Вода и ее химические свойства | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 8 февраля, печатный экземпляр отправим 12 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Рубрика: Химия

Опубликовано в Юный учёный №3 (23) март 2019 г.

Дата публикации: 25.02.2019

Статья просмотрена: 165 раз

Библиографическое описание:

Калякин С. Н., Покутняя С. Л. Вода и ее химические свойства // Юный ученый. — 2019. — №3. — С. 20-23. — URL https://moluch.ru/young/archive/23/1404/ (дата обращения: 26.01.2020).



 

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.

состав воды

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.

  1.                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.

  1.                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 → H2SO3 сернистая кислота

SO3+H2O → H2SO4 серная кислота

CO2+H2O → H2CO3 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.

Картинки по запросу джозеф пристли газировка

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)

http://present5.com/presentforday2/20170118/%E2%84%96_2_bk_oksigennyy_bulyno_mironova_images/%E2%84%96_2_bk_oksigennyy_bulyno_mironova_8.jpg

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.

http://www.hemi.nsu.ru/image704.gif

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.

  1.               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.

  1.               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 http://ok-t.ru/studopediaru/baza12/617280702891.files/image436.gifCaCO3 ↓ + 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

  1.               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
Основные термины (генерируются автоматически): Вод, вещество, жесткость воды, оксид металлов, оксид неметаллов, углекислый газ, угольная кислота, сильное нагревание, серная кислота, химическая реакция.


Похожие статьи

Химические опыты с пищевой содой и лимонной кислотой...

В данной работе рассмотрен опыт по химическому взаимодействию лимонной кислоты и гидрокарбоната

Для того чтобы началась реакция между гидрокарбонатом натрия и лимонной кислотой

После добавления подкрашенной воды, она, как вещество тяжелее масла, ушла...

Кислотные оксиды. Образование кислотных дождей

Оксиды — соединения, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород в

По кислотно-основным свойствам оксиды классифицируют на основные, кислотные и

Качественная реакция на углекислый газ. Получение и растворение углекислого газа в воде.

Эффективное использование отходов химических опытов на...

Например, серная кислота без нагревания вступает с ним в реакцию; быстрее проходит процесс восстановления

Использование растворов веществ. При изучении водорода, воды и растворов, оксидов, гидроксидов, кислот и солей проводится большое число лабораторных...

Оценка активности исходной ржавчины по фазовому составу при...

Раствор кислоты легко проникает через слой ржавчины до металла и способствует усилению

Очистка сильно заржавленной поверхности механизированным и особенно ручным способом

Согласно заводским данным, подтвержденным дополнительным химическим анализом, в...

Изучение химико-биологических процессов, протекающих в зерне

В статье излагается химические процессы, протекающие в зерне, причины их возникновения и

Приведенное уравнение дыхания показывает, почему в прорастающем зерне происходит нагревание, отпотевание и выделение углекислого газа.

Благодаря образованию кислот...

Подбор экологических задач по химии для 9, 11 классов по теме...

Простое вещество из этого элемента было впервые применено в качестве химического оружия в первой мировой войне немцами против французов.

Задание 2. Каковы экологические последствия обеззараживания воды с помощью простого

(ответ – кремний, оксид кремния).

Защита от коррозии, вызванной углекислым газом

Углекислый газ (CO2) — естественный компонент атмосферного воздуха

Кроме того, CO2, растворяясь в воде, способен образовывать с некоторыми металлами инертные карбонаты

Углекислый газ, таким образом, являлся главным коррозийным компонентом газовой фазы...

Усовершенствование процесса получения цианистого натрия

Одним из исходных веществ в синтезе метионина является цианистый натрий, получаемый абсорбцией цианистого водорода. К настоящему времени разработано несколько методов получения цианистого водорода. Так, например, известен способ получения цианистого...

Изучение коррозии железа в уксусной кислоте в присутствии...

При использовании сильных кислот для обработки реставрируемого предмета наряду с

веществ-ингибиторов, уменьшающих скорость взаимодействия железа и его сплавов с

При этом есть риск возникновения вторичной коррозии металла в водной среде (ржавление) и...

Похожие статьи

Химические опыты с пищевой содой и лимонной кислотой...

В данной работе рассмотрен опыт по химическому взаимодействию лимонной кислоты и гидрокарбоната

Для того чтобы началась реакция между гидрокарбонатом натрия и лимонной кислотой

После добавления подкрашенной воды, она, как вещество тяжелее масла, ушла...

Кислотные оксиды. Образование кислотных дождей

Оксиды — соединения, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород в

По кислотно-основным свойствам оксиды классифицируют на основные, кислотные и

Качественная реакция на углекислый газ. Получение и растворение углекислого газа в воде.

Эффективное использование отходов химических опытов на...

Например, серная кислота без нагревания вступает с ним в реакцию; быстрее проходит процесс восстановления

Использование растворов веществ. При изучении водорода, воды и растворов, оксидов, гидроксидов, кислот и солей проводится большое число лабораторных...

Оценка активности исходной ржавчины по фазовому составу при...

Раствор кислоты легко проникает через слой ржавчины до металла и способствует усилению

Очистка сильно заржавленной поверхности механизированным и особенно ручным способом

Согласно заводским данным, подтвержденным дополнительным химическим анализом, в...

Изучение химико-биологических процессов, протекающих в зерне

В статье излагается химические процессы, протекающие в зерне, причины их возникновения и

Приведенное уравнение дыхания показывает, почему в прорастающем зерне происходит нагревание, отпотевание и выделение углекислого газа.

Благодаря образованию кислот...

Подбор экологических задач по химии для 9, 11 классов по теме...

Простое вещество из этого элемента было впервые применено в качестве химического оружия в первой мировой войне немцами против французов.

Задание 2. Каковы экологические последствия обеззараживания воды с помощью простого

(ответ – кремний, оксид кремния).

Защита от коррозии, вызванной углекислым газом

Углекислый газ (CO2) — естественный компонент атмосферного воздуха

Кроме того, CO2, растворяясь в воде, способен образовывать с некоторыми металлами инертные карбонаты

Углекислый газ, таким образом, являлся главным коррозийным компонентом газовой фазы...

Усовершенствование процесса получения цианистого натрия

Одним из исходных веществ в синтезе метионина является цианистый натрий, получаемый абсорбцией цианистого водорода. К настоящему времени разработано несколько методов получения цианистого водорода. Так, например, известен способ получения цианистого...

Изучение коррозии железа в уксусной кислоте в присутствии...

При использовании сильных кислот для обработки реставрируемого предмета наряду с

веществ-ингибиторов, уменьшающих скорость взаимодействия железа и его сплавов с

При этом есть риск возникновения вторичной коррозии металла в водной среде (ржавление) и...

Задать вопрос