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.

Оксид водорода (H 2 O), гораздо более известный всем нам под названием "вода", без преувеличения, является главной жидкостью в жизнедеятельности организмов на Земле, ибо все химико-билогические реакции проходят, либо с участием воды, либо в растворах.

Вода является вторым, после воздуха, самым важным веществом для организма человека. Прожить без воды человек может не более 7-8 суток.

Чистая вода в природе может существовать в трех агрегатных состояниях: в твердом - в виде льда, в жикдом, собственно вода, в газообразном - в виде пара. Таким разнообразием агрегатных состояний в природе больше не может похвастаться ни одно вещество.

Физические свойства воды

• при н.у. - это жидкость без цвета, запаха и вкуса;
• вода обладает высокой теплоёмкостью и низкой электропроводностью;
• температура плавления 0°C;
• температура кипения 100°C;
• максимальная плотность воды при 4°C равна 1 г/см 3 ;
• вода - хороший растворитель.

Строение молекулы воды

Молекула воды состоит из одного атома кислорода, который соединен с двумя атомами водорода, при этом связи O-H образуют угол в 104,5°, при при этом общие электронные пары смещены к атому кислорода, который более электроотрицателен по сравнению с атомами водорода, поэтому, на атоме кислорода формируется частичный отрицательный заряд, соответственно, на атомах водорода - положительный. Таким образом, молекулу воды можно рассматривать, как диполь.

Молекулы воды могут между собой образовывать водородные связи, притягиваясь противоположно заряженными частями (на рисунке водородные связи показаны пунктиром):

Формирование водородных связей объясняет высокую плотность воды, температуру ее кипения и плавления.

Количество водородных связей зависит от температуры - чем выше температура, тем меньшее кол-во связей образуется: в парах воды присутствуют только отдельные ее молекулы; в жидком состоянии - образуются ассоциаты (H 2 O) n , в кристаллическом состоянии каждая молекула воды связана с соседними молекулами четырьмя водородными связями.

Химические свойства воды

Вода "охотно" вступает в реакции с другими веществами:

• с щелочными и щелочноземельными металлами вода реагирует при н.у.: 2Na+2H 2 O = 2NaOH+H 2
• с менее активными металлами и неметаллами вода реагирует только при высокой температуре: 3Fe+4H 2 O=FeO → Fe 2 O 3 +4H 2 C+2H 2 O → CO 2 +2H 2
• с основными оксидами при н.у. вода реагирует с образованием оснований: CaO+H 2 O = Ca(OH) 2
• с кислотными оксидами при н.у. вода реагирует с образованием кислот: CO 2 +H 2 O = H 2 CO 3
• вода является главным участником реакций гидролиза (подробнее см. Гидролиз солей);
• вода участвует в реакциях гидратации, присоединяясь к органическим веществам с двойными и тройными связями.

Растворимость веществ в воде

• хорошо растворимые вещества - в 100 г воды растворяется более 1 г вещества при н.у.;
• малорастворимые вещества - в 100 г воды растворяется 0,01-1 г вещества;
• практически нерастворимые вещества - в 100 г водры растворяется менее 0,01 г вещества.

Совершенно нерастворимых веществ в природе не существует.

Вода (оксид водорода) - химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. Химическая формула: Н 2 O. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном - водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды). В природных условиях всегда содержит растворенные вещества (соли, газы).

Имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Является наиважнейшим пищевым веществом для всех живых существ на планете Земля.

Физические свойства

В нормальных атмосферных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами, и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии. В составе каждой молекулы Ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей - две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Комбинация этих связей между молекулами воды - полярной и водородной и определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 Бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма.

Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные - атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества. Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Химические свойства

Вода химически довольно активное вещество . Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частностигидролиз, 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, метилнатрий 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.

Вода и спорт

Спортсмены должны потреблять жидкость, но сколько именно воды нужно потреблять?

Количество воды или другой жидкости, которое вам необходимо до, во время и после физических упражнений во многом зависит от интенсивности и продолжительности этих упражнений. Но есть и другие факторы, такие как температура воздуха, влажность, высота и даже ваша собственная физиология. Все это может повлиять на то, сколько воды вам нужно на время тренировки.

Сколько же воды нужно потреблять ежедневно?

Если вы регулярно тренируетесь, то вам, вероятно, понадобится выпивать от половины до целой унции воды (или другой жидкости) на каждый фунт веса тела в день.

Чтобы определить базовый диапазон потребности в воде, используйте следующую формулу:

Низший предел диапазона = масса тела (кг) х 0,5 = (унции жидкости / день)
Высший предел диапазона = масса тела (кг) х 1 = (унции жидкости / день)

Когда пить воду во время занятий спортом?

Начинайте свой день с большого стакана воды каждое утро, независимо от того, собираетесь ли вы заниматься спортом или будете отдыхать. На время тренировочных дней действует следующий график, который эффективен для большинства спортсменов:

1. Перед упражнениями
   Выпивайте две-три чашки воды в течение двух часов до тренировки. Взвешивайтесь непосредственно перед началом тренировок.
2. Во время тренировки
   Выпивайте одну чашку воды каждые 15 минут.
3. После упражнений
   Взвешивайтесь сразу после окончания тренировки.
   Выпивайте две-три чашки воды на каждый фунт веса тела, который вы потеряли во время упражнений.

Сколько воды следует потреблять во время силовых упражнений?

Если ваша тренировка длится более 90 минут при интенсивности от умеренной до высокой, вам необходимо потреблять нечто большее, чем простую воду. Вам нужно пополнить запасы гликогена с помощью простых углеводов. Спортивные напитки являются наиболее простым способом получения необходимой энергии. Для более продолжительных тренировок выбирайте напитки от 60 до 100 калорий на восемь унций и потребляйте от восьми до десяти граммов каждые 15 - 30 минут.

Для тех, кто находится в экстремальных условиях в течение трех, четырех или пяти часов придется заменить электролиты. Комплексные спортивные напитки и специальные продукты питания помогут снабдить ваш организм калориями и электролитами, необходимыми для непрерывной работы.

• В среднем в организме растений и животных содержится более 50 % воды.
• В составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем количество воды в Мировом океане.
• При средней глубине в 3,6 км Мировой океан покрывает около 71 % поверхности планеты и содержит 97,6 % известных мировых запасов свободной воды.
• Если бы на Земле не было впадин и выпуклостей, вода покрыла бы всю Землю, и её толщина была бы 3 км.
• Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой.
• Морская вода при обычной её солёности 35 ‰ замерзает при температуре −1,91 °C.
• Иногда вода замерзает при положительной температуре.
• При определённых условиях (внутри нанотрубок) молекулы воды образуют новое состояние, при котором они сохраняют способность течь даже при температурах, близких к абсолютному нулю.
• Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег - около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света.
• Синий цвет чистой океанской воды объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде.
• С помощью капель воды из кранов можно создать напряжение до 10 киловольт, опыт называется «Капельница Кельвина».
• Существует следующая поговорка с использованием формулы воды - H2O: «Сапоги мои того - пропускают H2O». Вместо сапог в поговорке может участвовать и другая дырявая обувь.
• Вода - это одно из немногих веществ в природе, которые расширяются при переходе из жидкой фазы в твёрдую (кроме воды, таким свойством обладают висмут, галлий, германий и некоторые соединения и смеси).
• Вода и водяной пар горят в атмосфере фтора. Смеси водяного пара со фтором в пределах взрывчатых концентраций взрывоопасны. В результате этой реакции образуются фтороводород и элементарный кислород.

