ВОДА
Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, присоединившихся к нему под углом 104,5°.
Угол 104,5° между связями в молекуле воды обусловливает рыхлость льда и жидкой воды и как следствие аномальную зависимость плотности от температуры. Именно поэтому крупные водоемы не промерзают до дна, что делает возможным существование в них жизни.
Физические свойства
ВОДА, ЛЁД И ПАР, соответственно жидкое, твердое и газообразное состояния химического соединения молекулярной формулы Н 2 О.
Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие температуры плавления (0С) и кипения (100С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната кальция. Чистая вода – плохой проводник электричества. Плотность воды максимальна при 4С она равна 1 г/см 3 . Лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода и всплывает на её поверхность, что очень важно для обитателей водоёмов зимой.
Вода обладает исключительно большой теплоёмкостью, поэтому она медленно нагревается и медленно остывает. Благодаря этому водные бассейны регулируют температуру на нашей планете.
Химические свойства воды
Вода - весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочно-земельными металлами. Вода образует многочисленные соединения - кристаллогидраты.
Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:
2 H 2 O электрический ток = 2 H 2 + O 2
Видео "Электролиз воды"
- Магний с горячей водой реагирует с образованием нерастворимого основания:
Mg + 2H 2 O = Mg(OH) 2 + H 2
- Бериллий с водой образует амфотерный оксид: Be + H 2 O = BeO + H 2
1. Активные металлы - это:
Li , Na , K , Rb , Cs , Fr – 1 группа «А»
Ca , Sr , Ba , Ra – 2 группа «А»
2. Ряд активности металлов
3. Щёлочь – это растворимое в воде основание, сложное вещество в состав которого входит активный металл и гидроксильная группа ОН ( I ).
4. Металлы средней активности в ряду напряжений стоят от Mg до Pb (алюминий на особом положении)
Видео "Взаимодействие натрия с водой"
Помните!!!
Алюминий реагирует с водой подобно активным металлам, образуя основание:
2Al + 6H 2 O = 2Al ( OH ) 3 + 3H 2
Используя образец, запишите уравнения реакций взаимодействия:
С O 2 + H 2 O =
SO 3 + H 2 O =
Cl 2 O 7 + H 2 O =
P 2 O 5 + H 2 O ( горячая ) =
N 2 O 5 + H 2 O =
Помните! С водой реагируют только оксиды активных металлов. Оксиды металлов средней активности и металлов, стоящих после водорода в ряду активности в воде не растворяются, например, CuO + H 2 O = реакция не возможна.
Видео "Взаимодействие оксидов металлов с водой"
Li + H 2 O =
Cu + H 2 O =
ZnO + H 2 O =
Al + H 2 O =
Ba + H 2 O =
K 2 O + H 2 O =
Mg + H 2 O =
N 2 O 5 + H 2 O =
Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH−). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ ок. 16.
Вода химически довольно активное вещество. Сильнополярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.
Вода реагирует при комнатной температуре:
С активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)
С галогенами (фтором, хлором) и межгалоидными соединениями
С солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз
С ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот
С активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метил натрий и т. д.)
С карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)
Со многими солями, образуя гидраты
С боранами, силанами
С кетенами, недоокисью углерода
С фторидами благородных газов
Вода реагирует при нагревании:
С железом, магнием
С углем, метаном
С некоторыми алкилгалогенидами
Вода реагирует в присутствии катализатора:
С амидами, эфирами карбоновых кислот
С ацетиленом и другими алкинами
С алкенами
С нитрилами
Химические свойства воды определяются особенностями ее строения. Вода довольно устойчивое вещество, она начинает разлагаться на водород и кислород при нагревании по крайней мере до 1000°С (происходит термическая диссоциация) или под действием ультрафиолетового излучения (фотохимическая диссоциация).
Вода относится к химически активным соединениям. Например, реагирует с фтором. Хлор при нагревании или на свету разлагает воду с выделением атомарного кислорода:
H2O + Cl2 = HCl + HClO (НСlО = НСl + О)
При обычных условиях она взаимодействует с активными металлами:
2H2O + Ca = Ca(ОН) 2 + H2
2H2O + 2Na = 2NaOH + H2
Вода вступает в реакцию и со многими неметаллами. Например, при взаимодействии с атомарным кислородом образуется пероксид водорода:
H2O + O = H2O2
Многие оксиды реагируют с водой, образуя основания и кислоты:
CO2 + H2O = H2CO3
CaO + H2O = Ca(OH)2
При взаимодействии с некоторыми солями образуются кристаллогидраты. При нагревании они теряют кристаллизационную воду:
Na2CO3 + 10H2O = Na2CO3*10H2O
Вода также разлагает большинство солей (так называемый гидролиз).
Благородные металлы с водой не реагируют.
Кроме главных ионов, содержание которых в воде достаточно велико, ряд элементов: азот, фосфор, кремний, алюминий, железо, фтор - присутствуют в ней в концентрациях от 0,1 до 10 мг/л. Они называются мезоэлементами (от греч. "мезос" - "средний", "промежуточный").
