, как, например, диоксид серы, аммиак и хлороводород, растворяются в воде. Кислород, азот и диоксид углерода плохо растворяются в воде. Многие органические соединения, содержащие атомы электроотрицательных элементов, как, например, кислорода или азота, растворимы в воде. В качестве примера укажем этанол уксусную кислоту сахар и диэтиламин .

Присутствие в воде нелетучих растворенных веществ, например хлорида натрия или сахара, понижает давление пара и температуру замерзания воды, но повышает ее температуру кипения (см. разд. 6.3).