Важнейшими производными кислорода являются его соединения с водородом - вода Н2О и Н2О2.
Рассмотрим оба соединения и в первую очередь наиболее распространенное из них - воду.

О строении молекулы воды и полярном характере связи между атомами водорода и кислорода говорилось в . воды равен 18. В газообразном состоянии (в виде пара) вода легче воздуха, средний которого 29. Однако в обычных условиях вода - это жидкость, которая обладает значительно большей плотностью. Это объясняется тем, что молекулы воды объединены (ассоциированы) между собой дополнительно особым видом связи - водородной связью.

Водородная связь названа так потому, что обязательно требует наличия иона водорода. В молекуле воды, где общие электронные пары сильно смещены к кислороду, атомы водорода практически лишены электронов и представляют собой оголенное ядро. Такое ядро (у водорода это протон) притягивается электронными оболочками атомов кислорода соседних молекул, и образуется связь между молекулами. В отличие от остальных видов химической связи, обозначаемых в структурных формулах черточками, водородная связь обозначается пунктиром

Водородная связь отличается от химической. Она намного слабее последней. Однако водородную связь нельзя считать просто межмолекулярным сцеплением, она намного прочнее.
Водородная связь может возникать не только между молекулами воды. Она часто встречается в органических веществах.

■ 30. Объясните механизм образования водородной связи.
31. Перечислите известные вам типы химической связи.
32. По какому типу химической связи построена молекула воды?
33. Чем вызвана ассоциация молекулы воды?

По физическим свойствам вода — это жидкость, не имеющая цвета, вкуса и запаха.
Наибольшую плотность (1 г/см3) вода имеет при 4°. При понижении и повышении температуры плотность воды уменьшается (поэтому лед плавает на воде). Температура плавления льда 0° и кипения воды 100° являются основными точками стоградусной шкалы температур. Вода является прекрасным растворителем жидкостей, газов и твердых веществ. Вода очень плохо проводит электрический ток. Удельная теплоемкость воды самая большая среди всех твердых и жидких веществ.

Вода в природе

Вода очень широко распространена в природе. Примерно 3/4 поверхности земного шара заняты водой. Это океаны, моря, наземные текучие пресные воды, озера, пресные и соленые, ледники, подземные воды, водяной пар; постоянно в большем или меньшем количестве присутствующий в атмосфере, а также кристаллизационная вода, входящая в состав кристаллогидратов.

Поскольку вода является хорошим растворителем, в природных водах всегда содержатся в растворенном виде разнообразные . Морская вода содержит в растворенном состоянии множество различных солей, в том числе NaCl, сульфат магния MgSO4 и др., которые придают ей горько-соленый . Подземные воды, протекающие по горным породам, растворяют различные , и эти растворы, выходящие на поверх-ность, называются минеральными источниками.

Особенно много минеральных источников на Кавказе. С воды углекислых источников улучшают и . В этих водах растворен под давлением углекислый газ. Сернистые воды в Мацесте и Пятигорске бывают холодными и горячими, содержат и . Сероводородные ванны понижают кровяное давление, улучшают работу сердца. Железистые воды Железноводска, Липецка рекомендуются для принятия Внутрь при малокровии. Известковые воды Кисловодска применяются при заболеваниях почек, Воды теплых источников Забайкалья и Туркестана используются в натуральном виде для ванн при общей слабости организма, нервных заболеваниях, кожных болезнях и пр.

Если подземные воды находятся вблизи очагов вулканической деятельности, вода выходит на поверхность горячей в виде так называемых гейзеров. Считают, что в глубинах земной коры имеется огромное количество горячей воды. Ее можно использовать как очень дешевый источник тепловой энергии.

С воды началась жизнь на земле которую мы знаем сейчас, является средой для жизни водных организмов, но она; необходима решительно всем живым организмам, которые без воды не могут существовать. Протоплазма любой клетки представляет собой коллоидный раствор белка в воде. В составе тела человека находится 65% воды. Если организм человека потеряет 20% воды, изменения, происходящие в клетках, становятся необратимыми, и человек погибает. Без пищи человек может прожить 30-40 суток, а без воды,- не более 7 суток. Жизнь растений без воды также невозможна. Вода для зеленых растений является необходимым компонентом для фотосинтеза.

■ 34. В какой состоянии и где вода встречается в природе? Запишите это в тетрада.

35. Что представляют собой минеральные источники состав состав их воды, каково применение в медицине?

Химические свойства воды

Вода является безразличным окислом. Вода - чрезвычайно слабый электролит, диссоциирующий по схеме:
Н2О ⇄ Н + + ОН —
Некоторые наиболее активные (Na, К, Са, Ва, Аl) могут вытеснять из воды :
2Na + 2Н2O = 2NaOH + H2
2Na + 2Н + + 2OH — = 2Na + + 2OН — + H2
2Na + 2H + = 2Na + + H2
Раскаленное разлагает воду с выделением водорода и образованием окалины:
3Fe + 4Н2O = Fe3O5 + 4Н2

перегретый пар

Элементы, обладающие более сильными, чем , окислительными свойствами, например , вытесняют из воды:
Cl 0 2 + H2O -2 = 2HCl -1 +
Cl 0 2 + 2е — → 2Сl -1
О -2 - 2e — → O 0
Раскаленный уголь разлагает воду, образуя водяной газ, представляющий собой в основном смесь водорода с окисью углерода
С + Н2О =СО + Н2
Вода может реагировать с основными и кислотными окислами, образуя основания и кислоты, г Выделение тепла при растворении в воде едких щелочей и серной кислоты объясняется также происходящими между водой и этими веществами химическими реакциями присоединения воды.

Вода может вступать в реакцию с солями, образуя кристаллогидраты. Например, медный купорос, имеющий голубой цвет, является продуктам соединения белого сульфата меди с водой по-уравнению:
CuSO4 + 5H2O = СuSO4 = 5H2O + Q

Вода является веществом, весьма стойким химически, однако может разлагаться под действием электрического тока.

Вода активно вступает в реакции гидролиза со сложными неорганическими и органическими веществами.

■ 36. Почему воду относят к числу безразличных окислов?
37. Вполне ли правильно выражение «натрий растворяется в воде»?
38. Напишите уравнения реакций взаимодействия с водой основных и кислотных окислов. С какими из них вода не реагирует?
39. Для какой дели воду подвергают электролизу?
40. Вода реагирует с солями с образованием кристаллогидратов. Напишите уравнение реакции образования кристаллогидрата. Какого иного характера взаимодействие возможно между водой и солями?
41. В сосуд с 200 г воды поместили 9,2 г натрия. Какое вещество при этом образовалось? Растворимо ли оно? Если растворимо, какова его процентная концентрация в полученном растворе?
42. К 50 г 30% серной кислоты добавили 5 г серного ангидрида. Какой стала концентрация серной кислоты?
43. Среди перечисленных в свойств воды укажите те, которые можно использовать для получения водорода.
44. Какой объем водорода может быть получен при взаимодействии 5 кг железа с перегретым паром, если 10% веса железа прихо дится на окалину, а 20% полученного водорода теряются?
45. Сколько окиси меди можно восстановить водородом, полученным в предыдущей задаче?