Азот в форме нитратов NO3- попадает в водоёмы с дождевой водой, а в форме аминокислот, мочевины (NH2)2CO и солей аммония NH4+ - при разложении органических остатков.
Фосфор существует в воде в форме гидрофосфатов HPO32- и дигидрофосфатов H2PO3-, образующихся в результате разложения органических остатков.
Кремний является постоянным компонентом химического состава природных вод. Этому способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость последних объясняет малое содержание кремния в воде. Концентрация кремния в природных водах обычно составляет несколько миллиграммов в 1 л. В подземных водах она повышается и часто достигает десятков миллиграммов в 1 л, а в горячих термальных водах - даже сотен. На растворимость кремния, кроме температуры сильно влияет повышение pH раствора. Сравнительно малое содержание кремния в поверхностных водах, уступающее растворимости диоксида кремния (125 мг/л при 26 °С, 170 мг/л при 38 °С), указывает на наличие в воде процессов уменьшающих ее концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:
Na4SiO4 + 4CO2 + 4H2O = H4SiO4 + 4NaHCO3
Способствует неустойчивости кремния в растворе и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель. В очень мало минерализованных водах кремний составляет существенную, а иногда и преобладающую часть химического состава воды, несмотря на его малое абсолютное содержание. Присутствие кремния в воде является серьезной помехой в технике, так как при продолжительном кипячении воды кремний образует в котлах очень твердую силикатную накипь.
Алюминий поступает в водоёмы в результате действия кислот на глины (каолин):
Al2(OH)4 + 6H+ = 2SiO2 + 5H2O + 2Al3+
Основной источник железа - железосодержащие глины. Органические остатки (ниже обозначаются как "С"), находящиеся в контакте с ними, восстанавливают железо до двухвалентного, которое медленно вымывается в форме гидрокарбоната или солей гуминовых кислот:
2Fe2O3 + "C" + 4H2O + 7CO2 = 4Fe(HCO3)2
Когда вода с растворёнными в ней ионами Fe2+ вступает в контакт с воздухом, железо быстро окисляется, образуя коричневый осадок гидроксида Fe(OH)3. Со временем он превращается в болотную руду - бурый железняк (лимонит) FeO(OH). Карельская болотная руда использовалась в XVIII-XIX столетиях для получения железа.
Синеватая плёнка на поверхности воды - это Fe(OH)3, образующийся, когда подземные воды, содержавшие ионы Fe2+, вступают в контакт с воздухом. Ее часто путают с масляной пленкой, однако различить их очень легко: у пленки гидроксида железа рваные края. Если поверхность воды слегка взволновать, гидроксидная пленка, в отличие от масляной, не будет переливаться.
Химический состав природной воды определяет предшествующая ему история, т.е. путь, совершенный водой в процессе своего круговорота. Количество растворенных веществ в такой воде будет зависеть, с одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасалась, с другой - от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Влиять на химический состав воды могут следующие факторы: горные породы, почвы, живые организмы, деятельность человека, климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр. Рассмотрим лишь некоторые факторы, влияющие на состав воды.
Почвенный раствор и фильтрующиеся через почву атмосферные осадки способны усиливать растворение пород и минералов. Это одно из важнейших свойств почвы, влияющее на формирование состава природных вод, является результатом увеличения концентрации диоксида углерода в почвенном растворе, выделяющегося при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и биохимическом распаде органических остатков. Вследствие этого концентрация CO2 в почвенном воздухе возрастает от 0,033 %, свойственных атмосферному воздуху, до 1 % и более в почвенном воздухе (в тяжелых глинистых почвах концентрация CO2 в почвенном воздухе достигает иногда 5-10 %, придавая тем самым раствору сильное агрессивное действие по отношению к породам). Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующейся через почву воды, является органическое вещество - почвенный гумус, образующийся в почвах при трансформации растительных остатков. В составе гумуса в качестве активных реагентов прежде всего следует назвать гуминовые и фульвокислоты и более простые соединения, например органические кислоты (лимонная, щавелевая, уксусная, яблочная и др.), амины и т.п. Почвенный раствор, обогащаясь органическими кислотами и CO2, во много раз ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов, содержащихся в почвах. Аналогично вода, фильтрующаяся через почву, ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов и карбонатных пород, подстилающих почву. Известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция:
CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca(HCO3)2
Почти на всей европейской части России (кроме Карелии и Мурманской области) известняки, а также доломиты MgCO3 CaCO3 залегают довольно близко к поверхности. Поэтому вода здесь содержит преимущественно гидрокарбонаты кальция и магния. В таких реках, как Волга, Дон, Северная Двина, и основных их притоках гидрокарбонаты кальция и магния составляют от 3/4 до 9/10 всех растворённых солей.
Соли попадают в водоёмы и в результате деятельности человека. Так, хлоридами натрия и кальция зимой посыпают дороги, чтобы растапливать лёд. Весной вместе с талой водой хлориды стекают в реки. Треть хлоридов в реках европейской части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные города, эта доля гораздо больше.
