Вода и её свойства
Вода — одно из самых распространённых веществ на Земле и важнейший растворитель. Чтобы решать задачи о растворах и жидкостях, нужно понимать её агрегатные состояния, плотность, температуры плавления и кипения, способность растворять вещества, а также тепловые и поверхностные свойства.
Вода как вещество и растворитель
Чистая вода состоит из молекул \(H_2O\). Строение и полярность молекулы подробно рассматриваются на странице молекула воды. Из-за неравномерного распределения электрического заряда молекулы воды притягиваются друг к другу и к частицам многих других веществ.
Вода — химическое соединение водорода и кислорода с формулой \(H_2O\). При обычных условиях чистая вода — бесцветная прозрачная жидкость без запаха и вкуса.
Вода может быть чистым веществом, если в ней нет примесей, и частью смеси, если в ней растворены соли, газы или другие вещества. В растворе вода часто выступает растворителем, а добавленное вещество — растворённым веществом.
Вода хорошо растворяет многие ионные и полярные вещества: например, поваренную соль и сахар. Неполярные вещества, такие как масло, с водой обычно не смешиваются. Растворение не всегда означает химическую реакцию: часто частицы вещества просто равномерно распределяются между молекулами воды.
Агрегатные состояния и температуры
Вода существует в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. В лёду частицы занимают почти фиксированные положения и образуют упорядоченную структуру. В жидкой воде молекулы могут перемещаться, поэтому вода принимает форму сосуда. Водяной пар не имеет собственной формы и занимает весь доступный объём.
| Состояние | Свойства | Пример |
|---|---|---|
| Твёрдое | Сохраняет форму и объём | лёд |
| Жидкое | Сохраняет объём, принимает форму сосуда | вода в стакане |
| Газообразное | Не сохраняет ни форму, ни объём | водяной пар |
При нормальном атмосферном давлении вода замерзает при \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) и кипит при \(100\ ^\circ\mathrm{C}\). При изменении давления температуры фазовых переходов могут изменяться.
Растворённые вещества влияют на свойства воды. Например, раствор соли обычно замерзает при температуре ниже \(0\ ^\circ\mathrm{C}\), а температура его кипения немного выше, чем у чистой воды. Поэтому нельзя автоматически подставлять свойства чистой воды для любого раствора.
Плотность и необычное расширение воды
Плотность вещества показывает, какую массу имеет единица объёма. Для воды при температуре около \(4\ ^\circ\mathrm{C}\) плотность максимальна и приблизительно равна \(1000\ \mathrm{кг/м^3}\), или \(1\ \mathrm{г/см^3}\).
Здесь \(\rho\) — плотность, \(m\) — масса, \(V\) — объём. Используя формулу плотности, можно найти любую из этих величин:
Особенность воды состоит в том, что при охлаждении от комнатной температуры до \(4\ ^\circ\mathrm{C}\) её плотность увеличивается, а при дальнейшем охлаждении до льда — уменьшается. Поэтому лёд менее плотный, чем жидкая вода, и плавает на поверхности.
Вычислим массу воды объёмом \(250\ \mathrm{см^3}\), если \(\rho=1\ \mathrm{г/см^3}\).
Почему лёд плавает на поверхности воды?
Тепловые и механические свойства
Вода медленно нагревается и медленно остывает по сравнению со многими веществами. Это связано с её большой удельной теплоёмкостью. Поэтому водоёмы сглаживают перепады температуры, а вода используется в системах охлаждения.
Удельная теплоёмкость \(c\) — количество теплоты, необходимое для нагревания \(1\ \mathrm{кг}\) вещества на \(1\ ^\circ\mathrm{C}\). Для нагревания или охлаждения тела используют формулу \(Q=cm\Delta t\).
Вода почти несжимаема: при обычных условиях её объём мало изменяется под действием давления. Однако при нагревании вода расширяется, а при замерзании расширяется особенно заметно. Это объясняет, почему вода может разрушать трубы и горные породы, если замерзает внутри трещин.
На поверхности воды действуют силы притяжения между молекулами. Из-за этого поверхность ведёт себя как упругая плёнка: небольшие предметы могут удерживаться на ней, а капли стремятся принять округлую форму. Это свойство называют поверхностным натяжением.
Как свойства воды помогают решать задачи о растворах
В задачах важно определить, о каком веществе идёт речь: о чистой воде, растворе или смеси. Для раствора масса складывается из массы растворителя и массы растворённого вещества. Если растворителем является вода, её масса не равна автоматически массе всего раствора.
При вычислениях нужно внимательно следить за единицами. Например, плотность воды \(1\ \mathrm{г/см^3}\) численно равна \(1000\ \mathrm{кг/м^3}\), но нельзя смешивать объём в литрах с плотностью в граммах на кубический сантиметр без перевода единиц.
1. Определите, что дано: чистая вода или раствор. 2. Выберите физическую величину и формулу. 3. Приведите единицы к согласованному виду. 4. Подставьте значения. 5. Проверьте порядок величины и смысл ответа.
Не путайте массу воды с массой раствора. Не считайте, что плотность любого раствора равна плотности чистой воды. Не утверждайте, что вода всегда кипит при \(100\ ^\circ\mathrm{C}\): это значение относится к нормальному давлению. Также не забывайте, что плотность воды максимальна примерно при \(4\ ^\circ\mathrm{C}\), а не при \(0\ ^\circ\mathrm{C}\).
Итоговая проверка
Главное
- Вода — полярное вещество и распространённый растворитель; её молекула имеет формулу \(H_2O\).
- При нормальном давлении чистая вода замерзает при \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) и кипит при \(100\ ^\circ\mathrm{C}\).
- Плотность воды максимальна около \(4\ ^\circ\mathrm{C}\) и примерно равна \(1\ \mathrm{г/см^3}\).
- Для расчётов используют \(\rho=\frac{m}{V}\), \(m=\rho V\) и \(Q=cm\Delta t\).
- Масса раствора равна сумме масс воды и растворённого вещества; свойства раствора могут отличаться от свойств чистой воды.