Вода, входящая в состав кристаллов, называется кристаллизационной водой. Она химически связана с веществом и придает кристаллу соответствующие свойства. Например медный кynopoc,CuSО4 · 5H2O в виде кристаллогидрата с пятью молекулами воды имеет ярко-голубую окраску, которую он теряет при прокаливании вследствие удаления кристаллизационной воды (рис. 45). Природный CaSО4 · 2H2О при слабом нагревании отделяет одну молекулу воды, превращаясь в соединение состава 2CaSО4 · H2O, называемое полуводным гипсом. Этот обладает способностью «схватываться», т. е. при смешивании с водой присоединять к себе недостающую молекулу воды и затвердевать, образуя двуводный CaSО4 · 2H2О:
2CaSО4 · H2O + 3H2O = 2(CaSO4 · 2H2O)
Эта реакция нашла широкое применение в медицине при наложении гипсовых повязок.
Однако если гипс прокалить до полного удаления воды
CaSO4 · 2H2O2= CaSO4 + 2Н2O

Рис. 45. Обезвоживание медного купороса 1- медный купорос 2- выделяемая при нагревании вода

то реакция становится необратимой и вода к сульфату кальция больше не присоединяется.
Кристаллогидраты - это химические соединения соли с водой. Их причисляют к комплексным соединениям. Можно назвать еще много кристаллогидратов, например глауберову соль
Na2SО4 · 10H2O, железный купорос FeSО4 · 7H2Ои др.

■ 46. Сколько нужно взять воды и кристаллогидрата Na2SO4 · 10H2O, чтобы приготовить 200 г 3% раствора сульфата натрия?
47. В лаборатории для абсолютирования спирта применяют безводный , с которым кипятят спирт, пока не приобретет голубую окраску. Какая реакция происходит При этом? Насколько увеличится вес 25 г сульфата меди, если считать, что 75% сульфата превратилось в медный купорос?
Сколько процентов воды содержалось в спирте, если абсолютированию подверглось 150 г спирта.
48. 20 a FеSО4 · 7H2O растворили 180 г воды. Какова концентрация полученного раствора?
49. Что такое двуводный гипс, полуводный гипс? Какое применение они находят в медицине?
50. Какая вода называется кристаллизационной?

Способы очистки природных вод

Природная вода не всегда удовлетворяет всем требованиям, которые к ней предъявляются человеком. Поэтому для различных целей вода подвергается разной обработке.
Питьевая вода должна быть частой, прозрачной, без запаха и не содержать болезнетворных бактерий. Природная вода, предназначенная для питья, поступает на водоочистительные станции городского водопровода, где ока проходит через систему очистных сооружений (рис. 46). Сначала она проходит через металлические фильтры для

очистки от механических примесей, затем поступает в отстойники, где постепенно оседают загрязняющие ее мелкие частицы. Для ускорения их оседания в отстойники обычно добавляют коагулянт - вещество, заставляющее взвеси и коллоидные частицы коагулировать и оседать. В качестве коагулянта применяется хлорид алюминия AlCl3 или сульфат алюминия Al2(SO4)3.

Рис. 46. Система очистных сооружений водоочистительной станции. 1-фильтр; 2-отстойник; 3-смесители; 4 — перекачка; 5 — засос воды; 6 - хлорирование; 7 -осадок; 8 - добавление квасцов.

После отстаивания вода фильтруется через песок, костный уголь и тканевые фильтры, после чего в ней остаются растворимые соли и микроорганизмы, среди которых могут оказаться болезнетворные бактерии. Для их уничтожения в воду добавляют немного хлорной воды в количестве, которое убивает бактерий, но безвредно для человека. После этого вода поступает в так называемые резервуары чистой воды, где выдерживается некоторое время для того, чтобы полностью проявилось действие хлора. Очищенная вода по водопроводу поступает к потребителям.

В сельских местностях обычно вода не проходит такой сложной системы очистки, а берется прямо из колодцев или других природных водоемов. Такую воду необходимо кипятить, а в случае массовых желудочно-кишечных заболеваний в нее нужно добавлять небольшое количество раствора хлорной извести.

Рис. 47.
1- колба Вюрца с водой; 2-водяной холодильник Либиха: 3 - алонж; 4- сосуд-приёмник для дистиллированной, воды; 5 — термометр.

В химических лабораториях и медицине применяется дистиллированная вода. Для полного удаления солей воду перегоняют в так называемых перегонных кубах. Принцип перегонки воды можно наблюдать на лабораторной установке (рис. 47). Вода кипит в колбе. Получающийся, пар по газоотводной трубке поступает в водяной холодильник Либиха 2, где пар конденсируется и стекает через алонж 3 в сосуд-приемник 4. Полученная вода называется дистиллированной. Она совершенно не содержит солей и ее вредно применять для питья. Дистиллятор устроен по тому же принципу (рис. 48).

Рис. 48.

■ 51. Что такое дистилляция и для каких целей используют дистиллированную воду? 52. Какие требования предъявляют к питьевой воде? 53. Каким образом можно очистить воду: а) от механических загрязнений; б) от растворенных солей; в) от коллоидных частиц?

§ 54. Перекись водорода

— более богатый кислородом окисел по сравнению с водой. Формула перекиси H2О2, но это не значит, что в данном соединении одновалентен. В молекуле перекиси водорода между двумя атомами кислорода имеется одна общая электронная пара. Соединенные таким образом атомы кислорода содержатся не только в перекиси водорода, но и в любой другой перекиси и называются «перекисной цепочкой»

Наличие перекисной цепочки делает молекулу не-прочной. Действительно, при самых незначительных воздействиях - хранении в освещенном помещении, нагревании, действии катализатора МnО2 - перекись водо-рода разлагается, превращаясь в воду, с выделением кислорода
2Н2О2 = 2Н2O + О2
Эта реакция может сопровождаться взрывом.
30% раствор перекиси водорода носит название пергидроля.

При попадании на кожу он может причинить сильные ожоги. Чистая имеет плотность 1,46 г/с3 и температуру замерзания -1,7°. Раствор перекиси водорода имеет кислую реакцию, что дает основание рассматривать ее как весьма слабую двухосновную кислоту.
Некоторые перекиси металлов, например Na2O2; ВаО2, можно рассматривать не только как , но и как своеобразные соли перекиси водорода. Из этих соединений можно получить перекись водорода действием более сильной кислоты:
ВаО2 + H2SO4 = BaSO4 + H2O2

О поведении перекиси водорода в окислительно-восстановительных реакциях говорится в § 32. При взаимодействии с органическими веществами перекись водорода ведет себя как . Безводная перекись водорода вызывает ожоги и самовоспламенение горючих материалов. При ожогах перекисью водорода на коже появляется характерное белое пятно» а затем может образоваться язва. Мерой первой помощи, как и при ожогах кислотами, является промывание большим количеством воды.

Перекись водорода применяют как дезинфицирующее средство в медицине для полосканий, промываний и как кровоостанавливающее средство в виде 3% раствора. Кроме того, ее используют для отбеливания волос, шерсти, шелка, рога и т. д. Перекись водорода используют также для реставрации картин, написанных свинцовыми белилами, которые постепенно темнеют на воздухе, так как под действием сероводорода воздуха в краске образуется сульфид свинца черного цвета. Перекись водорода окисляет сульфид свинца в сульфат но схеме:
PbS + H2O2 → PbSO4 + H2O
Такие картины протирают слабым раствором перекис» водорода.
Хранить перекись водорода следует в склянках темного стекла в прохладном помещении, в темноте, чтобы замедлить постоянно идущий распад.

■ 54. Приведите примеры реакций, в которых перекись водорода проявляла бы свойства окислителя.

55, Приведите примеры реакций, в которых перекись водорода проявляла бы свойства восстановителя.

56. Где и как следует хранить перекись водорода в лабораторий? Почему?
57. Каковы меры первой помощи при ожогах перекисью водорода?

58. В присутствии двуокиси марганца из перекиси водорода можно получить кислород. Нарисуйте прибор, в котором можно использовать этот процесс.

59. Сколько граммов перекиси бария потребуется для получения 5 молей чистой перекиси водорода?
60. Перекись водорода диссоциирует по типу кислот. Напишите уравнение двуступенчатой диссоциации этой кислоты.

61. Где и как применяется перекись водорода в как это связано с её свойствами?

Воздух

Наша планета окружена воздухом, который необходим для дыхания всем живущим на земле существам. За сутки человек пропускает через свои легкие около 13 000 л воздуха.
Воздушная оболочка земли носит название атмосферы (от слов «атмос» - воздух, «сфайра» - шар). В воздухе содержится 78% (объемных) азота, 21% кислорода, 0,96%

Рис. 49. Диаграмма состава воздуха

Инертных газов, главным образом аргона и неона, а так же гелия, криптона и ксенона, 0,03-0,04% двуокиси углерода и 0,01% водорода. Состав воздуха приведен на рис. 49. Средний воздуха равен 29 у. е.
Помимо этого, в состав атмосферы входят случайные примеси, а также переменные составляющие - водяной пар, азота, озон, а также пыль и местные загрязнения воздуха, возникающие Иногда при интенсивной работе предприятий в определенном районе, а также при работе транспорта.

Количество пыли в воздухе может быть очень велико, особенно в больших городах. Пыль нарушает прозрачность воздуха и способствует образованию туманов, так как на пылинках конденсируются капельки воды. В воздухе могут находиться различные микроорганизмы. Среди них могут быть и болезнетворные. Отсюда ясно, какое значение имеет очистка воздуха в городах, как,важно следить за тем, чтобы воздух не загрязняли Промышленные предприятия и транспорт.
Для очистки воздуха внутри помещений применяются специальные аппараты кондиционирования воздуха: его фильтруют, увлажняют до нужного состояния, избавляют от пыли и бактерий и поддерживают наиболее благоприятную температуру.
1 м3 воздуха при 0° весит 1,293 кг, с увеличением высоты плотность воздуха становится меньше. При -193° воздух переходит в жидкое состояние. Поскольку воздух- это смесь газов с разными температурами кипения, его можно разделить на составные части по температурам кипения или, как говорят, подвергнуть фракционной перегонке.

Широко используется энергия сжатого воздуха, который получают повышением давления атмосферного воздуха с помощью компрессоров. При вдувании сжатого воздуха в домну подача кислорода увеличивается и горение становится более интенсивным.
Жидкий воздух представляет собой голубоватую мутную жидкость. Голубую окраску придает ему жидкий кислород, а мутным он бывает потому, что при температуре жидкого воздуха углекислота становится твердой. Если ее отфильтровать, то воздух будет прозрачным.
Под влиянием низкой температуры жидкого воздуха некоторые тела приобретают особые, совершенно новые свойства. Например, приобретает упругость стали, становится настолько твердой, что изготовленным из нее молотком можно забивать гвозди, резина становится хрупкой, как , и от удара разбивается на части. Многие при температуре жидкого воздуха приобретают свойства сверхпроводимости. Если возбудить в металлическом кольце электрический ток, то подключенный к нему гальванометр очень долго будет показывать наличие электрического тока.

Интересно, что большая часть бактерий в жидком воздухе не погибает, а погружается в состояние анабиоза.
Если пропитать жидким воздухом горючий материал, который в обычном воздухе либо не воспламеняется, либо горит очень слабо, например опилки или угольный порошок, то при поджигании они моментально сгорают с выделением большого количества газов, поэтому жидкий воздух широко применяют при взрывных работах. Для этого картонные патроны набивают опилками, укладывают во взрывные камеры, пропитывают жидким возду-хом и поджигают. Происходит сильный взрыв. Если взрыв не произошел, то через некоторое время воздух из патрона испаряется, и он снова становится безопасным в отличие от любой другой взрывчатки.

Получают жидкий воздух при высоком давлении и низкой температуре.
Сжатый воздух используется в пневматических приборах и различном пневматическом оборудовании, а так-же при кессонных работах. Кессон - это огромный воз-духо- и водонепроницаемый бетонный ящик, внутри ко-торого могут находиться несколько человек. С одной стороны кессон открыт. Его опускают открытой стороной в воду до самого дна, укрепляют грузом, чтобы он не всплывал, и сжатым воздухом вытесняют из него воду. Для вытеснения воды давление воздуха в кессоне доводят до 4 атм. При таком давлении воздух в большом количестве растворяется в крови. При резком уменьшении давления, например при подъеме на поверхность, избыток его быстро выходит из крови в виде пузырьков, которые могут закупорить кровеносные сосуды и даже дойти до сердца. В тяжелых случаях эта так называемая кессонная болезнь может привести к смертельному исходу. Поэтому подъем из кессона осуществляется постепенно, чтобы раствоеренный воздух выходил небольшими порциями.

11.1. Физическое растворение

При попадании какого-либо вещества в воду оно может:
а) раствориться в воде, то есть перемешаться с ней на атомно-молекулярном уровне;
б) вступить с водой в химическую реакцию;
в) не раствориться и не прореагировать.
От чего же зависит результат взаимодействия вещества с водой? Естественно, от характеристик вещества и от характеристик воды.
Начнем с растворения и рассмотрим, какие характеристики воды и взаимодействующих с ней веществ имеют наибольшее значение в этих процессах.
Поместим в две пробирки по небольшой порции нафталина С 10 Н 8 . Нальем в одну из пробирок воду, а в другую – гептан С 7 Н 16 (можно вместо чистого гептана использовать бензин). Нафталин в гептане растворится, а в воде – нет. Проверим, действительно ли нафталин растворился в гептане или прореагировал с ним. Для этого поместим несколько капель раствора на стекло и подождем, пока гептан испарится – на стекле образуются бесцветные пластинчатые кристаллики. В том, что это нафталин, можно убедиться по характерному запаху.

Одно из отличий гептана от воды в том, что его молекулы неполярны, а молекулы воды полярны. Кроме того, между молекулами воды есть водородные связи, а между молекулами гептана их нет.

Для растворения нафталина в гептане требуется разорвать слабые межмолекулярные связи между молекулами нафталина и слабые межмолекулярные связи между молекулами гептана. При растворении образуются столь же слабые межмолекулярные связи между молекулами нафталина и гептана. Тепловой эффект такого процесса практически равен нулю.
За счет чего же нафталин растворяется в гептане? Только за счет энтропийного фактора (растет беспорядок в системе нафталин – гептан).

