Nước | Khái niệm hoá học

1. Cấu tạo phân tử nước

Nước là hợp chất phổ biến nhất trong thiên nhiên. Ba phần tử bề mặt của Trái Đất được nước bao phủ. Nó tập trung chủ yếu vào đại dương và biển. Ngoài ra nước còn có ở trong khí quyển, ở trong đất và là một cấu tử chính của tế bào sinh vật.

Phân tử nước có CTPT là H₂O, là phân tử có góc $\widehat{\mathrm{HOH} }$ = 105^o và độ dài của liên kết O-H bằng 0,99 $\stackrel{\mathrm{o}}{\mathrm{A}}$. Do có cấu tạo không đối xứng, H₂O là phân tử có cực, độ dài lưỡng cực là 0,39 $\stackrel{\mathrm{o}}{\mathrm{A}}$ và cực tính lớn.

Phân tử H₂O rất bền đối với nhiệt, bắt đầu phân hủy ở 1000^oC đến 2000^oC chỉ phân hủy khoảng 2%.

2. Tính chất vật lí.

Nước là chất lỏng trong suốt, không màu, không mùi và không vị. Lớp nước dày có màu xanh lam nhạt. Nước có nhiệt dung riêng lớn nhất so với mọi chất lỏng và chất rắn. Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng 1ml nước từ 14,5^oC đến 15,5^oC được dùng làm đơn vị nhiệt gọi là calo. Nhờ có nhiệt dung lớn, nước có vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa khí hậu ở Trái Đất.

Nước là dung môi quan trọng nhất trong thiên nhiên và trong kĩ thuật. Là phân tử có cực, nước có khả năng hòa tan nhiều chất, chất điện li cũng như chất không điện li. Những chất điện li như axit, baz ơ và muối khi tan trong nước phân li thành ion. Nhiều phản ứng sinh hóa học xảy ra trong cơ thể sinh vật. Do sự tạo thành liên kết hidro giữa các phân tử H₂O, nước có sức căng bề mặt lớn hơn hầu hết chất lỏng khác. Sức căng bề mặt của nước có thể giảm xuống khi có thêm những chất gây ướt như xà phòng hày chất tẩy rửa. Xà phòng và chất tẩy rửa là chất hoạt động bề mặt. Khi được thêm vào những giọt nước nằm trên một bề mặt trơn, chất tẩy rửa cản trở sự tạo thành liên kết hidro giữa các phân tử nước. Kết quả là sức căng bề mặt của nước giảm xuống, những giọt nước bị méo xẹt và nước chảy trải ra. 

3. Tính chất hóa học

Về mặt hóa học nước là hợp chất rất có khả năng phản ứng. Nó kết hợp với nhiều oxit của các nguyên tố và với các muối, tương tác được với nhiều nguyên tố. Chính quá trình nước hòa tan các chất, như đã biết là quá trình hidrat hóa các chất đó. 

Nước có khả nawg phân hủy nhiều muối, phản ứng phân hủy đó gọi là phản ứng thủy phân. Thực chất của phản ứng thủy phân, như đã biết là tương tác giữa các ion của muối với ion H⁺ và OH^- làm chuyển dịch cân bằng phân li của H₂O

H₂O$\leftrightarrow$H⁺ + OH^-

có những muối bị thủy phân hoàn toàn như các hidrua, nitrua, photphua, cacbua của nhiều kim loại; một số bị thủy phân gần hoàn toàn như các clorua của axit hữu cơ và một số khác bị thủy phân có giới hạn như các este và muối của axit yếu hay baz ơ yếu.

Ở trong nước, oxi có số oxi hóa -2 và hidro có số oxi hóa +1 cho nên nước vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử. Những chất oxi hóa mạnh và những chất khử mạnh không thể tồn tại ở trong nước mà phân hủy nước giải phóng oxi hoặc hidro. Những chất oxi hóa trung bình và chất khử trung bình thường cho phản ứng thuận nghịch với nước ở nhiệt độ cao. Trong các chất oxi hóa, chỉ flo cho phản ứng hoàn toàn với nước ở nhiệt độ thường còn các halogen khác cho phản ứng thuận nghịch. Trong các chất khử, photpho, cacbon, silic và bo cho phản ứng không hoàn toàn khi đun nóng. Những kim loại kiềm và kiềm thổ phản ứng mạnh với nước ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ thấp. Bột magie và bột nhôm đang cháy sẽ tiếp tục cháy trong hơi nước ở 100^oC. Những kim loại như Fe, Zn, Ni, Co, Mn, Cr cho phản ứng thuận nghịch ở nhiệt độ vào khoảng 500^oC. Thiếc và chì thực tế không phản ứng, thủy ngân và các kim loại quý không tác dụng với nước ở bất kì nhiệt độ nào. 

Ngoài ra nước còn là chất xúc tác cho một số khá lớn phản ứng. Ví dụ như khi không có mặt hơi nước, khí NO không kết hợp với O₂ tạo thành NO₂, sắt kim loại không tác dụng với clo tạo thành FeCl₃. Nước cũng tự xúc tác cho quá trình tổng hợp nước từ các nguyên tố.

Gần đây người ta trộn nước với nhiên liệu lỏng trong bộ điện kháng siêu âm đã thu được một nhũ tương cháy được, gồm 70% dầu hỏa và 30% nước. Nhũ tương đó cháy nhanh và cháy hoàn toàn. Như vậy nếu thay không khí bằng nước để đốt cháy nhiên liệu trong các động cơ thì giảm được lượng oxit nito ở trong không khí thải ra và do đó giảm được sự ô nhiễm của không khí.

4. Vai trò và tầm quan trọng của nước

Hơn 70% khối lượng của con người là nước. Nước là một thức ăn cần thiết cho sinh vật. Mỗi ngày trung bình mỗi người cần khoảng 2,5 đến 4l nước để cung cấp cho cơ thể. Khi bị mất từ 10 đến 20% lượng nước có trong cơ thể, động vật có thể chết.

Nước cũng có một tầm quan trọng như vậy đối với công nghiệp. Nguyên nhân là ở chỗ một mặt nước có trữ lượng rất lớn và giá rẻ nhưng mặt khác là vì những tính chất lí hóa của nó. Trong các ngành công nghiệp người ta dùng nước để làm nguyên liệu ban đầu, dung môi, chất rửa, chất làm lạnh... Ví dụ để tinh chế 150l dầu mỏ cần dùng khoảng 3000l nước, để sản xuất 1 tấn thép cần khoảng 25000l nước và 1 tấn giấy khoảng 100000 l nước.