Вода. Важка вода
, дві електронні пари утворюють ковалентниє зв'язки О—Н, а решта чотирьох електронів є двома неподіленими електронними парами.
-орбиталях, зміщені щодо ядра атома і створюють два негативні полюси.
Молекулярна маса пароподібної води рівна 18 і відповідає її простій формулі. Проте молекулярна маса рідкої води, визначувана шляхом вивчення її розчинів в інших розчинниках, виявляється вищою. Це свідчить про те, що в рідкій воді відбувається асоціація молекул, тобто з'єднання їх в складніші агрегати. Такий висновок підтверджується і аномально високими значеннями температур плавлення і кипіння води. Асоціація молекул води викликана утворенням між ними водневих зв'язків.
У твердій воді (лід) атом кисню кожної молекули бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води згідно схемі
x0,у якій водневі зв'язки показані пунктиром. Схема об'ємної структури льоду зображена на малюнку. Утворення водневих зв'язків приводить до такого розташування молекул води, при якому вони стикаються один з одним своїми різнойменними полюсами. Молекули утворюють шари, причому кожна з них пов'язана з трьома молекулами, що належать до того ж шарую, і з однією — з сусіднього шару. Структура льоду належить до якнайменше щільних структур, в ній існують пустки, розміри яких декілька перевищують розміри молекули H2O.
При плавленні льоду його структура руйнується. Але і в рідкій воді зберігаються водневі зв'язки між молекулами: утворюються ассоциати — як би уламки структури льоду, — молекул води, що складаються з більшого або меншого числа. Проте на відміну від льоду кожен ассоциат існує дуже короткий час: постійно відбувається руйнування одних і утворення інших агрегатів. У пустках таких “крижаних” агрегатів можуть розміщуватися одиночні молекули води; при цьому упаковка молекул води стає щільнішою. Саме тому при плавленні льоду об'єм, займаний водою, зменшується, а її густина зростає.
У міру нагрівання води уламків структури льоду в ній стає все менше, що приводить до подальшого підвищення густини води. У інтервалі температур від 0 до 4 °З цей ефект переважає над тепловим розширенням, так що густина води продовжує зростати. Проте при нагріванні вище 4 °З переважає вплив посилення теплового руху молекул, і густина води зменшується. Тому при 4 °З вода володіє максимальною густиною.
При нагріванні води частина теплоти витрачається на розрив водневих зв'язків (енергія розриву водневого зв'язку у воді складає приблизно 25 кДж/моль). Цим пояснюється висока теплоємність води.
Водневі зв'язки між молекулами води повністю розриваються тільки під час переходу води в пару.
Діаграма стану води
Діаграма стану (або фазова діаграма) є графічним зображенням залежності між величинами, що характеризують стан системи, і фазовими перетвореннями в системі (перехід з твердого стану в рідкий, з рідкого в газоподібній і т. д.). Діаграми стану широко застосовуються в хімії. Для однокомпонентних систем звичайно використовуються діаграми стану, що показують залежність фазових перетворень від температури і тиску; вони називаються діаграмами стану в координатах Р — Т.
На малюнку приведена в схематичній формі (без строгого дотримання масштабу) діаграма стану води. Будь-якій крапці на діаграмі відповідають певні значення температури і тиску.
Діаграма показує ті стани води, які термодинамічно стійкі при певних значеннях температури і тиск. Вона складається з трьох кривих, що розмежовують всі можливі температури і тиск на три області, що відповідають льоду, рідині і парі.
Розглянемо кожну з кривих детальніше. Почнемо з кривою ОА, що відділяє область пари від області рідкого стану. Уявимо собі циліндр, з якого видалене повітря, після чого в нього введена деяка кількість чистою, вільною від розчинених речовин, зокрема від газів, води; циліндр забезпечений поршнем, який закріплений в деякому положенні. Через деякий час частина води випарується, і над її поверхнею знаходитиметься насичена пара. Можна зміряти його тиск і переконатися у тому, що воно не змінюється з часом і не залежить від положення поршня. Якщо збільшити температуру всієї системи і знов зміряти тиск насиченої пари, то виявиться, що воно зросло. Повторюючи такі вимірювання при різних температурах, знайдемо залежність тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОА є графіком цієї залежності: точки кривої показують ті пари значень температури і тиску, при яких рідка вода і водяна пара знаходяться в рівновазі один з одним — співіснують. Крива ОА називається кривою рівноваги рідина — пар або кривої кипіння. У таблиці приведені значення тиску насиченої водяної пари при декількох температурах: