БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ВО)
Примечание: 1 кал/(см ·сек ·град) = 418,68 вт/( м·К); 1 ом -–1 ·см -–1 = 100 сим/м ;
1 кал/(г ·град) =.4,186 кдж (кг ·К); 1 спз = 10—3 н ·сек/м 2 ; 1 дин/см = 10–3 н/м.
Аномалии физических свойств В. связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий в жидкой В. и льде. Три ядра в молекуле В. образуют равнобедренный треугольник с протонами в основании и кислородом в вершине (рис. 1 , а). Распределение электронной плотности в молекуле В. таково (рис. 1 , б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 1 , г). Благодаря этой полярности В. имеет высокий дипольный момент (1,86 D ), а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле В. образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами (например, в кристаллах льда).
Кристаллическая структура обычного льда гексагональная (рис. 2 ), она «рыхлая», в ней много «пустот». (При плотной «упаковке» молекул В. в кристаллах льда его плотность составляла бы около 1,6 г/см 3 .) В жидкой В. присущая льду связь каждой молекулы H2 O с четырьмя соседними («ближний порядок») в значительной степени сохраняется; однако «рыхлость» структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы «дальнего порядка» попадают в «пустоты», что ведёт к росту плотности В. При дальнейшем нагревании В. возрастает тепловое движение молекул, расстояние между ними увеличивается, т. е. происходит расширение В., которое начиная с +3,98°С уже преобладает, и поэтому далее с ростом температуры плотность В. уменьшается. Водородные связи примерно в 10 раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства других жидкостей; поэтому для плавления, испарения, нагревания В. необходима гораздо большая энергия, чем в случае других жидкостей, что объясняет отмеченные аномально высокие значения теплот плавления и испарения и удельной теплоёмкости. С повышением температуры водородные связи разрываются, однако определённое их число сохраняется даже при 100°С. Растворённая в органических растворителях В. состоит из образовавшихся за счёт водородных связей ассоциатов (H2 O)2 .
Вода как растворитель. В. — наиболее универсальный растворитель. Газы достаточно хорошо растворяются в В., если способны вступать с ней в химическое взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы мало растворимы в В. При понижении давления и повышении температуры растворимость газов в В. уменьшается. Многие газы при низких температурах и повышенном давлении не только растворяются в В., но и образуют кристаллогидраты (аргон, криптон, ксенон, хлор, сероводород, углеводороды и др.). В частности, пропан при 10°С и 0,3 мн/м 2 (3 кгс/см 2 ) даёт кристаллогидрат C3 H8 ·17H2 O. При уменьшении давления такие гидраты распадаются. Кристаллогидраты многих газообразных веществ, образующиеся при низких температурах, содержат В. в «пустотах» своих кристаллов (так называемые клатраты, см. Соединения включения ).
В. — слабый электролит , диссоциирующий по уравнению:
причём количественной характеристикой электролитической диссоциации В. служит ионное произведение В.: Кв = [Н+ ] [ОН- ], где [Н+ ] и [ОН- ] — концентрация соответствующих ионов в г-ион/л ; Кв составляет 10-14 (22°С) и 72·10-14 (100°С), что соответствует усилению диссоциации В. с ростом температуры (см. также Водородный показатель ).
Будучи электролитом, В. растворяет многие кислоты, основания, минеральные соли. Такие растворы проводят электрический ток благодаря диссоциации растворённых веществ с образованием гидратированных ионов (см. Гидратация ). Многие вещества при растворении в В. вступают с ней в реакцию обменного разложения, называемую гидролизом . Из органических веществ в В. растворяются те, которые содержат полярные группы (—ОН, —NH2 , — СООН и др.) и имеют не слишком большую молекулярную массу. Сама В. хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органических растворителей. Однако в виде ничтожной примеси к органическим веществам В. присутствует практически всегда и способна резко изменять физические константы последних.
В. любого природного водоёма содержит в растворённом состоянии различные вещества, преимущественно соли (см., например, Жёсткость воды ). Благодаря высокой растворяющей способности В., получить её в чистом виде весьма трудно. Обычно мерой чистоты В. служит её электропроводность. Дистиллированная В., полученная перегонкой обычной В., и даже повторно перегнанный дистиллят имеют электропроводность примерно в 100 раз более высокую, чем у абсолютно чистой В. Наиболее чистую В. получают синтезом из тщательно очищенного кислорода и водорода в спец. аппаратуре.