Для растворения нафталина в воде необходимо, кроме слабых связей между его молекулами, разорвать водородные связи между молекулами воды. При этом водородные связи между молекулами нафталина и воды не образуются. Процесс получается эндотермическим и настолько энергетически невыгодным, что энтропийный фактор здесь помочь не в силах.
А если вместо нафталина взять другое вещество, молекулы которого способны образовывать водородные связи с молекулами воды, то будет ли такое вещество растворяться в воде?
Если нет других препятствий, то будет. Например, вы знаете, что сахар (сахароза С 12 Н 22 О 11) прекрасно растворим в воде. Посмотрев на структурную формулу сахарозы, вы увидите, что в ее молекуле есть группы –О–Н, способные образовывать водородные связи с молекулами воды.
Убедитесь экспериментально, что сахароза малорастворима в гептане, и попробуйте самостоятельно объяснить, почему так различаются свойства нафталина и сахарозы.
Растворение нафталина в гептане и сахарозы в воде называют физическим растворением .

Физически растворяться могут только молекулярные вещества.

Другие компоненты раствора называются растворенными веществами .

Выявленные нами закономерности относятся и к случаям растворения в воде (да и в большинстве других растворителей) жидких и газообразных веществ. Если все вещества, образующие раствор, до растворения находились в одном агрегатном состоянии, то растворителем обычно называют то вещество, которого в растворе больше. Исключение из этого правила – вода: ее обычно называют растворителем, даже если ее меньше, чем растворенного вещества.
Причиной физического растворения вещества в воде может быть не только образование водородных связей между молекулами растворяемого вещества и воды, но и образование других видов межмолекулярных связей. Так бывает прежде всего в случае растворения в воде газообразных веществ (например, углекислого газа или хлора), в которых молекулы вообще не связаны друг с другом, а также некоторых жидкостей с очень слабыми межмолекулярными связями (например, брома). Выигрыш в энергии достигается здесь за счет ориентации диполей (молекул воды) вокруг полярных молекул или полярных связей в растворяемом веществе, а в случае хлора или брома –вызван склонностью к присоединению электронов атомов хлора и брома, сохраняющейся и в молекулах этих простых веществ (подробнее –в § 11.4).
Во всех этих случаях вещества значительно хуже растворяются в воде, чем при образовании водородных связей.
Если из раствора удалить растворитель (например так, как вы это делали в случае раствора нафталина в гептане), то растворенное вещество выделится в химически неизменном виде.

ФИЗИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ, РАСТВОРИТЕЛЬ.
1.Объясните, почему гептан нерастворим в воде
2.Подскажите знак теплового эффекта растворения в воде этилового спирта (этанола).
3.Почему аммиак хорошо растворим в воде, а кислород – плохо?
4.Какое вещество лучше растворимо в воде – аммиак или фосфин (PH 3)?
5.Объясните причину лучшей растворимости в воде озона, чем кислорода.
6.Определите массовую долю глюкозы (виноградного сахара, С 6 Н 12 О 6) в водном растворе, если для его приготовления использовали 120 мл воды и 30 г глюкозы (плотность воды примите равной 1 г/мл). Какова концентрация глюкозы в этом растворе, если плотность раствора равна 1,15 г/мл?
7.Сколько сахара (сахарозы) можно выделить из 250 г сиропа с массовой долей воды, равной 35 %?.

1. Опыты по растворению различных веществ в различных растворителях.
2. Приготовление растворов.

11.2. Химическое растворение

В первом параграфе мы рассмотрели случаи растворения веществ, при которых химические связи оставались неизменными. Но так бывает далеко не всегда.
Поместим в пробирку несколько кристаллов хлорида натрия и добавим воду. Через некоторое время кристаллы растворятся. Что произошло?
Хлорид натрия – вещество немолекулярное. Кристалл NaCl состоит из ионов Na и Cl . При попадании такого кристалла в воду в нее переходят эти ионы. При этом рвутся ионные связи в кристалле и водородные связи между молекулами воды. Попавшие в воду ионы вступают во взаимодействие с молекулами воды. В случае хлорид-ионов это взаимодействие ограничивается электростатическим притяжением дипольных молекул воды к аниону, а в случае катионов натрия оно приближается по своей природе к донорно-акцепторному. Так или иначе, ионы покрываются гидратной оболочкой (рис. 11.1).

В виде уравнения реакции это можно записать так:

NaCl кр + (n + m )H 2 O = + A

или сокращенно , где индекс aq означает, что ион гидратирован . Такое уравнение называют ионным уравнением .

Можно записать и "молекулярное" уравнение этого процесса:(такое название сохранилось с тех пор, когда предполагалось, что все вещества состоят из молекул)

Гидратированные ионы слабее притягиваются друг к другу, и энергии теплового движения оказывается достаточно для того, чтобы эти ионы не слипались в кристалл.

Практически наличие ионов в растворе легко подтвердить, изучив электропроводность хлорида натрия, воды и получившегося раствора. Вы уже знаете, что кристаллы хлорида натрия электрический ток не проводят, потому что в них хоть и есть заряженные частицы – ионы, но они " закреплены" в кристалле и не могут двигаться. Вода проводит электрический ток очень плохо, потому что в ней хоть и образуются за счет автопротолиза ионы оксония и гидроксид-ионы, но их очень мало. Раствор хлорида натрия, наоборот, хорошо проводит электрический ток, потому что в нем много ионов, и они могут свободно двигаться, в том числе под действием электрического напряжения.
Для разрыва ионных связей в кристалле и водородных связей в воде необходимо затратить энергию. При гидратации ионов энергия выделяется. Если затраты энергии на разрыв связей превышают энергию, выделяющуюся при гидратации ионов, то растворение эндотермическое , а если наоборот, то – экзотермическое.
Хлорид натрия растворяется в воде с практически нулевым тепловым эффектом, следовательно, растворение этой соли происходит только за счет увеличения энтропии. Но обычно растворение сопровождается заметным выделением теплоты (Na 2 CO 3 , CaCl 2 , NaOH и др.) или ее поглощением (KNO 3 , NH 4 Cl и др.), например:

При выпаривании воды из растворов, получившихся при химическом растворении, из них вновь выделяются растворенные вещества в химически неизменном виде.

Химическое растворение – растворение, при котором происходит разрыв химических связей.

И при физическом, и при химическом растворении образуется раствор того вещества, которое мы растворяли, например, раствор сахара в воде или раствор хлорида натрия в воде. Иными словами, растворенное вещество может быть выделено из раствора при удалении воды.

