Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит - и кислоту и основание одновременно (катион H + анион OH -). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония).

Вода химически довольно активное вещество. Она реагирует со многими веществами органической и неорганической химии.

1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2Na + 2H 2 O = H 2 + 2NaOH(бурно)

2K + 2H 2 O = H 2 + 2KOH(бурно)

3Fe + 4H 2 O = 4H 2 + Fe 3 O 4 (только при нагревании)

Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.

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

C + H 2 O = H 2 + CO(при сильном нагревании)

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 (при сильном нагревании)

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

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

SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3

4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой:

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Мы уже встречались с такими оксидами. Это ZnO, TiO 2 , Cr 2 O 3 , из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней.

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

CuSO 4 +5H 2 O = CuSO 4 *5H 2 O (кристаллогидрат (медный купорос))

Приведем другие примеры образования гидратов:

H 2 SO 4 + H 2 O = H 2 SO 4 * H 2 O (гидрат серной кислоты)

NaOH + H 2 O = NaOH * H 2 O (гидрат едкого натра)

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

6) Фотосинтез. Особая реакция воды– синтез растениями крахмала (C 6 H 10 O 5) n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

6n CO 2 + 5n H 2 O = (C 6 H 10 O 5) n + 6n O 2 (при действии света)

7) Реакции гидротации в орагической химии.(присоединение воды к молекулам углеводородов.) Например:

С 2 Н 4 + Н 2 О = С 2 Н 5 ОН

Водород.

Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью.

Получение: 1.В промышленности: Конверсионный способ. Вначале получают водяной газ, пропуская пары воды через раскаленный кокс при 1000 °С: С + Н 2 О -tà СО + Н 2 . Затем оксид углерода (II) окисляют в оксид углерода (IV), пропуская смесь водяного газа с избытком паров воды над нагретым до 400–450 °С катализатором Fe 2 O 3: CO +H 2 O = CO 2 + H 2 . Окисление метана водяным паром: CH 4 + 2Н 2 O –(t, Ni)à4Н 2 + CO 2 Термическое разложение метана при 1200 °С: CH 4 -tà C + 2H 2 Электролиз водного раствора поваренной соли или гидроксида натрия: (NaOH) + 2Н 2 O –эл.токà 2Н 2 + O 2 2NaCl + 2H 2 O –эл.токà H 2 + Cl 2 + 2NaOH; 2. В лаборатории: Zn + 2HCl à ZnCl 2 + Н 2 2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2 ; Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2 .

Свойства: 1.С металлами: Н 2 + 2Na -tà2NaH Н 2 + Са -tà СаН 2 2. С неметаллами: 2Н 2 + O 2 à 2Н 2 O Н 2 + Cl 2 -hvà 2HCl 3Н 2 + N 2 -t, p, кат.à 2NH 3 H 2 + S à H 2 S 3. С оксидами металлов (неактивных) и неметаллов: CuO + H 2 à Cu + H 2 O 2NO + 2H 2 = N 2 + 2H 2 O.

Водородные соединения металлов и неметаллов.

1. Ионные гидриды: Получение: Н 2 + 2Na -tà2NaH

Свойства: разлагаются водой и кислотами:

NaH + Н 2 O à NaOH + Н 2

СаН 2 + 2HCl à CaCl 2 + 2Н 2

2. Ковалентные водородные соединения:

Все газы, кроме воды (водородные связи).

Неустойчивые: фосфин и силан.

Основными свойствами обладает: аммиак.

Амфотерные свойства проявляет: вода.

Кислоты образуют в водном растворе: сероводород и галогеноводороды.

Вода.

Молекулы воды связаны водородными связями: nH 2 O = (Н 2 O) n , поэтому вода жидкая в отличии от ее газообразных аналогов H 2 S, H 2 Se и Н 2 Те.

Свойства:

1. С металлами:

а) щелочные и щелочноземельные (кроме бериллия и магния): 2Na + 2Н 2 O = 2NaOH + Н 2

б) остальные металлы в ряду активности до Н могут окисляться водяным паром до оксида при высокой температуре: Fe + 4Н 2 O-tà Fe 3 O 4 + 4Н 2

2. С оксидами щелочных и щелочноземельных металлов: Н 2 O + СаО = Са(OH) 2

3. С кислотными оксидами растворимых кислот: P 2 O 5 + 3H 2 O = 2H 3 PO 4 .

