Вода и ее химические свойства

 

Понять воду, значит понять Вселенную.

Масару Эмото (1943–2014), японский исследователь

 

Вода — один из самых распространённых соединений на нашей планете. Именно она является главной составляющей всего живого на планете, но также вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Без воды нет жизни: ведь жизнь на Земле появилась только тогда, когда на ней появилась вода. Вся жизнь зародилась в воде, поскольку она является естественным универсальным растворителем, а значит вода растворяет питательные вещества и обеспечивает ими клетки живых организмов. Если рассматривать показатель количества данного оксида во всех агрегатных состояниях, то его на планете около 75 % от общей массы. По примерным подсчетам ученых на планете 1.4087 млрд. км³ воды (причем соленой воды от общего объема примерно 97 %, пресной всего 3 %).

Да и сам человек на 60–80 % (в зависимости от возраста) состоит из воды. Большая часть воды — это кровь, жидкость в выделительной системе, мускулах, мозге и других органах, а также в костях и коже.

В понятии химии вода — это H₂O, то есть две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Но это дистиллированная вода. В природе вода содержит различные примеси и очень редко встречается в чистом виде. При взаимодействии водорода с кислородом происходит выделение большого количества тепла. Это соединение очень устойчивое, молекулы которого распадаются только при температуре 1500°С.

Каждая молекула ориентирована вокруг другой, и все вместе они формируют общую кристаллическую решетку. Оксид построен в форме тетраэдра — атом кислорода в центре, а две пары электронов его и два атома водорода вокруг асимметрично. Если провести через центры ядер атомов линии и соединить их, то получится именно тетраэдрическая геометрическая форма. Угол между центром атома кислорода и ядрами водородов составляет 104,5⁰. Длина связи О-Н = 0,0957 нм. Наличие электронных пар кислорода, а также его большее в сравнении с водородами сродство к электрону обеспечивают формирование в молекуле отрицательно заряженного поля. В противовес ему ядра водородов образуют положительно заряженную часть соединения. Таким образом, выходит, что молекула воды — диполь. Это определяет то, какой может быть вода и ее свойства. Для живых существ эти особенности играют жизненно важную роль.

Рис. 1 Строение атома воды и оксид в виде тетраэдра

 

Вода — весьма активное в химическом отношении вещество. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ, именно поэтому вода — это определяющий характер химии. Вода имеет различные физические и химические свойства, но посмотрим на воду с химической точки зрения.

1.               Биохимические свойства воды.

Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой. Вода способна растворять некоторые кислоты, основания и соли, представляющие ионные соединения и некоторые полярные неионные образования (простые спирты, сахара и аминокислоты). Благодаря воде сохраняется упругость и объем живой клетки, многие химические процессы организма протекают именно в водных растворах. Эти свойства дают клеткам теплопроводимость и теплоемкость, обеспечивающие терморегуляцию и защищает от температурных перепадов.

Без воды невозможен гидролиз — химическая реакция, которая сопровождает усвоение белков, жиров, углеводов, а ведь именно они являются обязательным компонентом нашей пищи, так, например, белок распадается на аминокислоты, углевод на глюкозу, жиры на глицерин. В результате этого процесса сложные органические вещества распадаются до простых веществ, которые, легко усваиваются живым организмом.

2.                Вода-растворитель

Вода является наиболее распространённым растворителем на нашей планете. По растворимости в воде вещества делятся на три группы:

1)                 Хорошо растворимые: (сахар (С₁₂Н₂₂О₁₁), гидроксид натрия (NaOH), спирт (C₂H₅OH), хлороводород (HCl).

2)                 Мало растворимые: (гипс, сульфат свинца (PbSO4), бензол (C₆H₆), метан (СH₄), кислород).

3)                 Практически не растворимые: (стекло, серебро (Ag), золото (Au), керосин, растительное масло).

Из этого можно сделать вывод, что растворимость вещества прежде всего зависит от природы этого вещества, а также от температуры и давления окружающей среды. Сам процесс растворения обуславливается взаимодействием частиц растворителя и растворяемого вещества.

3.                Вода — активное химическое вещество.

Вода может взаимодействовать:

1) с металлами с выделением водорода:

−          с активными 2Na + 2H₂O → H₂ + 2NaOH (бурно)

−          со средней активностью до H 3Fe + 4H₂O → 4H₂ + Fe₃O₄ (только при нагревании)

−          с малоактивными после H (не взаимодействуют) Cu+ H₂O ≠

Достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.

2) с неметаллами:

Из неметаллов с водой реагируют углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

C + H₂O → H₂ + CO (при сильном нагревании)

CH₄ + 2H₂O → 4H₂ + CO₂ (при сильном нагревании)

3) с оксидами неметаллов:

Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

SO₂₊H₂O → H₂SO_3 — сернистая кислота

SO₃₊H₂O → H₂SO_4 — серная кислота

CO₂₊H₂O → H₂CO_3 — угольная кислота

4) с оксидами металлов

Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой.

CaO+ H₂O → Ca(OH)₂ гидроксид кальция (гашеная известь)

Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует: ZnO, TiO₂, Cr₂O₃, из которых изготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней.

5)     с газами

Как говорилось в подпункте 4 вода взаимодействует с оксидами неметаллов. В данном случае CO₂ — это газ. Если струю газообразного оксида углерода (IV) CO₂ направить в воду, то часть его раствориться в ней. В этом растворе произойдет химическая реакция соединения и образуется вещество — угольная кислота H₂CO₃. Собирая углекислый газ над водой, ученый Джозеф Пристли обнаружил, что часть газа растворяется в воде и придает ей приятный терпкий вкус. По сути, Пристли впервые получил напиток газированный или содовой воды. Позже ученый Торберн Бергман создал аппарат, позволяющий насыщать жидкость углекислым газом под давлением и назвав его сатуратором.