ГИДРАТНАЯ ОБОЛОЧКА, ГИДРАТАЦИЯ, ХИМИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ.
Приведите по три примера хорошо известных вам веществ а) растворимых в воде или с ней реагирующих, б) не растворимых в воде и не реагирующих с ней.
2.Что является растворителем, а что растворенным веществом (или веществами) в следующих растворах: а) мыльная вода, б) столовый уксус, в) водка г) соляная кислота, д) горючее для мотоцикла, е) аптечная "перекись водорода" , ж) газированная вода, и) " зеленка" , к) одеколон?
В случае затруднения проконсультируйтесь с родителями.
3.Перечислите способы, с помощью которых можно удалить растворитель из жидкого раствора.
4.Как вы понимаете выражение " в химически неизменном виде" в последнем абзаце первого параграфа этой главы? Какие изменения могут произойти с веществом в результате его растворения и последующего выделения из раствора?
5.Известно, что жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в бензине. Исходя из этого, что можно сказать о строении молекул жиров?
6.Запишите уравнения химического растворения в воде следующих ионных веществ:
а) нитрата серебра, б) гидроксида кальция, в) йодида цезия, г) карбоната калия, д) нитрита натрия, е) сульфата аммония.
7.Запишите уравнения кристаллизации веществ из растворов, перечисленных в задании 6, при удалении воды.
8.Чем отличаются растворы, полученные при физическом растворении веществ, от растворов, полученных при химическом растворении? Что общего у этих растворов?
9.Определите массу соли, которую надо растворить в 300 мл воды, чтобы получить раствор с массовой долей этой соли, равной 0,1. Плотность воды равна 1 г/мл, а плотность раствора – 1,05 г/мл. Какова концентрация соли в полученном растворе, если ее формульная масса равна 101 Дн?
10.Сколько нужно взять воды и нитрата бария, чтобы приготовить 0,5 л 0,1 М раствора этого вещества (плотность раствора 1,02 г/мл)?
Опыты по растворению ионных веществ в воде.

11.3. Насыщенные растворы. Растворимость

Любая порция помещенного в воду хлорида натрия (или другого подобного вещества) всегда растворялась бы полностью, если бы кроме процесса растворения

не протекал бы обратный процесс – процесс кристаллизации исходного вещества из раствора:

В момент помещения кристалла в воду скорость процесса кристаллизации равна нулю, но, по мере увеличения концентрации ионов в растворе, она увеличивается и в какой-то момент становится равной скорости растворения. Наступает состояние равновесия:

образовавшийся при этом раствор называется насыщенным.

В качестве такой характеристики может быть использована массовая доля растворенного вещества, его концентрация или другая физическая величина, характеризующая состав раствора.
По растворимости в данном растворителе все вещества делятся на растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые. Обычно практически нерастворимые вещества называют просто нерастворимыми. За условную границу между растворимыми и малорастворимыми веществами принята растворимость, равная 1 г в 100 г Н 2 О (w 1 %), а за условную границу между малорастворимыми и нерастворимыми веществами – растворимость, равная 0,1 г в 100 г Н 2 О (w 0,1%).
Растворимость вещества зависит от температуры. Так как растворимость – характеристика равновесия, то ее изменение с изменением температуры происходит в полном соответствии с принципом Ле Шателье, то есть при экзотермическом растворении вещества его растворимость с увеличением температуры уменьшается, а при эндотермическом – увеличивается.
Растворы, в которых при тех же условиях растворенного вещества меньше, чем в насыщенных, называются ненасыщенными .

НАСЫЩЕННЫЙ РАСТВОР; НЕНАСЫЩЕННЫЙ РАСТВОР; РАСТВОРИМОСТЬ ВЕЩЕСТВА; РАСТВОРИМЫЕ, МАЛОРАСТВОРИМЫЕ И НЕРАСТВОРИМЫЕ ВЕЩЕСТВА.

1.Запишите уравнения равновесия в системе насыщенный раствор – осадок для а) карбоната калия, б) нитрата серебра и в) гидроксида кальция.
2.Определите массовую долю нитрата калия в насыщенном при 20 °С водном растворе этой соли, если при приготовлении такого раствора к 200 г воды прибавили 100 г нитрата калия, и при этом после окончания приготовления раствора 36,8 г нитрата калия не растворилось.
3.Можно ли при 20 °С приготовить водный раствор хромата калия K 2 CrO 4 с массовой долей растворенного вещества, равной 45 %, если при этой температуре в 100 г воды растворяется не более 63,9 г этой соли.
4.Массовая доля бромида калия в насыщенном водном растворе при 0 °С равна 34,5 %, а при 80 °С – 48,8 %. Определите массу бромида калия, выделившегося при охлаждении до 0 °С 250 г насыщенного при 80°С водного раствора этой соли.
5.Массовая доля гидроксида кальция в насыщенном водном растворе при 20 °С равна 0,12 %. Сколько литров насыщенного при этой температуре раствора гидроксида кальция (известковой воды) можно получить, имея в своем распоряжении 100 г гидроксида кальция? Плотность раствора примите равной 1 г/мл.
6.При 25 °C массовая доля сульфата бария в насыщенном водном растворе составляет 2,33·10 –2 %. Определите минимальный объем воды, необходимой для полного растворения 1 г этой соли.
приготовление насыщенных растворов.

11.4. Химические реакции веществ с водой

Многие вещества при соприкосновении с водой вступают с ней в химические реакции. В результате такого взаимодействия при избытке воды, как и при растворении, получается раствор. Но если из этого раствора удалить воду, исходного вещества мы не получим.

Какие продукты образуются при химической реакции вещества с водой? Это зависит от типа химической связи в веществе; если связи ковалентные, то от степени полярности этих связей. Кроме этого, влияние оказывают и другие факторы, с некоторыми из которых мы познакомимся.

а) Соединения с ионной связью

Большинство ионных соединений либо химически растворяются в воде, либо не растворяются. Особняком стоят ионные гидриды и оксиды, то есть соединения, содержащие те же элементы, что и сама вода, и некоторые другие вещества. Поведение ионных оксидов при контакте с водой рассмотрим на примере оксида кальция.
Оксид кальция, будучи ионным веществом, мог бы химически растворяться в воде. При этом в раствор переходили бы ионы кальция и оксид-ионы. Но двухзарядный анион – не самое устойчивое валентное состояние атома кислорода (хотя бы потому, что энергия сродства ко второму электрону всегда отрицательна, да и радиус оксид-иона сравнительно мал). Поэтому атомы кислорода стремятся понизить свой формальный заряд. В присутствии воды это оказывается возможным. Оказавшиеся на поверхности кристалла оксид-ионы взаимодействуют с молекулами воды. Эту реакцию можно представить в виде схемы, показывающей ее механизм (схемы механизма ).

Для лучшего понимания происходящего условно разделим этот процесс на этапы:
1. Молекула воды поворачивается к оксидному иону атомом водорода (противоположно заряжены).
2. Оксид-ион делится с атомом водорода неподеленной парой электронов; между ними образуется ковалентная связь (образуется по донорно-акцепторному механизму).
3. У атома водорода на единственной валентной орбитали (1s ) оказывается четыре электрона (два "старых" и два "новых"), что противоречит принципу Паули. Поэтому атом водорода отдает пару электронов связи ("старых" электронов) атому кислорода, входящему в состав молекулы воды, тем более что эта пара электронов и так была в значительной степени смещена к атому кислорода. Связь между атомом водорода и атомом кислорода разрывается.
4. За счет образования связи по донорно-акцепторному механизму формальный заряд на бывшем оксидном ионе становится равным –1 е ; на атоме кислорода, входившем прежде в состав молекулы воды, появляется заряд, также равный –1 е . Таким образом образуются два гидроксидных иона.
5. Не связанные теперь ионной связью с оксид-ионами ионы кальция переходят в раствор и гидратируются:

Положительный заряд ионов кальция как бы "размывается" по всему гидратированному иону.
6. Образовавшиеся гидроксид-ионы тоже гидратируются:

Отрицательный заряд гидроксид-иона при этом тоже "размывается".
Суммарное ионное уравнение реакции оксида кальция с водой
CaO кр + H 2 O Ca 2 aq + 2OH aq .