4. Гидролиз солей, бинарных соединений металлов и неметаллов:

2CuSO 4 + 2Н 2 O ⇄ (CuOH) 2 SO 4 + H 2 SO 4

Al 2 S 3 + 6H 2 O à 2Al(OH) 3 + 3H 2 S

Са 3 Р 2 + 6Н 2 О à 3Са(ОН) 2 + 2РН 3

PCl 5 + 4H 2 O à H 3 PO 4 + 5HCl

Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

• как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
• кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварки металлов;
• как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
• для получения аммиака и искусственного жидкого топлива, для гидрогенизации жиров.

Элементы IVA-группы.

Углерод.

1. Простое вещество. Имеет несколько аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз – кристаллическое вещество, прозрачное, сильно преломляет лучи света, очень твёрдое, не проводит электрический ток, плохо проводит тепло. Каждый атом углерода находится в состоянии sp 3 -гибридизации.

Графит – мягкое вещество серого цвета со слабым металлическим блеском, жирное на ощупь, проводит электрический ток. Атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации и связаны в плоские слои, состоящие из соединенных ребрами шестиугольников, наподобие пчелиных сот.

Графит – наиболее устойчивая при комнатной температуре аллотропная модификация углерода.

Карбин – мелкокристаллический порошок серого цвета, полупроводник. Его кристаллы состоят из линейных цепочек углеродных атомов, соединенных чередующимися тройными и одинарными связями, или двойными связями, углерод находится в состоянии sp-гибридизации: -С≡С-С≡С-С≡С-С≡С-

По твердости карбин превосходит графит, но значительно уступает алмазу.

Фуллерен - искусственно полученная модификация углерода, состоящая из молекул C 60 , C 70 , …. C 1020 . Эти молекулы составлены из атомов углерода, объединенных в пяти и шести угольники с общими ребрами. Это черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников. При давлении порядка 2·10 5 атм и комнатной температуре фуллерен превращается в алмаз.

Свойства углерода:

Взаимодействие с фтором: углерод обладает низкой реакционной способностью, из галогенов реагирует только с фтором.	С + 2F 2 = CF 4 .
Взаимодействие с кислородом:	2С + О 2 (недост) = 2СО (угарный газ), С + О 2 (изб) = СО 2 (углекислый газ).
Взаимодействие с другими неметаллами: не взаимодействует с азотом и фосфором.	С + 2S = CS 2 C + 2H 2 –t, Nià CH 4 Ca + 2C = CaC 2 ЗС + 4Al =Al 4 С 3
Взаимодействие с водой: при пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:	C + H 2 O = CO + H 2 .
Восстановительные свойства: углерод способен восстанавливать многие металлы из их оксидов:	2ZnO + C –tà 2Zn + CO 4С + Fe 3 O 4 –tà 3Fe + 4CO
Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до оксида углерода (IV):	C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O; C + 4HNO 3 = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O.

Карбиды - это соединения углерода с металлами.

Оксиды углерода.

	CO	CO 2
Характеристика	угарный газ – б\ц, б\з, ядовит	углекислый газ – б/ц, б/з
	Молекула оксида углерода (II) имеет линейное строение. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь.	Молекула СО 2 линейная, тип гибридизации углерода – sp 2
Тип оксида	несолеобразующий	кислотный
	CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия) 2СО + О 2 = 2СО 2 СО + Н 2 = С + Н 2 О СО + Cl 2 = COCl 2 (фосген) CO + CuO = Сu + CO 2	С + СО 2 = 2СО. 2Mg + CO 2 = 2MgO + C. Типичный кислотный оксид. Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3 , 2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O, NaOH + CO 2 = NaHCO 3 . Качественной реакцией для обнаружения углекислого газа является помутнение известковой воды: Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O.
Получение	1)Образуется в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь: C + O 2 = CO 2 , CO 2 + C = 2CO. 2)Получается при термическом разложении муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты: HCOOH = H 2 O + CO, H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O	Получают углекислый газ обжигом известняка: CaCO 3 = CaO + CO 2 , или действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты: CaCO 3 +2HCl =CaCl 2 +H 2 O + CO 2 , NaHCO 3 + HCl =NaCl +H 2 O +CO 2 .

УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА Н 2 СО 3

При растворении углекислого газа в воде образуется очень слабая угольная кислота Н 2 СО 3 .

Углекислый газ в воде находится преимущественно в виде гидратированных молекул СО 2 и лишь в незначительной степени в форме угольной кислоты. При этом в растворе устанавливается равновесие:

СО 2(г) + Н 2 О ⇄ СО 2 · Н 2 О (раствор) ⇄ Н 2 СО 3 ⇄ Н + + HCO 3 -

Угольная кислота – слабая неустойчивая кислота, которую в свободном состоянии из водных растворов выделить нельзя.

