Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность растворять вещества разной химической природы.
Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: капля камень точит.
Лишь в незначительной степени протекает электролитическая диссоциация (автодиссоциация воды) по схеме:
Н 2 О Н + + ОН -
Однако, приведённое уравнение условное: не может существовать в водной среде лишённый электронной оболочки протон Н + . Он сразу гидратируется водой до катионов оксония Н 3 О + . Однако для простоты записи обычно используется обозначение Н + .
По Бренстенду такая реакция называется автопротолизом воды:
Н 2 О + Н 2 О Н 3 О + + ОН -
Электролитическая диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры.
Образование воды из элементов по реакции:
Н 2 + 1/2 О 2 Н 2 О -242 кДж/моль для пара
286 кДж/моль для жидкой воды
При низких температурах в отсутствии катализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 550 0 С она происходит со взрывом. При понижении давления и повышении температуры равновесие сдвигается влево.
Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н + и ОН - .
Вода окисляется атомарным кислородом:
Н 2 О + О Н 2 О 2
При взаимодействии с F 2 образуется НF, а также О 2 ;О 3 ; Н 2 О 2 ; F 2 О и другие соединения. С остальными галогенами при низких температурах вода реагирует с образованием смеси кислот Н Гал. и Н Гал. О.
При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворённого в ней СI 2 и значительно меньшие количества Br 2 и J 2 . При повышенных температурах СI 2 и Br 2 разлагают воду с образованием Н Гал. и О 2 .
При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ:
Н 2 О + С СО + Н 2
При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН 4 и другими углеводородами, например:
Н 2 О + СО СО 2 + Н 2
Н 2 О + СН 4 СО + 3Н 2
Эти реакции используют для промышленного получения водорода.
Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:
6Н 2 О + 3Р 2НРО 3 + 5Н 2
Вода взаимодействует со многими металлами с образованием Н 2 и соответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами (кроме Мg) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду при повышенной температуре, например, Мg и Zn – выше 100 0 С; Fe – выше 600 0 С:
2Fe + 3H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2
При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания.
Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI 2 только в присутствии следов воды.
Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH 3 .
Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО 2 , CI 2 , (CH 2) 2 O , CHCI 3 и многими другими веществами газовые гидраты.
ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ
Вода (оксид водорода) -- бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного -- кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью (Рис. 1).
При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса с плотностью 1 г/см3. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном -- водяным паром. (Рис. 2) Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях).
Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей -- две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при -80 °С, а замерзала -- при -100 °С.
При температуре перехода в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности (большего объёма) воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (при 0 °C -- 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).
Химические свойства. 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. Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул дисоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.
Диссоциация (распадение) молекул воды на ионы:
H2O > H++OH, или 2H2O > H3O (ион гидроксия) +ОН
Реакционная способность воды сравнительно невелика. Правда, некоторые активные металлы способны вытеснять из неё водород:
2Na+2H 2O > 2NaOH+H2^,
а в атмосфере свободного фтора вода может гореть:
2F2+2H 2O > 4HF+O2.
Вода реагирует при комнатной температуре:
1) с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)
2H2O + 2Na > 2NaOH + H2
2) с фтором и межгалоидными соединениями
2H2O + 2F2 > 4HF + O2
3) с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз:
Al2S3 +6H2O > 2Al(OH)3 + 3H2S
4) с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот
5) с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метилнатрий и т. д.)
6) с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)
7) со многими солями, образуя гидраты
8) с боранами, силанами
9) с кетенами, недоокисью углерода
Вода реагирует при нагревании:
1) с железом, магнием:
2) с углем, метаном:
3) с некоторыми алкилгалогенидами
Вода реагирует в присутствии катализатора:
4) с амидами, эфирами карбоновых кислот
5) с ацетиленом и другими алкинами
6) с алкенами
7) с нитрилами
Полиацителен, его свойства и особенности
Плотность полиацетилена = 0,04-1,1 г/см, степень кристалличности 0-95%. Известны цис- и транс-формы полиацетилена; цис-форма при нагр. до 100-1500C переходит в транс-форму. Полиацетилен не растворим ни в одном из известных органических растворителей...