В растворе появляются ионы кальция и гидроксид-ионы в соотношении 1:2. То же самое получилось бы при растворении в воде гидроксида кальция. И действительно, выпарив воду и высушив остаток, мы можем получить из этого раствора кристаллический гидроксид кальция (но отнюдь не оксид!). Поэтому часто уравнение этой реакции записывают так:

CaO кр + H 2 O = Ca(OH) 2р

и называют " молекулярным " уравнением этой реакции. И в тех, и в других уравнениях буквенные индексы иногда не приводят, что часто сильно затрудняет понимание происходящих процессов, а то и просто вводит в заблуждение. Вместе с тем, отсутствие буквенных индексов в уравнениях допустимо, например, при решении расчетных задач
Кроме оксида кальция, точно также взаимодействуют с водой следующие оксиды: Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, SrO, BaO – то есть оксиды тех металлов, которые и сами реагируют с водой. Все эти оксиды относятся к основным оксидам. Остальные ионные оксиды с водой не реагируют.
Совершенно аналогично реагируют с водой и ионные гидриды, например, гидрид натрия NaH. Ион натрия только гидратируется, а гидрид-ион реагирует с молекулой воды:

В результате в растворе остается гидроксид натрия.
Ионное уравнение этой реакции

NaH кр + H 2 O = Na aq + OH aq + H 2 ,

а " молекулярное" уравнение – NaH кр + H 2 O = NaOH р + H 2 .

б) Вещества с металлической связью

В качестве примера рассмотрим взаимодействие с водой натрия.

На схемах кривая полустрелка означает передачу или перемещение о д н о г о э л е к т р о н а

Атом натрия склонен к отдаче своего единственного валентного электрона. Оказавшись в воде, он легко отдает его атому водорода молекулы воды (на нем есть значительный +) и превращается в катион натрия (Na ). Атом водорода, получив электрон, становится нейтральным (Н· ) и больше не может удержать пару электронов, связывающую его с атомом кислорода (вспомните принцип Паули). Эта пара электронов полностью переходит к атому кислорода (в молекуле воды она уже была смещена в его сторону, но только частично). Атом кислорода приобретает формальный заряд A, связь между атомами водорода и кислорода рвется, и образуется гидроксид-ион ( О– Н).
Судьба получившихся частиц различна: ион натрия взаимодействует с другими молекулами воды и, естественно, гидратируется

так же, как и ион натрия, гидратируется гидроксид-ион , а атом водорода, " дождавшись" появления другого такого же атома водорода, образует с ним молекулу водорода 2Н· = Н 2 .
Из-за неполярности своих молекул водород в воде практически нерастворим и выделяется из раствора в виде газа. Ионное уравнение этой реакции

2Na кр + 2H 2 O = 2Na aq + 2OH aq + H 2

a " молекулярное" –

2Na кр + 2H 2 O = 2NaOH р + H 2­

Так же, как натрий, при комнатной температуре с водой бурно реагируют Li, К, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba. При нагревании с ней реагирует и Mg, а также некоторые другие металлы.

в) Вещества с ковалентными связями

Из веществ с ковалентными связями с водой могут реагировать только те вещества
а) связи в которых сильно полярны, что придает этим веществам некоторое сходство с ионными соединениями, или
б) в состав которых входят атомы, обладающие очень высокой склонностью к присоединению электронов.
Таким образом, не реагируют с водой и в ней нерастворимы (или очень мало растворимы):
а) алмаз, графит, кремний, красный фосфор и другие простые немолекулярные вещества;
б) диоксид кремния, карбид кремния и другие сложные немолекулярные вещества;
в) метан, гептан и другие молекулярные вещества с малополярными связями;
г) водород, сера, белый фосфор и другие простые молекулярные вещества, атомы которых не очень склонны присоединять электроны, а также азот, молекулы которого очень прочны.
Наибольшее значение имеет взаимодействие с водой молекулярных оксидов, гидридов и гидроксидов, а из простых веществ – галогенов.
Как реагируют с водой молекулярные оксиды, мы рассмотрим на примере триоксида серы:

Молекула воды за счет одной из неподеленных пар электронов атома кислорода атакует положительно заряженный атом серы ( +) и присоединяется к нему связью O– S, на атоме кислорода при этом возникает формальный заряд B. Получив лишние электроны, атом серы перестает удерживать электронную пару одной из -связей, которая полностью переходит к соответствующему атому кислорода, на котором за счет этого возникает формальный заряд A. Затем неподеленная пара электронов этого атома кислорода акцептируется одним из атомов водорода, входившего в состав молекулы воды, который таким образом переходит от одного атома кислорода к другому. В итоге образуется молекула серной кислоты. Уравнение реакции:

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 .

Аналогично, но несколько более сложно с водой реагирует N 2 O 5 , P 4 O 10 и некоторые другие молекулярные оксиды. Все они – кислотные оксиды.
N 2 O 5 + H 2 O = 2HNO 3 ;
P 4 O 10 + 6H 2 O = 4H 3 PO 4 .

Во всех этих реакциях образуются кислоты, которые при наличии избытка воды с ней реагируют. Но, прежде чем рассмотреть механизм этих реакций, посмотрим, как реагирует с водой хлороводород – молекулярное вещество с сильно полярными ковалентными связями между атомами водорода и хлора:

Полярная молекула хлороводорода, попав в воду, ориентируется так, как это показано на схеме (разноименные заряды диполей притягиваются). Разреженная из-за поляризации электронная оболочка (1s -ЭО) атома водорода акцептирует неподеленную пару sp 3 -гибридных электронов атома кислорода, и водород присоединяется к молекуле воды, полностью отдав атому хлора пару электронов, которая связывала эти атомы в молекуле хлороводорода. В результате атом хлора превращается в хлорид-ион, а молекула воды – в ион оксония. Уравнение реакции:

HCl г + H 2 O = H 3 O aq + Cl aq .

При низких температурах из такого раствора может быть выделен кристаллический хлорид оксония (H 3 O)Cl (t пл = –15 °С).

Взаимодействие HCl и H 2 O можно представить себе и по-другому:

то есть как результат передачи протона от молекулы хлороводорода к молекуле воды. Следовательно, это кислотно-основная реакция.
Аналогично происходит взаимодействие с водой азотной кислоты

что тоже можно представит как передачу протона:

Кислоты, в молекулах которых несколько гидроксилов (OH-групп), реагируют с водой в несколько стадий (ступенчато). Пример – серная кислота.

Второй протон отщепляется значительно труднее, чем первый, поэтому вторая стадия этого процесса обратима. Сравнив величину и распределение зарядов в молекуле серной кислоты и в гидросульфат-ионе, попробуйте самостоятельно объяснить это явление.
При охлаждении из растворов серной кислоты могут быть выделены индивидуальные вещества: (H 3 O)HSO 4 (t пл = 8,5 °С) и (H 3 O) 2 SO 4 (t пл = – 40 °С).
Анионы, образующиеся из молекул кислот после отрыва одного или нескольких протонов, называются кислотными остатками.
Из молекулярных простых веществ с водой при обычных условиях реагируют только F 2 , Cl 2 , Br 2 и, в крайне незначительной степени, I 2 . Фтор бурно реагирует с водой, полностью ее окисляя:

2F 2 + H 2 O = 2HF + OF 2 .