Рис. 2 Джозеф Пристли и его прибор для исследования газов.

6)        Гидраты.

Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом.

H₂SO₄ + H₂O → H₂SO₄^.H₂O (гидрат серной кислоты)

NaOH + H₂O → NaOH^.H₂O (гидрат едкого натра)

Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.

7)        Фотосинтез растений.

Фотосинтез — процесс, протекающий в зеленных листьях растений с использованием энергии света, при котором из углекислого газа и воды образуются органические вещества и кислород. Синтез растениями крахмала (C₆H₁₀O₅)_n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

6n CO₂ + 5n H₂O → (C₆H₁₀O₅)_n + 6n O₂ (при действии света)

Рис. 3. Фотосинтез растений, как химическая реакция.

 

8)     Электролиз воды.

Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем.

Под действием электричества электрод, подключенный к отрицательному полюсу, становится катодом, а электрод, соединённый с положительным полюсом, превращается в анод. Катод и анод притягивают противоположные ионы: к катоду направляются положительно заряженные катионы, к аноду — отрицательно заряженные анионы.

Схема электролиза воды:

Анод 2H₂O → O₂ + 4H+ + 4e–

Катод 4H+ + 4e– → 2H₂.

Вода — слабый электролит, поэтому электролиз чистой, дистиллированной воды протекает медленно или не идёт вовсе. Для ускорения процесса в воду добавляют сильный электролит, увеличивающий проводимость электрического тока, катионы которого будут иметь меньший электродный потенциал, чем H+ воды.

4.               Минерализация воды

Минерализация — это показатель количества содержащихся в воде растворенных веществ (неорганические соли неорганические вещества). Как правило, это бикарбонаты, хлориды, сульфаты кальция, магния, калия, натрия и других веществ. Минерализацию считают в грамм на литр (г/л) или грамм на дециметр в кубе (г/дм³). С точки зрения бальнеологии по степени минерализации воду классифицируют на:

−                    Столовую — минерализация до 1 г/л

−                    Лечебно-столовую — минерализация от 1 г/л до 10 г/л

−                    Лечебная — минерализация более 10 г/л или высокое содержание биологически активных элементов: железо, брома, йода, сероводорода, фтора и т. д., при этом общая минерализация может быть невысокой.

Свойство минерализации основано на дипольном моменте оксида водорода. Благодаря его наличию молекулы способны присоединять к себе множество других веществ ионов и удерживать их. Так формируются ассоциаты, клатраты и прочие объединения.

5.               Жесткость воды.

Жесткость воды — совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺ (так называемых солей жесткости).

Из-за разного объема различных примесей в воде, она делится на два типа-жесткую и мягкую. Соли попадают в воду из-за того, что часть дождевых вод превращаются в грунтовую воду. Они протекают в недрах Земли, соприкасаются с минералами кальция и магния, вымывая из них мелкие частички. В воде, насыщенной углекислотой, карбонаты калия и магния растворяются, так как превращаются в кислые соли. В таком растворимом виде гидрокарбонаты металлов остаются в воде и обуславливают временную жесткость. При кипячении такой воды гидрокарбонаты разлагаются и выпадают в осадок. Но также существует постоянная жесткость, обуславливая присутствием в природной воде растворимых хлоридов и сульфатом кальция и магния. Жесткость воды количественно выражают числом ммоль эквивалентов (ммоль/экв) ионов кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺.

В жесткой воде плохо мылится мыло, которое представляет собой натриевые соли высших карбонатных кислот. Для устранения жесткости воды (ее умягчения) необходимы ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ перевести в осадок. Временную карбонатную жесткость устраняют кипячение:

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ ↓ + H₂O + CO₂↑

Постоянную жесткость кипячением устранить нельзя. Для этого добавляют в воду смесь гашенной извести Ca(OH)₂ или соды Na₂CO₃

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСO3↓ + 2Н2O

6.               Теория Льюиса

В теории Льюиса (1923 г.) на основе электронных представлений было ещё более расширено понятие кислоты и основания. С точки зрения теории Льюиса — вода — это слабая кислота и слабое основание одновременно (амфолит). То есть можно сказать о некоторой амфотерности воды в химических свойствах.

Подводя итог вышесказанного можно сказать, что вода — это самое уникальное вещество на земле. Академик Владимир Иванович Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы с ней сравниться по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Не только земная поверхность, но и глубокие — в масштабе биосферы — части планеты определяются, в самых существенных своих проявлениях, ее существованием и ее свойствами». Действительно, нет более важного для нас вещества на Земле, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, как в свойствах воды.

 

Литература:

 

1. Репетитор по химии / под. Ред. А. С. Егорова. –изд. 58-е- Ростов н/Д: Феникс, 2018
2. Пособие по химии для поступающих в вузы.- 4-е изд., испр. и доп. — М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2018
3. https://www.syl.ru/article/172000/new_voda-i-ee-svoystva-fizicheskie-i-himicheskie-struktura-vodyi
4. http://www.hemi.nsu.ru/ucheb175.htm
5. https://ru.wikipedia.org
6. https://obrazovaka.ru/himiya/elektroliz-vody-shema-processa.html
7. http://www.cawater-info.net/bk/12–7.htm