17. ЕЛЕМЕНТИ VIА ГРУПИ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ХАЛЬКОГЕНІВ

17.3. Вода

Вода – найпоширеніша хімічна сполука. Це гідроген оксид – Н₂О.

Будова молекули.

У молекулі води атоми Гідрогену та Оксигену з’єднані ковалентним полярним зв’язком. Валентний кут » 104,5⁰С, що свідчить про sp³-гібридизацію атомних орбіталей Оксигену і утворення міцних зв’язків з атомами Гідрогену.

Таким чином молекула води – кутова полярна (рис. 17.1). На атомі Оксигену виникає частковий негативний заряд, на атомах Гідрогену – позитивний.

Рис. 17.1. Молекула води

У воді розчиняється багато речовин, при цьому деякі з них дисоціюють на іони. Виходячи з будови молекули – вода сильно полярний розчинник. Є розчинники полярніші за воду: HF, H₂SO₄, H₂O₂, HCN, N,N-диметилформамід (ДМФА) (CH₃)₂NCOH, ацетон CH₃COCH₃. Усі вони крім двох останніх є високореакційноздотними і тому їх широко не використовують. Вода за фізико-хімічними властивостями є унікальним розчинником.

У твердому стані (лід) вода має тетраедричну структуру – кожна молекула води з’єднана водневими зв’язками з чотирма іншими (рис. 17.2).

Рис. 17.2. Структура льоду.

Оксид дейтерію D₂O (важка вода) міститься у незначній кількості у природній воді. Виділяють D₂O виморожуванням води (т. пл. D₂O 3,81 ⁰С, т. кип. 101,43 ⁰С). Густина важкої води вища від густини звичайної.

Фізичні властивості.

За н. у. вода – безбарвна рідина без смаку і запаху. Т. пл. води 0 ⁰С або 273 К, Т. кип. 100 ⁰С або 373 К. Густина льоду 0,916 г/см³, густина води при 0 ⁰С 0,999 г/см³, при 4 ⁰С 1,000 г/см³. За рахунок цього, водойми взимку не промерзають до дна.

У ряду гідридів елементів VIA групи H₂O – H₂S – H₂Se – H₂Te, вода має аномально високі температури кипіння і плавлення за рахунок утворення водневих зв’язків (див. Водневий зв’язок) і є добрим розчинником.

У воді розчиняються гази, які вступають у хімічну взаємодію з нею (амоніак NH₃, ангідриди кислот) (див. Розчини), електроліти (солі, кислоти, луги), органічні сполуки з полярними групами (-OH, -COOH, -NH₂).

Поширення у природі.

Поверхня Землі на 4/5 вкрита шаром води; маса води становить 10¹⁸ т. Це єдина речовина, яка в природі існує одночасно в твердому (лід), рідкому і газоподібному (пара) стані. 2/3 людського тіла складає вода, багато продуктів містять велику кількість води (табл. 17.2).

Таблиця 17.2

Вміст води у деяких продуктах

Продукт	Вміст води, %
Томати	95
Молоко	87
Яблука	84
Риба	82
Картопля	76
Яйця	75
М’ясо (яловичина)	64

Хімічні властивості.

1. Електролітична дисоціація:

Н₂О + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + ОН^–

Н₂О – амфоліт, оскільки при дисоціації утворює іони Н₃О і ОН^– (див. Електролітична дисоціація).

2. Гідратація – приєднання молекул води до речовин з утворенням гідратів. Гідрати утворюють практично усі речовини. Благородні гази (крім гелію) утворюють кріогідрати складу Е∙6Н₂О, які називають сполуками вкорінення або клатратами.

Гідрати основних оксидів – основи (NaOH, Ca(OH)₂).

Гідрати кислотних оксидів – кислоти (HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄).

Усі іони в розчинах існують у гідратованому стані: Н⁺ у формі H₃O⁺, Cu²⁺ – [Cu(H₂O)₅]²⁺ тощо.

При випаровуванні розчинів солей утворюються тверді кристалогідрати: FeSO₄∙7H₂O, CuSO₄∙5H₂O, Na₂SO₄∙10H₂O, тощо (див. Кристалогідрати).