При этом протекают также и другие реакции.
Значительно важнее реакция хлора с водой. Обладая высокой склонностью к присоединению электронов (молярная энергия сродства к электрону атома хлора равна 349 кДж/моль), атомы хлора частично сохраняют ее и в молекуле (молярная энергия сродства к электрону молекулы хлора равна 230 кДж/моль). Поэтому, растворяясь, молекулы хлора гидратируются, притягивая к себе атомы кислорода молекул воды. У некоторых из этих атомов кислорода атомы хлора могут акцептировать неподеленную пару электронов. Дальнейшее показано на схеме механизма:

Суммарное уравнение этой реакции

Cl 2 + 2H 2 O = HClO + H 3 O + Cl .

Но реакция обратима, поэтому устанавливается равновесие:

Cl 2 + 2H 2 O HClO + H 3 O + Cl .

Получившийся раствор называют " хлорной водой" . За счет присутствия в нем хлорноватистой кислоты он обладает сильными окислительными свойствами и используется в качестве отбеливающего и дезинфицирующего средства.
Вспомнив, что Cl и Н 3 О образуются при взаимодействии (" растворении") хлороводорода в воде, можно записать " молекулярное" уравнение:

Cl 2 + H 2 O HClO p + HCl p .

Аналогично с водой реагирует бром, только равновесие в этом случае сильно смещено влево. Йод же с водой практически не реагирует.

Чтобы представить себе, в какой степени хлор и бром физически растворяются в воде, а в какой – реагируют с ней, используем количественные характеристики растворимости и химического равновесия.

Мольная доля хлора в насыщенном при 20°С и атмосферном давлении водном растворе равна 0,0018, то есть на каждую 1000 молекул воды приходится примерно 2 молекулы хлора. Для сравнения, в насыщенном при тех же условиях растворе азота мольная доля азота равна 0,000012, то есть одна молекула азота приходится примерно на 100000 молекул воды. А для получения насыщенного при тех же условиях раствора хлороводорода на каждые 100 молекул воды нужно взять около 35 молекул хлороводорода. Отсюда можно сделать вывод, что хлор хоть и растворим в воде, но незначительно. Растворимость брома несколько больше – примерно 4 молекулы на 1000 молекул воды.

5.Приведите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

11.5. Кристаллогидраты

При химическом растворении ионных веществ происходит гидратация переходящих в раствор ионов. Гидратируются как катионы, так и анионы. Как правило, гидратированные катионы прочнее, чем анионы, а гидратированные простые катионы - прочнее, чем сложные. Это связано с тем, что у простых катионов есть свободные валентные орбитали, которые могут частично акцептировать неподеленные электронные пары атомов кислорода, входящих в молекулы воды.
При попытке выделить исходное вещество из раствора, удаляя воду, получить его часто не удается. Например, если мы растворим в воде бесцветный сульфат меди CuSO 4 , то получим раствор голубого цвета, который придают ему гидратированные ионы меди:

После упаривания раствора (удаления воды) и охлаждения из него выделятся кристаллы синего цвета, имеющие состав CuSO 4· 5H 2 O (точка между формулами сульфата меди и воды означает, что на каждую формульную единицу сульфата меди приходится указанное в формуле число молекул воды). Исходный сульфат меди можно получить из этого соединения, нагрев его до 250 ° С. При этом происходит реакция:

CuSO 4· 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O .

Исследование строения кристаллов CuSO 4· 5H 2 O показало, что в его формульной единице четыре молекулы воды связаны с атомом меди, а пятая – с сульфатными ионами. Таким образом, формула этого вещества – SO 4· H 2 O, а называется оно моногидрат сульфата тетрааквамеди(II), или просто " медный купорос" .
Четыре молекулы воды, связанные с атомом меди, – остаток гидратной оболочки иона Cu 2 aq , а пятая молекула воды – остаток гидратной оболочки сульфат-иона.
Аналогичное строение имеет соединение SO 4· H 2 O – моногидрат сульфата гексаакважелеза(II), или " железный купорос" .
Другие примеры:
Cl – хлорид гексааквакальция;
Cl 2 – хлорид гексааквамагния.
Эти и подобные им вещества называются кристаллогидратами , а содержащаяся в них вода – кристаллизационной водой .
Часто структура кристаллогидрата бывает неизвестна, или ее невозможно выразить обычными формулами. В этих случаях для кристаллогидратов используются упомянутые выше " формулы с точками" и упрощенные названия, например:
CuSO 4· 5H 2 O – пентагидрат сульфата меди;
Na 2 CO 3· 10H 2 O – декагидрат карбоната натрия;
AlCl 3· 6H 2 O – гексагидрат хлорида алюминия.

При образовании кристаллогидратов из исходных веществ и воды в молекулах воды не происходит разрыва связей О-Н.

Если кристаллизационная вода удерживается в кристаллогидрате слабыми межмолекулярными связями, то она легко удаляется при нагревании:
Na 2 CO 3· 10H 2 O = Na 2 CO 3 + 10H 2 O (при 120 ° С);
K 2 SO 3· 2H 2 O = K 2 SO 3 + 2H 2 O (при 200 ° С);
CaCl 2· 6H 2 O = CaCl 2 + 6H 2 O (при 250 ° С).

Если же в кристаллогидрате связи между молекулами воды и другими частицами близки к химическим, то такой кристаллогидрат или дегидратируется (теряет воду) при более высокой температуре, например:
Al 2 (SO 4) 3· 18H 2 O = Al 2 (SO 4) 3 + 18H 2 O (при 420 ° С);
СoSO 4· 7H 2 O = CoSO 4 + 7H 2 O (при 410 ° С);

или при нагревании разлагается с образованием других химических веществ, например:
2{FeCl 3· 6H 2 O} = Fe 2 O 3 + 6HCl + 9H 2 O (выше 250 ° С);
2{AlCl 3· 6H 2 O} = Al 2 O 3 + 6HCl + 9H 2 O (200 – 450 ° С).

Таким образом, взаимодействие с водой безводных веществ, образующих кристаллогидраты, может быть как химическим растворением, так и химической реакцией.

КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ
Определите массовую долю воды в а) пентагидрате сульфата меди, б) дигидрате гидроксида натрия, в) KAl(SO 4) 2· 12H 2 O (алюмокалиевых квасцах).
2.Определите состав кристаллогидрата сульфата магния, если массовая доля воды в нем равна 51,2%. 3.Какова масса воды, выделившейся при прокаливании декагидрата сульфата натрия (Na 2 SO 4· 10H 2 O) массой 644 г?
4.Сколько безводного хлорида кальция можно получить, прокаливая 329 г гексагидрата хлорида кальция?
5.Дигидрат сульфата кальция CaSO 4· 2H 2 О при нагревании до 150° С теряет 3/4 своей воды. Составьте формулу образующегося кристаллогидрата (алебастра) и запишите уравнение превращения гипса в алебастр.
6.Определите массу медного купороса и воды, которые необходимо взять для приготовления 10 кг 5 %-го раствора сульфата меди.
7.Определите массовую долю сульфата железа(II) в растворе, полученном при смешении 100 г железного купороса (FeSO 4· 7H 2 O) с 9900 г воды.
Получение и разложение кристаллогидратов.