Рельеф местности косвенно влияет на состав воды, способствуя вымыванию солей из толщи пород. Глубина эрозионного вреза реки облегчает поступление в реку более минерализованных грунтовых вод нижних горизонтов. Этому же способствуют и другие виды депрессий (речные долины, балки, овраги), улучшающие дренирование водосбора.
Климат же, создает общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химическою состава природных вод. Климат прежде всего определяет баланс тепла и влаги, от которого зависит увлажненность местности и объем водного стока, а следовательно, и разбавление или концентрирование природных растворов и возможность растворения веществ или выпадения их в осадок.
Огромное влияние на химический состав воды и его изменение с течением времени оказывают источники питания водного объекта и их соотношение. В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.
Вода (оксид водорода) - бинарное неорганическое соединение с химической формулой Н 2 O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью.
Пероксид водорода.
Физические и химические свойства
Физические и химические свойства воды определяются химическим, электронным и пространственным строением молекул Н 2 O.
Атомы Н и О в молекуле Н 2 0 находятся в своих устойчивых степенях окисления, соответственно +1 и -2; поэтому вода не проявляет ярко выраженных окислительных или восстановительных свойств. Обратите внимание: в гидридах металлов водород находится в степени окисления -1.
Молекула Н 2 O имеет угловое строение. Связи Н-O очень полярны. На атоме О существует избыточный отрицательный заряд, на атомах Н - избыточные положительные заряды. 8 целом молекула Н 2 O является полярной, т.е. диполем. Этим объясняется тот факт, что вода является хорошим растворителем для ионных и полярных веществ.
Наличие избыточных зарядов на атомах Н и О, а также неподеленных электронных пар у атомов О обусловливает образование между молекулами воды водородных связей, вследствие чего они объединяются в ассоциаты. Существованием этих ассоциатов объясняются аномально высокие значения т. пл. и т. кип. воды.
Наряду с образованием водородных связей, результатом взаимного влияния молекул Н 2 O друг на друга является их самоионизация:
в одной молекуле происходит гетеролитический разрыв полярной связи О-Н, и освободившийся протон присоединяется к атому кислорода другой молекулы. Образующийся ион гидроксония Н 3 О + по существу является гидратированным ионом водорода Н + Н 2 O, поэтому упрощенно уравнение самоионизации воды записывается так:
Н 2 O ↔ H + + OH -
Константа диссоциации воды чрезвычайно мала:
Это свидетельствует о том, что вода очень незначительно диссоциирует на ионы, и поэтому концентрация недиссоциированных молекул Н 2 O практически постоянна:
В чистой воде [Н + ] = [ОН - ] = 10 -7 моль/л. Это означает, что вода представляет собой очень слабый амфотерный электролит, не проявляющий в заметной степени ни кислотных, ни основных свойств.
Однако вода оказывает сильное ионизирующее действие на растворенные в ней электролиты. Под действием диполей воды полярные ковалентные связи в молекулах растворенных веществ превращаются в ионные, ионы гидратируются, связи между ними ослабляются, в результате чего происходит электролитическая диссоциация. Например:
HCl + Н 2 O - Н 3 O + + Сl -
(сильный электролит)
(или без учета гидратации: HCl → Н + + Сl -)
CH 3 COOH + H 2 O ↔ CH 3 COO - + H + (слабый электролит)
(или CH 3 COOH ↔ CH 3 COO - + H +)
Согласно теории кислот и оснований Брёнстеда-Лоури, в этих процессах вода проявляет свойства основания (акцептор протонов). По той же теории в роли кислоты (донора протонов) вода выступает в реакциях, например, с аммиаком и аминами:
NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 + + OH -
CH 3 NH 2 + H 2 O ↔ CH 3 NH 3 + + OH -
Окислительно-восстановительные реакции с участием воды
I. Реакции, в которых вода играет роль окислителя
Эти реакции возможны только с сильными восстановителями, которые способны восстановить ионы водорода, входящие в состав молекул воды, до свободного водорода.
1) Взаимодействие с металлами
а) При обычных условиях Н 2 О взаимодействует только со щел. и щел.-зем. металлами:
2Na + 2Н + 2 О = 2NaOH + H 0 2
Ca + 2Н + 2 О = Ca(OH) 2 + H 0 2
б) При высокой температуре Н 2 О вступает в реакции и с некоторыми другими металлами, например:
Mg + 2Н + 2 О = Mg(OH) 2 + H 0 2
3Fe + 4Н + 2 О = Fe 2 O 4 + 4H 0 2
в) Al и Zn вытесняют Н 2 из воды в присутствии щелочей:
2Al + 6Н + 2 О + 2NaOH = 2Na + 3H 0 2
2) Взаимодействие с неметаллами, имеющими низкую ЭО (реакции происходят в жестких условиях)
C + Н + 2 О = CO + H 0 2 («водяной газ»)
2P + 6Н + 2 О = 2HPO 3 + 5H 0 2
В присутствии щелочей кремний вытесняет водород из воды:
Si + Н + 2 О + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + 2H 0 2
3) Взаимодействие с гидридами металлов
NaH + Н + 2 O = NaOH + H 0 2
CaH 2 + 2Н + 2 О = Ca(OH) 2 + 2H 0 2
4) Взаимодействие с угарным газом и метаном
CO + Н + 2 O = CO 2 + H 0 2
2CH 4 + O 2 + 2Н + 2 O = 2CO 2 + 6H 0 2
Реакции используются в промышленности для получения водорода.