Кристаллическая решётка кадмия гексагональная, а = 2,97311, с = 5,60694 (при 25 °C); атомный радиус 1,56, ионный радиус Cd2+ 1,03. Плотность 8,65 г/см3 (20 °C), tпл 320,9? С, tkип 767 °C, коэффициент термического расширения 29,8Ч10-6 (при 25 °C); теплопроводность (при 0 oC) 97...
Получение фосфорнокислого цинка
Ртуть - единственный металл, жидкий при комнатной температуре. Твёрдая ртуть кристаллизуется в ромбические сингонии, а = 3,463, с = 6,706; плотность твёрдой ртути 14,193 г/см3 (-38,9 °C), жидкой 13,52 г/см3 (20 °C), атомный радиус 1,57, ионный радиус Hg2+ 1,10; tпл - 38...
Серебро: свойства и сферы применения
Серебро - металл красивого белого цвета, обладает наивысшей среди металлов электро- и теплопроводностью, лучшей отражательной способностью, особенно в инфракрасном и видимом свете...
Фармацевтический анализ производных изохинолина (папаверина гидрохлорид)
Папаверина гидрохлорид представляет собой белый кристаллический порошок со слегка горьковатым вкусом, без запаха. Температура плавления -- 225єС. Хорошо растворяется в воде, плохо -- в этиловом спирте, хлороформе, диэтиловом эфире...
Фармацевтический анализ производных пиридина (никотиновая кислота)
Никотиновая кислота чистом виде представляет собой бесцветные кристаллы игольчатой формы, легко растворимые в воде и спирте. Она термостабильна и сохраняет свою биологическую активность при кипячении и автоклавировании...
Фармацевтический анализ производных фурана (фурагин)
Фурагин - бесцветный кристаллический порошок с температурой плавления 85 °C, температурой кипения 32 °C. Молекулярная масса (а.е.м): 68,07. Фуран проявляет ацидофобные свойства. При действии концентрированной серной кислоты он полимеризуются...
Химия фуллеренов
Фуллерен С60 - мелкокристаллический порошок черного цвета, лишенный запаха. Плотность фуллерена С60 - 1,65 г/см3, что значительно меньше, чем у графита (2,3 г/см3) и алмаза (3,5 г/см3). Это связано с тем, что молекулы полые...
Щелочные металлы
Из-за высокой химической активности щелочных металлов по отношению к воде, кислороду, и иногда даже и азоту (Li, Cs) их хранят под слоем керосина. Чтобы провести реакцию со щелочным металлом...
Почти вся поверхность планеты занята морями и океанами. Снегом и льдом – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров. На каждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод. Молекулы воды были обнаружены даже в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.
Вода - уникальное химическое вещество. Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Молекула Н2О имеет угловое строение, угол между связями
Вода химически не изменяется под действиям соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах. Молекулы в объеме воды сближаются противоположными зарядами, возникают межмолекулярные водородные связи между ядрами водорода и неподеленными электронами кислорода, насыщая электронную недостаточность водорода одной молекулы воды и фиксируя его по отношению к кислороду другой молекулы. Тетраэдрическая направленность водородного облака позволяет образовать четыре водородные связи для каждой водной молекулы, которая благодаря этому может ассоциировать с четырьмя соседними. В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны 109,5 С.
Водородные связи в несколько раз слабее ковалентных связей, объединяющих атомы кислорода и водорода. Микромолекулярная структура воды с большим количеством полостей позволяет ей, разрывая водородные связи, присоединять молекулы или части молекул других веществ, способствуя их растворению.