Взаємодією органічних речовин з водою добувають спирти, кетони:

3. Гідроліз – реакція обмінного розкладу речовини з водою. Гідролізу піддаються галогени (крім F₂, який розкладає воду):

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO,

8F₂+ 14H₂O = 14HF + H₂O₂ + O₂ + O₃ + OF₂,

галогенангідриди (див. Добування кислот):

PCl₃+ 3H₂O = 3HCl + H₃PO₄,

солі (див. Гідроліз солей).

Гідроліз органічних сполук розглянуто у розд. Органічна хімія.

4. Взаємодія з металами. Безпосередньо вода реагує лише з металами ІА та ІІА підгруп:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂,

за високих температур – з рештою (крім благородних):

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂,

5. З неметалами за високих температур:

C + H₂O = CO + H₂,

2P + 8H₂O = 2H₃PO₄ + 5H₂.

6. Зі складними речовинами:

NaH + H₂O = NaOH + H₂, 2BaO₂ + 2H₂O =2Ba(OH)₂ + O₂,

CO + H₂O = CO₂ + H₂, CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

Останню реакцію – конверсію метану – використовують у промисловості для одержання водяного газу (суміші СО + Н₂).

Використання води.

Велика кількість води використовується у побуті: життєдіяльність людини, приготування їжі, прання, тощо.

У промисловості воду використовують як розчинник, реагент, охолоджувач, теплоносій в електростанціях, при виробництві ліків.

Щорічно у світі використовується на різні потреби 2500 – 3000 км³ прісної води.

Забруднення та очистка води.

З усієї маси води на Землі, прісної лише 3%, з них 80% знаходиться на полюсах у формі льоду.

Використання прісної води є багаторазове і безповоротне. Судноплавство, риборозведення, гідроелектроенергетика – багаторазове. Безповоротно використаною є вода, непридатна для повторного використання. Сюди входить вода, яка випарувалась, хімічно зв’язана і змішана з солоною. Прісну воду добувають із солоної шляхом опріснення останньої. Найчастіше вода забруднена твердими відходами, хімічними речовинами (мінеральні добрива, пестициди), мікроорганізмами, радіоактивними речовинами.

Для повернення забрудненої води у використання її очищають фізичними та хімічними методами.

Основними фізичними методами очистки води є:

зрешечування – видалення з води твердих матеріалів шляхом пропускання через систему сит з різним діаметром отворів;

аерування – пропускання через воду повітря для видалення розчинених газів і очищення від деяких домішок;

флокуляція – збовтування води з флокулянтами (H₂SiO₃) для укрупнення дрібних завислих частинок у більші, які швидше осідають на дно;

флотація – спливання на поверхню частинок, утворених при флокуляції;

седиментація – видалення осілих при флокуляції частинок;

фільтрування – пропускання води через пісок, змішаний з деревним вугіллям для видалення дрібного завислого матеріалу.

Найпоширенішими хімічними методами очистки води є:

коагуляція – видалення з води колоїдних частинок введенням коагулянтів (Al₂(SO₄)₃, Na₃[Al(OH)₆]);

дезинфекція – обробка води хлором або озоном для знищення мікроорганізмів;

пом’якшення – усунення твердості води, зумовленої наявністю гідрогенкарбонатів кальцію та магнію Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂, додаванням Ca(OH)₂ або Na₂CO₃;

адсорбція – поглинання органічних сполук з води активованим вугіллям;

окиснення – переведення токсичних речовин в нешкідливі шляхом окисненням озоном: NaCN + O₃ = NaCNО + O₂.

Дистиляція – випаровування і конденсація води в дистиляторах. При цьому утворюється обезсолена вода. Цим способом опріснюють морську воду.

Очистка стічних вод має поєднуватись із економним використанням води, впровадженням технологій багаторазового застосування та зменшенням забруднення води.

В основі безвідходних виробництв лежить багаторазове використання води в замкнутому циклі з очисними спорудами.

Кругообіг води в природі.

Щорічно в кругообіг води у результаті випаровування і випадання у формі дощу і снігу задіяно понад 500000 км³ води (рис. 17.3). За теоретичними підрахунками максимальна кількість прісної води, доступної для використання становить майже 40000 км³ за рік.

Рис. 17.3. Кругообіг води в природі