II. Реакции, в которых вода играет роль восстановителя
ти реакции возможны только с очень сильными окислителями, которые способны окислить кислород СО С. О. -2, входящий в состав воды, до свободного кислорода O 2 или до пероксид-анионов 2- . В исключительном случае (в реакции с F 2) образуется кислород со c o. +2.
1) Взаимодействие с фтором
2F 2 + 2Н 2 O -2 = O 0 2 + 4HF
2F 2 + Н 2 O -2 = O +2 F 2 + 2HF
2) Взаимодействие с атомарным кислородом
Н 2 O -2 + O = Н 2 O - 2
3) Взаимодействие с хлором
При высокой Т происходит обратимая реакция
2Cl 2 + 2Н 2 O -2 = O 0 2 + 4HCl
III. Реакции внутримолекулярного окисления - восстановления воды.
Под действием электрического тока или высокой температуры может происходить разложение воды на водород и кислород:
2Н + 2 O -2 = 2H 0 2 + O 0 2
Термическое разложение - процесс обратимый; степень термического разложения воды невелика.
Реакции гидратации
I. Гидратация ионов. Ионы, образующиеся при диссоциации электролитов в водных растворах, присоединяют определенное число молекул воды и существуют в виде гидратированных ионов. Некоторые ионы образуют столь прочные связи с молекулами воды, что их гидраты могут существовать не только в растворе, но и в твердом состоянии. Этим объясняется образование кристаллогидратов типа CuSO4 5H 2 O, FeSO 4 7Н 2 O и др., а также аквакомплексов: CI 3 , Br 4 и др.
II. Гидратация оксидов
III. Гидратация органических соединений, содержащих кратные связи
Реакции гидролиза
I. Гидролиз солей
Обратимый гидролиз:
а) по катиону соли
Fe 3+ + Н 2 O = FeOH 2+ + Н + ; (кислая среда. рН
б) по аниону соли
СО 3 2- + Н 2 O = НСО 3 - + ОН - ; (щелочная среда. рН > 7)
в) по катиону и по аниону соли
NH 4 + + СН 3 СОО - + Н 2 O = NH 4 OH + СН 3 СООН (среда, близкая к нейтральной)
Необратимый гидролиз:
Al 2 S 3 + 6Н 2 O = 2Аl(ОН) 3 ↓ + 3H 2 S
II. Гидролиз карбидов металлов
Al 4 C 3 + 12Н 2 O = 4Аl(ОН) 3 ↓ + 3CH 4 нетан
СаС 2 + 2Н 2 O = Са(ОН) 2 + С 2 Н 2 ацетилен
III. Гидролиз силицидов, нитридов, фосфидов
Mg 2 Si + 4Н 2 O = 2Mg(OH) 2 ↓ + SiH 4 силан
Ca 3 N 2 + 6Н 2 O = ЗСа(ОН) 2 + 2NH 3 аммиак
Cu 3 P 2 + 6Н 2 O = ЗСu(ОН) 2 + 2РН 3 фосфин
IV. Гидролиз галогенов
Cl 2 + Н 2 O = HCl + HClO
Вr 2 + Н 2 O = НВr + НВrО
V. Гидролиз органических соединений
Классы органических веществ |
Продукты гидролиза (органические) |
Галогеналканы (алкилгалогениды) |
|
Арилгалогениды |
|
Дигалогеналканы |
Альдегиды или кетоны |
Алкоголяты металлов |
|
Галогенангидриды карбоновых кислот |
Карбоновые кислоты |
Ангидриды карбоновых кислот |
Карбоновые кислоты |
Сложные зфиры карбоновых кислот |
Карбоновые кислоты и спирты |
Глицерин и высшие карбоновые кислоты |
|
Ди- и полисахариды |
Моносахариды |
Пептиды и белки |
α-Аминокислоты |
Нуклеиновые кислоты |
|
Основное вещество, которое позволяет существовать жизни на планете – это вода. Она необходима в любом состоянии. Изучение свойств жидкости привело к образованию целой науки – гидрологии. Предмет изучения большинства ученых – это физические и химические свойства . Они понимают под этими свойствами: критические температуры, кристаллическую решетку, примеси и другие индивидуальные особенности химического соединения.
Вконтакте
Изучение
Формула воды известна каждому школьнику. Это три простых знака, но содержатся они в 75% от общей массы всего на планете.
Н2О – это два атома и один — . Структура молекулы имеет эмпирическую форму, поэтому свойства жидкости такие многообразные, несмотря на простой состав. Каждая из молекул находится в окружении соседей. Они связаны одной кристаллической решеткой.