Сравнивая воду - гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической системы Д.И. Менделеева, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при - 70оС, а замерзать при - 90оС. Но в обычных условиях вода замерзает при 0оС. Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциированность ее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, для того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100оС, требуется вшестеро больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80оС. Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. По сравнению с другими веществами, она способна воспринимать гораздо больше тепла, существенно не нагреваясь. Вода выступает как бы регулятором температуры, сглаживая благодаря своей большой теплоемкости резкие температурные колебания. В интервале от 0 до 37оС теплоемкость ее падает и только после 37оС начинает повышаться. Минимум теплоемкости воды соответствует температуре 36 - 39оС - нормальной температуре человеческого тела. Благодаря этому возможна жизнь теплокровных животных, в том числе и человека. 0оС и закипает при 100 оС.
Физические свойства воды.
Вода – жидкое прозрачное вещество без цвета, вкуса и запаха. Плотность жидкой воды имеет максимальное значение 1 г/cм3 при 40С. При более низких и более высоких температурах плотность воды уменьшается.
При 00С вода переходит из жидкого в твёрдое состояние (лёд). При 1000С вода кипит и переходит в газообразное состояние (водяной пар). Вода имеет аномально высокую температуру кипения по сравнению со своими аналогами. Это объясняется тем, что молекулы воды находятся в ассоциированном состоянии за счёт образования межмолекулярных водородных связей.
Исключительно высокой является теплоёмкость воды. С этим связаны важная роль природных водоёмов в качестве аккумуляторов теплоты, использование воды в охладительных системах различных двигателей. Поддержание определенной температуры живых организмов при существенных изменениях температуры окружающей среды также в значительной степени обусловлено большой теплоёмкостью воды.
Вода – наиболее универсальный растворитель. Молекулы воды представляют собой диполи, поэтому вода является полярным растворителем. Она хорошо растворяет ионные соединения и вещества, состоящие из полярных молекул. Значительно хуже растворяются в воде вещества, состоящие из неполярных молекул.
Химические свойства воды.
- Окислительно – восстановительные свойства.
- Кислотно – основные свойства.
- Нейтральная среда – среда, в которой концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид – ионов:
- Щелочная среда – среда, в которой концентрация ионов водорода меньше концентрации гидроксид – ионов:
Вода не обладает сколько – нибудь ярко выраженными окислительно – восстановительными свойствами. Окислительно – восстановительные реакции возможны при взаимодействии воды только с очень активными восстановителями или очень активными окислителями. При обычной температуре вода взаимодействует с такими сильнейшими восстановителями, как щелочные и щелочноземельные металлы. В роли окислителя вода выступает также при взаимодействии с гидридами щелочных и щелочноземельных металлов, являющихся очень сильными восстановителями. В роли восстановителя вода выступает при взаимодействии с таким сильнейшим окислителем, как фтор. При температуре 10000С водяной пар разлагается на водород и кислород. Происходит внутримолекулярный окислительно – восстановительный процесс.
2Н+2О-2- 2Н02+О02
Для жидкой воды характерна самоионизация. Её молекулы взаимно влияют друг на друга. Тепловое движение частиц вызывает ослабление и гетеролитический разрыв связей О – Н в отдельных молекулах воды. При этом протон присоединяется к атому кислорода соседней молекулы воды по доноро – акцепторному механизму:
Н2О+Н2О=Н3О+ +ОН-
Таким образом, при ионизации одновременно образуются ионы Н+ и НО-, т.е. вода является амфотерным электролитом. В разбавленных водных растворах электролитов, как и в воде, произведение концентрации ионов водорода Н+ и гидроксид – ионов ОН- - величина постоянная при данной температуре. Среду любого водного раствора можно охарактеризовать концентрацией ионов водорода Н+ или гидроксид – ионов ОН-. В водных растворах различают три типа сред: нейтральную, щелочную и кислую.
10-7 моль/л
Кислая среда – среда, в которой концентрации ионов больше концентрации гидроксид – ионов:
>, H+]>10-7 моль/л
Для характеристики сред растворов используют водородный показатель.
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.
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 =
