ХІМІЯ – Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання
РОЗДІЛ II. НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ
9. Неметалічні елементи та їхні сполуки. Неметали
9.1. Гідроген
9.1.2. Вода
Світовий океан вкриває близько 71 % земної поверхні. Маса гідросфери – 1,39 · 1018 т – складає 0,05 % маси планети (але це удесятеро менше, ніж міститься у мантії Землі). Багато води – 1,4 · 1013 т – міститься і в атмосфері нашої планети1. Маса льодовиків Арктики, Антарктиди і високогірних районів інших материків – 2,4 · 1016 т (85 % прісної води); приблизно стільки
Багато води у космосі – друге місце за розповсюдженістю після водню. Входить до складу багатьох космічних тіл: це основа (більше 50 %) ядер комет2, багато її на супутниках Юпітера – Калісто (до 55 % маси), Ганімеді (до 50 % маси) та Європі (яка також вкрита шаром води, завтовшки імовірно 110-130 км), Сатурна – Енцеладі, Тефії. Згідно останніх досліджень3 багато водяного льоду є й на Місяці.
Це єдина у світі речовина, яка в природних
Аномальні властивості води
Значну кількість аномальних властивостей Води (а їх відомо близько 70) вчені пояснюють тим, що рідка вода (основний тип існування цієї речовини на Землі) здатна до утворення кластерів – скупчень, згустків приблизно по 100 молекул, структура яких нагадує структуру льоду. Ці згустки “плавають” у воді, структура якої менш впорядкована.
Температури кипіння та плавлення води аномально відрізняються від температур кипіння і плавлення сполук Гідрогену з халькогенами (елементами головної підгрупи VI групи). Так, температура кипіння Н2Те становить -4 °С, H2Se – -42 °С, H2S – -60 °С. У цьому ряду температури кипіння послідовно знижуються, а у води вона становить +100 °С.
Теплоємність рідкої води (4,2 кДж/кг · град) перевищує теплоємність усіх інших речовин (за винятком газоподібного водню).
Аномально змінюється густина води при охолодженні; при переході з рідкого стану у твердий вона зменшується, а для більшості неорганічних речовин, навпаки, густина збільшується4. Найбільша густина води при +4 °С і дорівнює 1 г/см3.
Вода має винятково великий поверхневий натяг (другий показник після ртуті, завдяки чому на межі води й повітря (по обидва боки) живе значна кількість водяних тварин, можливий підйом води по стовбурах дерев на десятки метрів), велику питому теплоту випаровування, плавлення5, високу діелектричну проникність.
Гаряча вода в морозильнику за однакових умові замерзає швидше за холодну (ефект Мпемба). Учені сьогодні не можуть пояснити цього феномена.
Надохолоджена вода. Хімічно чиста вода за відсутності ядер кристалізації (якими могли би бути різні домішки) іноді не замерзає навіть за температури, значно нижчої за 0 °С. За температури -38 °С будь-яка вода перетворюється на лід. Аналогічно існує й перегріта вода, яка не перетворюється на пару за температури, вищої 100°С.
Учені розрізняють щонайменше 5 форм рідкої води, 15 кристалічних (льоду) та 3 модифікації аморфної твердої води. Наприклад, при -120 °С лід стає тягучим, як мед, а при -135 °С і нижче перетворюється на скляну воду – тверду некристалічну речовину. Навіть за від’ємних температур лід льодовиків (кристалічна речовина), виявляючи пластичність, повільно “стікає” з гір униз, як річка.
Вода має пам’ять. З багатьма речовинами вона утворює кристалогідрати, колоїди. Вода – універсальний розчинник і каталізатор (наприклад, “сухий” бензин не горить; для цього він обов’язково повинен містити якусь кількість води)…
Ще більше змінюються її властивості внаслідок впливу на неї магнітного поля (наприклад, закипає швидше, а замерзає повільніше, ніж звичайна) або всередині капілярів. Усередині нанотрубок вода не втрачає текучості й за температур, які близькі до абсолютного нуля.
Цікаво поводиться вода всередині живих організмів. Більшість її молекул перебуває у колоїдному (гелеподібному) стані. А на поверхні білків 2-3 шари води лежать на 10 % щільніше і рухаються у 2-3 рази повільніше за інші. Ферменту (білковому каталізатору) для “вмикання” необхідна водяна оболонка, яка покриває 60-70 % його поверхні. ДНК для збереження своєї подвійної спіралі повинна містити воду (близько третини маси молекули ДНК).
Хімічні властивості води
1. Вода взаємодіє з простими речовинами:
– з металами:
А) з найактивнішими реагує за нормальних умов:
Б) з іншими металами, які розміщені в ряду активності металів зліва від водню, вода взаємодіє при нагріванні, тобто у вигляді водяної пари:
– з неметалами:
2. Вода взаємодіє з основними та кислотними оксидами:
3. Із багатьма солями вода утворює кристалогідрати:
(мідний купорос, купрум(ІІ) сульфат пентагідрат)
4. Вода розкладає бінарні солеподібні сполуки, а також деякі солі (відбувається гідроліз):
5. З деякими речовинами вода утворює гідрати:
6. Вода бере участь у фотосинтезі, який відбувається в рослинах на світлі:
7. Вода взаємодіє з деякими органічними сполуками: алкенами, алкінами, естерами, галогеноалканами:
Значення води
Фізико-хімічна унікальність цієї природної сполуки, надзвичайне біологічне значення води для життя людства і взагалі всього живого знайшли своє відображення у виникненні багатогалузевої науки гідрології.
Без води неможливе існування живих організмів. У будь-якому організмі вона є середовищем, у якому відбуваються хімічні процеси, що забезпечують його життєдіяльність, і сама вода бере участь у багатьох біохімічних реакціях. Масова частка води в організмі людини становить близько 70 %.
Чимало води потрібно для ефективного сільського господарства. Зазвичай сільськогосподарські культури за вегетаційний період споживають до 4-5 т води на гектар. На вирощування 1т картоплі необхідно 100 т, а 1 т зерна – 1000 т води. Сільськогосподарські території за умов недостатності опадів (зони ризикованого рільництва) потребують поливу.
Ще більше води витрачають у промисловості, транспорті, будівництві. Воду використовують для механічного видалення домішок, як розчинник, як сировину. Особливо багато води потребують хімічна промисловість, металургійні підприємства, текстильні фабрики, цукрові й крохмале-патокові заводи. Вода – незамінний компонент практично всіх технологічних процесів. Наприклад, на виробництво 1 т сталі витрачається 300 т води; 1 т паперу – 900 т, 1 т хімічного волокна – понад 2000 т.
Велике значення вода має у побуті. Кожна доросла людина щоденно споживає з їжею близько 2 л води. Значно більше вона витрачає на побутові потреби. У великих містах витрати води становлять близько 100 л на людину щодоби. Не дивно, що загальний об’єм водопостачання в Україні з урахуванням втрат досягає 30 км3 на рік, що становить 60 % усього стоку наших річок.
______________________________________________________
1 Повітря завжди містить водяну пару: за температури 0 °С 1 м3 повітря може вмістити максимум 5 г води, а за температури +10 °С – уже 10 г.
2 Молекули води комет містять удвічі більше Дейтерію, ніж на Землі.
3 За допомогою космічного апарату НАСА LCROSS 09. 10. 2009.
4 Крім води, таку властивість мають вісмут, галій, деякі сполуки та суміші.
5 Так, питома теплота плавлення льоду становить 330 кДж/кг, а заліза – 270 кДж/кг.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)