Простота строения позволяет жидкости существовать в нескольких агрегатных состояниях. Ни одно вещество на планете не может этим похвастаться. Н2О очень подвижна, она уступает в этом свойстве лишь воздуху. Каждый осведомлен о круговороте воды, о том, что после испарения ее с поверхности земли, где-то далеко проходит дождь или снег. Климат регулируется именно благодаря свойствам жидкости, которая может отдавать тепло, а сама при этом практически не изменяет свою температуру.
Физические свойства
Н2О и ее свойства зависят от многих ключевых факторов. Основные из них:
- Кристаллическая решетка. Строение воды, а точнее ее кристаллической решетки, обусловлено агрегатным состоянием. Она имеет рыхлое, но очень прочное строение. Снежинки показывают решетку в твердом состоянии, а вот в привычном – жидком, у воды нет четкости в строении кристаллов, они подвижны и изменчивы.
- Строение молекулы – шар. Но влияние земного притяжения заставляет воду принимать форму сосуда, в котором находится. В космосе она будет геометрически правильной формы.
- Реагирует вода с другими веществами, в том числе с теми, кто обладает неразделенными электронными парами, среди них спирт и аммиак.
- Обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью , быстро нагревается и долго не остывает.
- Еще со школы известно, что температура кипения — 100 градусов Цельсия. В жидкости появляются кристаллы при понижении до +4 градусов, а вот лед образуется при еще большем снижении. Температура кипения зависит от давления, в которое поместить Н2О. Есть эксперимент, при котором температура химического соединения достигает 300 градусов, при этом жидкость не кипит, а плавит свинец.
- Еще одним важным свойством является поверхностное натяжение. Формула воды позволяет ему быть очень прочным. Ученые выяснили, чтобы разорвать его потребуется сила с массой больше 100 тонн.
Интересно! Н2О, очищенная от примесей (дистиллированная), не может проводить ток. Это свойство оксида водорода появляется лишь при наличии растворенных в нем солей.
Другие особенности
Лед – это уникальное состояние, которое свойственно оксиду водорода. Он образует рыхлые связи, которые легко деформируются. Кроме того, расстояние между частицами значительно увеличивается, делая плотность льда намного ниже жидкости. Это позволяет водоемам не промерзать полностью в зимний период, сохраняя жизнь под слоем льда. Ледники – большой запас пресной воды.
Интересно! У Н2О есть уникальное состояние, которое называется явлением тройной точки. Это когда она находится сразу в трех своих состояниях. Возможно это условие, лишь при температуре 0,01 градус и давлении 610 Па.
Химические свойства
Основные химические свойства :
- Разделяют воду по жесткости, от мягкой и средней — до жесткой. Этот показатель зависит от содержания солей магния и калия в растворе. Есть также такие , которые находятся в жидкости постоянно, а от некоторых можно избавиться кипячением.
- Окисление и восстановление. Н2О влияет на процессы, изучаемые в химии, происходящие с другими веществами: одни она растворяет, с другими вступает в реакцию. Исход любого эксперимента зависит от правильного выбора условий, при которых он проходит.
- Влияние на биохимические процессы. Вода основная часть любой клетки , в ней как в среде, происходят все реакции в организме.
- В жидком состоянии впитывает в себя газы, которые неактивны. Их молекулы располагаются между молекулами Н2О внутри полостей. Так образуются клатраты.
- При помощи оксида водорода образуются новые вещества, которые не связаны с окислительно-восстановительным процессом. Речь идет о щелочах, кислотах и основаниях.
- Еще одна характеристика воды — это способность образовывать кристаллогидраты. Оксид водорода при этом остается в неизменном виде. Среди обычных гидратов можно выделить медный купорос.
- Если через соединение пропустить электрический ток, то можно разложить молекулу на газы.
Важность для человека
Очень давно люди поняли неоценимое значение жидкости для всего живого и планеты в целом. Без нее человек не может прожить и недели. Какого же полезное действие от этого самого распространенного на Земле вещества?
- Самое главное применение — это наличие в организме, в клетках, где проходят все важнейшие реакции.
- Образование водородных связей благоприятно сказывается на живых существах, ведь при изменении температуры жидкость в теле не замерзает.
- Человек давно применяет Н2О в бытовых нуждах, кроме приготовления пищи, это: стирка, уборка, купание.
- Ни один промышленный завод не может работать без жидкости.
- Н2О – источник жизни и здоровья , она является лекарством.
- Растения используют ее на всех этапах своего развития и жизни. С ее помощью они производят кислород, такой необходимый для жизни живых существ, газ.
Кроме самых очевидных полезных свойств, их имеется еще очень много.
Важность воды для человека
Критическая температура
У Н2О, как и у всех веществ, есть температура, которая называется критической . Критическая температура воды определяется методом ее нагрева. До 374 градусов по Цельсию жидкость называют паром, она еще может превратиться обратно в привычное жидкое состояние, при определенном давлении. Когда температура вышей этой критической отметки, то вода как химический элемент, превращается в газ безвозвратно.