В последние годы появились многочисленные сообщения о существенном изменении свойств технической и дистиллированной В. после её протекания с определённой скоростью в магнитных полях оптимальной (весьма невысокой) напряжённости. Эти изменения носят временный характер и через 10—25 часов постепенно и самопроизвольно исчезают. Отмечается, что после такой «магнитной обработки» ускоряются процессы кристаллизации растворённых в В. веществ, адсорбции, изменяется смачивающая способность В. и др. Хотя теоретическое объяснение этих явлений пока отсутствует, они уже находят широкое практическое применение — для предотвращения образования накипи в паровых котлах, для улучшения процессов флотации , очистки В. от взвесей и др.
Образование и диссоциация В. Образование В. при взаимодействии водорода с кислородом сопровождается выделением теплоты 286 кдж/моль (58,3 ккал/моль ) при 25°С (для жидкой В.). Реакция 2H2 + O2 = 2H2 O до температуры 300°С идёт крайне медленно, при 550°С — со взрывом. Присутствие катализатора (например, платины) позволяет реакции идти при обычной температуре. Спокойное горение водорода в кислороде, как и взрывное взаимодействие, — это цепные реакции , идущие с участием радикалов свободных .
Химические свойства В. В обычных условиях В. — достаточно устойчивое соединение. Распад молекул H2 O (термическая диссоциация) становится заметным лишь выше 1500°С. Разложение В. происходит также под действием ультрафиолетового (фотодиссоциация) или радиоактивного излучения (радиолиз ). В последнем случае, кроме H2 и O2 , образуется также перекись водорода и ряд свободных радикалов. Характерным химическим свойством В. является способность её вступать в реакции присоединения, а также гидролитические разложения взаимодействующих веществ. Восстановители действуют на В. преимущественно при высокой температуре. Только наиболее активные из них, как щелочные и щелочноземельные металлы, реагируют с В. уже при комнатной температуре с выделением водорода и образованием гидроокисей: 2Na + 2H2 O = 2NaOH + Н2 ; Ca + 2H2 O = Ca (OH)2 + H2 . Магний и цинк взаимодействуют с В. при кипячении, алюминий — после удаления с его поверхности окисной плёнки. Менее активные металлы вступают в реакцию с В. при красном калении: 3Fe + 4H2 O = Fe3 O4 + 4H2 . Медленное взаимодействие многих металлов и их сплавов с В. происходит при обычной температуре. Используя В., содержащую изотоп кислорода 18 O, удалось показать, что при коррозии железа во влажной атмосфере «ржавчина» получает кислород именно из В., а не из воздуха (см. Коррозия металлов). Благородные металлы — золото, серебро, платина, палладий, рутений, родий, а также ртуть с В. не взаимодействуют.
Атомарный кислород превращает В. в перекись водорода: H2 O + O = H2 O2 . Фтор уже при обычной температуре разлагает В.: F2 + H2 O 2HF + О. Одновременно образуются также H2 O2 , озон, окись фтора F2 O и молекулярный кислород O2 . Хлор при комнатной температуре даёт с В. хлористоводородную и хлорноватистую кислоты: Cl2 + H2 O = HCl + HClO. Бром и иод в этих условиях реагируют с В. аналогичным образом. При высоких температурах (100°С для хлора, 550°С для брома) взаимодействие идёт с выделением кислорода: 2Cl2 + 2H2 O = 4HCl + O2 . Фосфор восстанавливает В. и образует метафосфорную кислоту (только в присутствии катализатора под давлением при высокой температуре): 2P + 6H2 O = 2HPO3 + 5H2 . С азотом и водородом В. не взаимодействует, а с углеродом при высокой температуре даёт водяной газ: С + H2 O = CO + H2 . Эта реакция может служить для промышленного получения водорода, как и конверсия метана: CH4 + H2 O = CO + 3H2 (1200—1400°С). В. взаимодействует со многими основными и кислотными окислами, образуя соответственно основания и кислоты . Присоединение В. к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе промышленного способа получения спиртов , альдегидов , кетонов (см. также Гидратация ). В. участвует во многих химических процессах как катализатор. Так, взаимодействие щелочных металлов или водорода с галогенами, многие окислительные реакции не идут в отсутствие хотя бы ничтожных количеств В.