Применение в химии
Большой интерес у химиков Н2О вызывает благодаря основному своему свойству – умению растворять. Часто ученые ею очищают вещества, чем создают благоприятные условия для проведения экспериментов. Во многих случаях она является средой, в которой можно провести опытные испытания. Кроме того, Н2О сама участвует в химических процессах, влияя на тот или иной химический эксперимент. Она соединяется с неметаллическими и металлическими веществами.
Три состояния
Вода предстает перед людьми в трех состояниях,
называемых агрегатными. Это жидкость, лед и газ. Вещество одно и то же по составу, но разное по свойствам. У
мение перевоплощаться – очень важная характеристика воды для всей планеты, таким образом, происходит ее круговорот.
Сравнивая все три состояния, человек чаще видит химическое соединение все же в жидком виде. Вода не имеет вкуса и запаха, а то, что ощущается в ней, это из-за наличия примесей, растворенных в ней веществ.
Основные свойства воды в жидком состоянии — это: огромная сила, позволяющая точить камни и рушить скалы, а также возможность принимать любую форму.
Мелкие частицы при замерзании сокращают скорость своего движения и увеличивают дистанцию, поэтому структура льда пористая и по плотности ниже жидкости. Лед применяется в холодильных установках, для различных бытовых и промышленных целей. В природе лед несет лишь разрушения, выпадая в виде града или лавины.
Газ – еще одно состояние, который образуется, когда не достигается критическая температура воды. Обычно при температуре больше 100 градусов, или испаряясь с поверхности. В природе это облака, туманы и испарения. Большую роль искусственное газообразование сыграло в техническом прогрессе в 19 веке, когда были изобретены паровые двигатели.
Количество вещества в природе
75% — такая цифра покажется огромной, но это вся вода на планете, даже та, которая находится в разных агрегатных состояниях, в живых существах и органических соединениях. Если же учесть лишь жидкое, то есть воду, находящуюся в морях и океанах, а также в твердую – в ледниках, то процент становится 70,8%.
Распределение процентного содержания примерно такое:
- моря и океаны – 74,8%
- Н2О пресных источников, распределенная неравномерно по планете, в ледниках составляет — 3,4%, а в озерах, болотах и реках лишь 1,1%.
- На подземные источники приходится примерно 20,7% от всего количества.
Характеристика тяжелой воды
Природное вещество – водород встречается в виде трех изотопов , в таком же количестве форм есть и кислород. Это позволяет выделять кроме обычной питьевой воды еще дейтериевую и тритиевую.
Дейтериевая имеет самую устойчивую форму, она встречается во всех природных источниках, но в очень малом количестве. Жидкость с такой формулой обладает рядом отличий от простой и легкой. Так, образование кристаллов в ней начинается уже при температуре 3,82 градуса. А вот температура кипения немного выше — 101,42 градуса Цельсия. У нее больше плотность и способность к растворению веществ значительно снижена. Кроме того, ее обозначают другой формулой (D2O).
Живые системы реагируют на такое химическое соединение плохо. Лишь некоторые виды бактерий смогли в нем приспособиться к жизни. Рыбы и вовсе не выдержали такого эксперимента. В организме человека, дейтерий может находиться несколько недель, а после выводится, не причиняя вреда.
Важно! Пить дейтериевую воду – нельзя!
Уникальные свойства воды. – просто.
Вывод
Широкое применение тяжелая вода нашла в ядерной и атомной промышленности, а обычная — в повсеместном.
Основания – сложные вещества, которые состоят из катиона металла Ме + (или металлоподобного катиона, например, иона аммония NH 4 +) и гидроксид-аниона ОН — .
По растворимости в воде основания делят на растворимые (щелочи) и нерастворимые основания . Также есть неустойчивые основания , которые самопроизвольно разлагаются.
Получение оснований
1. Взаимодействие основных оксидов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только те оксиды, которым соответствует растворимое основание (щелочь). Т.е. таким способом можно получить только щёлочи:
основный оксид + вода = основание
Например , оксид натрия в воде образует гидроксид натрия (едкий натр):
Na 2 O + H 2 O → 2NaOH
При этом оксид меди (II) с водой не реагирует :
CuO + H 2 O ≠
2. Взаимодействие металлов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только щелочные металлы (литий, натрий, калий. рубидий, цезий) , кальций, стронций и барий. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, окислителем выступает водород, восстановителем является металл.
металл + вода = щёлочь + водород
Например , калий реагирует с водой очень бурно :
2K 0 + 2H 2 + O → 2K + OH + H 2 0
3. Электролиз растворов некоторых солей щелочных металлов . Как правило, для получения щелочей электролизу подвергают растворы солей, образованных щелочными или щелочноземельными металлами и бескилородными кислотами (кроме плавиковой) – хлоридами, бромидами, сульфидами и др. Более подробно этот вопрос рассмотрен в статье .
Например , электролиз хлорида натрия:
2NaCl + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 + Cl 2
4. Основания образуются при взаимодействии других щелочей с солями. При этом взаимодействуют только растворимые вещества, а в продуктах должна образоваться нерастворимая соль, либо нерастворимое основание:
либо
щелочь + соль 1 = соль 2 ↓ + щелочь
Например: карбонат калия реагирует в растворе с гидроксидом кальция:
K 2 CO 3 + Ca(OH) 2 → CaCO 3 ↓ + 2KOH
Например: хлорид меди (II) взаимодействет в растворе с гидроксидом натрия. При этом выпадает голубой осадок гидроксида меди (II) :
CuCl 2 + 2NaOH → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl
Химические свойства нерастворимых оснований
1. Нерастворимые основания взаимодействуют с сильными кислотами и их оксидами (и некоторыми средними кислотами). При этом образуются соль и вода .
нерастворимое основание + кислота = соль + вода
нерастворимое основание + кислотный оксид = соль + вода
Например , гидроксид меди (II) взаимодействует с сильной соляной кислотой:
Cu(OH) 2 + 2HCl = CuCl 2 + 2H 2 O
При этом гидроксид меди (II) не взаимодействует с кислотным оксидом слабой угольной кислоты – углекислым газом:
Cu(OH) 2 + CO 2 ≠
2. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании на оксид и воду.
Например , гидроксид железа (III) разлагается на оксид железа (III) и воду при прокаливании:
2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O
3. Нерастворимые основания не взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами.
нерастворимое оснвоание + амфотерный оксид ≠
нерастворимое основание + амфотерный гидроксид ≠
4. Некоторые нерастворимые основания могут выступать в качестве восстановителей . Восстановителями являются основания, образованные металлами с минимальной или промежуточной степенью окисления , которые могут повысить свою степень окисления (гидроксид железа (II), гидроксид хрома (II) и др.).
Например , гидроксид железа (II) можно окислить кислородом воздуха в присутствии воды до гидроксида железа (III):
4Fe +2 (OH) 2 + O 2 0 + 2H 2 O → 4Fe +3 (O -2 H) 3
Химические свойства щелочей
1. Щёлочи взаимодействуют с любыми кислотами – и сильными, и слабыми . При этом образуются средняя соль и вода. Эти реакции называются реакциями нейтрализации . Возможно и образование кислой соли , если кислота многоосновная, при определенном соотношении реагентов, либо в избытке кислоты . В избытке щёлочи образуется средняя соль и вода:
щёлочь (избыток) + кислота = средняя соль + вода
щёлочь + многоосновная кислота (избыток) = кислая соль + вода
Например , гидроксид натрия при взаимодействии с трёхосновной фосфорной кислотой может образовывать 3 типа солей: дигидрофосфаты , фосфаты или гидрофосфаты .
При этом дигидрофосфаты образуются в избытке кислоты, либо при мольном соотношении (соотношении количеств веществ) реагентов 1:1.
NaOH + H 3 PO 4 → NaH 2 PO 4 + H 2 O
При мольном соотношении количества щелочи и кислоты 2:1 образуются гидрофосфаты:
2NaOH + H 3 PO 4 → Na 2 HPO 4 + 2H 2 O
В избытке щелочи, либо при мольном соотношении количества щелочи и кислоты 3:1 образуется фосфат щелочного металла.
3NaOH + H 3 PO 4 → Na 3 PO 4 + 3H 2 O
2. Щёлочи взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами. При этом в расплаве образуются обычные соли , а в растворе – комплексные соли .
щёлочь (расплав) + амфотерный оксид = средняя соль + вода
щёлочь (расплав) + амфотерный гидроксид = средняя соль + вода
щёлочь (раствор) + амфотерный оксид = комплексная соль
щёлочь (раствор) + амфотерный гидроксид = комплексная соль
Например , при взаимодействии гидроксида алюминия с гидроксидом натрия в расплаве образуется алюминат натрия. Более кислотный гидроксид образует кислотный остаток:
NaOH + Al(OH) 3 = NaAlO 2 + 2H 2 O
А в растворе образуется комплексная соль:
NaOH + Al(OH) 3 = Na
Обратите внимание, как составляется формула комплексной соли: сначала мы выбираем центральный атом (к ак правило, это металл из амфотерного гидроксида). Затем дописываем к нему лиганды — в нашем случае это гидроксид-ионы. Число лигандов, как правило, в 2 раза больше, чем степень окисления центрального атома. Но комплекс алюминия — исключение, у него число лигандов чаще всего равно 4. Заключаем полученный фрагмент в квадртаные скобки — это комплексный ион. Определяем его заряд и снаружи дописываем нужное количество катионов или анионов.
3. Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами. При этом возможно образование кислой или средней соли , в зависимости от мольного соотношения щёлочи и кислотного оксида. В избытке щёлочи образуется средняя соль, а в избытке кислотного оксида образуется кислая соль:
щёлочь (избыток) + кислотный оксид = средняя соль + вода
либо:
щёлочь + кислотный оксид (избыток) = кислая соль
Например , при взаимодействии избытка гидроксида натрия с углекислым газом образуется карбонат натрия и вода:
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O
А при взаимодействии избытка углекислого газа с гидроксидом натрия образуется только гидрокарбонат натрия:
2NaOH + CO 2 = NaHCO 3
4. Щёлочи взаимодействуют с солями. Щёлочи реагируют только с растворимыми солями в растворе , при условии, что в продуктах образуется газ или осадок . Такие реакции протекают по механизму ионного обмена .
щёлочь + растворимая соль = соль + соответствующий гидроксид
Щёлочи взаимодействуют с растворами солей металлов, которым соответствуют нерастворимые или неустойчивые гидроксиды.
Например , гидроксид натрия взаимодействует с сульфатом меди в растворе :
Cu 2+ SO 4 2- + 2Na + OH — = Cu 2+ (OH) 2 — ↓ + Na 2 + SO 4 2-
Также щёлочи взаимодействуют с растворами солей аммония .
Например , гидроксид калия взаимодействует с раствором нитрата аммония:
NH 4 + NO 3 — + K + OH — = K + NO 3 — + NH 3 + H 2 O
! При взаимодействии солей амфотерных металлов с избытком щёлочи образуется комплексная соль!
Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее. Если соль, образованная металлом, которому соответствует амфотерный гидроксид , взаимодействует с небольшим количеством щёлочи, то протекает обычная обменная реакция, и в осадок выпадает гидроксид этого металла .
Например , избыток сульфата цинка реагирует в растворе с гидроксидом калия:
ZnSO 4 + 2KOH = Zn(OH) 2 ↓ + K 2 SO 4
Однако, в данной реакции образуется не основание, а амфотерный гидроксид . А, как мы уже указывали выше, амфотерные гидроксиды растворяются в избытке щелочей с образованием комплексных солей . Таким образом, при взаимодействии сульфата цинка с избытком раствора щёлочи образуется комплексная соль, осадок не выпадает:
ZnSO 4 + 4KOH = K 2 + K 2 SO 4
Таким образом, получаем 2 схемы взаимодействия солей металлов, которым соответствуют амфотерные гидроксиды, с щелочами:
соль амф.металла (избыток) + щёлочь = амфотерный гидроксид↓ + соль
соль амф.металла + щёлочь (избыток) = комплексная соль + соль
5. Щёлочи взаимодействуют с кислыми солями. При этом образуются средние соли, либо менее кислые соли.
кислая соль + щёлочь = средняя соль + вода
Например , гидросульфит калия реагирует с гидроксидом калия с образованием сульфита калия и воды:
KHSO 3 + KOH = K 2 SO 3 + H 2 O
Свойства кислых солей очень удобно определять, разбивая мысленно кислую соль на 2 вещества — кислоту и соль. Например, гидрокарбонта натрия NaHCO 3 мы разбиваем на уольную кислоту H 2 CO 3 и карбонат натрия Na 2 CO 3 . Свойства гидрокарбоната в значительной степени определяются свойствами угольной кислоты и свойствами карбоната натрия.
6. Щёлочи взаимодействуют с металлами в растворе и расплаве. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, в растворе образуется комплексная соль и водород , в расплаве — средняя соль и водород .
Обратите внимание! С щелочами в растворе реагируют только те металлы, у которых оксид с минимальной положительной степенью окисления металла амфотерный!
Например , железо не реагирует с раствором щёлочи, оксид железа (II) — основный. А алюминий растворяется в водном растворе щелочи, оксид алюминия — амфотерный:
2Al + 2NaOH + 6H 2 + O = 2Na + 3H 2 0
7. Щёлочи взаимодействуют с неметалами. При этом протекают окислительно-восстановительные реакции. Как правило, неметаллы диспропорционируют в щелочах . Не реагируют с щелочами кислород, водород, азот, углерод и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.):
NaOH +О 2 ≠
NaOH +N 2 ≠
NaOH +C ≠
Сера, хлор, бром, йод, фосфор и другие неметаллы диспропорционируют в щелочах (т.е. самоокисляются-самовосстанавливаются).
Например , хлор при взаимодействии с холодной щелочью переходит в степени окисления -1 и +1:
2NaOH +Cl 2 0 = NaCl — + NaOCl + + H 2 O
Хлор при взаимодействии с горячей щелочью переходит в степени окисления -1 и +5:
6NaOH +Cl 2 0 = 5NaCl — + NaCl +5 O 3 + 3H 2 O
Кремний окисляется щелочами до степени окисления +4.
Например , в растворе:
2NaOH +Si 0 + H 2 + O= NaCl — + Na 2 Si +4 O 3 + 2H 2 0
Фтор окисляет щёлочи:
2F 2 0 + 4NaO -2 H = O 2 0 + 4NaF — + 2H 2 O
Более подробно про эти реакции можно прочитать в статье .
8. Щёлочи не разлагаются при нагревании.
Исключение — гидроксид лития:
2LiOH = Li 2 O + H 2 O