Карбонаты.

1) Карбонаты металлов (кроме щелочных ) при нагревании разлагаются:

CuCO 3 – tà CuO + CO 2

2) При пропускании углекислого газа из карбонатов образуются гидрокарбонаты:

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2 .

3) Гидрокарбонаты разлагаются до карбонатов: 2NaHCO 3 – tà Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 .

4) Карбонаты и гидрокарбонаты вступают в обменные реакции:

а) с сильными кислотами (качественная реакция на карбонаты):

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2 ;

б) с растворимыми солями и основаниями, если образуется осадок:

Na 2 CO 3 + Ва(ОН) 2 = ВаСО 3 ↓+ 2NaOH

Na 2 CO 3 + СаСl 2 = СаСО 3 ↓+ 2NaCl

5) Гидрокарбонаты реагируют со щелочами, образуя средние соли:

КНСО 3 + КОН = К 2 СО 3 + Н 2 О

Кремний.

Расположен в IV группе Периодической системы. На внешнем слое 4 электрона, которые имеют электронную конфигурацию 3s 2 3p 2 . Проявляет степени окисления -4, +2, +4.

Второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Важнейшее соединение кремния - оксид SiO 2 образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем. SiO 2 необходим для жизни растений и животных. Он придает прочность стеблям растений и защитным покровам животных. Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, так как содержат кремнезем.

Физические свойства. Вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Полупроводник. В отличие от металлов с повышением температуры его электропроводность увеличивается. На спутниках, космических кораблях и станциях устанавливают солнечные батареи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. В них работают кристаллы полупроводников, и в первую очередь кремния.

Кремниевые фотоэлементы могут превратить в электрическую до 10% поглощенной солнечной энергии.

Химические свойства:

Кремний – типичный неметалл, может быть окислителем и восстановителем.

Взаимодействие с галогенами: непосредственно взаимодействует только с фтором. С хлором реагирует при нагревании.	Si + 2F 2 = SiF 4 Si + 2Cl 2 -tà SiCl 4
Взаимодействие с кислородом	Si + O 2 -tàSiO 2
Взаимодействие с другими неметаллами: С водородом не взаимодействует.	Si + C -tàSiC 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4
Взаимодействие с галогеноводородами. С фтороводородом реагирует при обычных условиях, с хлороводородом – при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.	Si + 4HF = SiF 4 + 2H 2
Взаимодействие с металлами: образует силициды.	2Ca + Si = Ca 2 Si силицид кальция Si + 2Mg = Мg 2 Si Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния - силан: Мg 2 Si + 2Н 2 SO 4 = 2MgSO 4 + SiH 4 В отличие от углеводородов силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием диоксида кремния и воды: SiH 4 + 20 2 = SiO 2 + 2Н 2 О Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН 4 объясняется тем, что у кремния больше размер атома, чем у углерода, поэтому химические связи -Н слабее связей С-Н.
Взаимодействие с кислотами. Устойчив к действию кислот, взаимодействует только со смесью плавиковой и азотной кислот.	3Si + 4HNO 3 + 18HF = 3H 2 + 4NO + 8H 2 O
Растворяется в щелочах, образуя силикат и водород:	Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + H 2

Получение кремния.

Силициды – соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4.

Силициды щелочных и щелочно-земельных металлов характеризуются ионным типом связи, они химически активны. Они легко разлагаются водой или разбавленными кислотами с выделением силана: Ca 2 Si + 2H 2 SO 4 = 2CaSO 4 + SiH 4 .

В силицидах неметаллов ковалентная связь. Среди таких силицидов наибольшее значение имеет карбид кремния – карборунд SiC, имеющий структуру алмаза, он характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.

Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах: 2Mg + Si = Mg 2 Si,

2MgO + SiO 2 + 4C = Mg 2 Si + 4CO.

Силан SiH 4 . (моносилан).

Оксид кремния (IV) – кислотный оксид.

В природе – речной песок, кварц.

Не реагирует с водой – т.к. кремниевая кислота нерастворима.

2) При сплавлении реагирует со щелочами: SiO 2 + 2KOH -tàK 2 SiO 3 + H 2 O

3) Реагирует с основными оксидами: SiO 2 + MgО -tàMgSiO 3 и карбонатами щелочных металлов: SiO 2 + K 2 CO 3 -tà K 2 SiO 3 + CO 2 при сплавлении.

4) Из кислот растворяется только в плавиковой : SiO 2 + 6HF = H 2 + 2H 2 O

5) При температуре выше 1000 °С реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний: SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

или при избытке восстановителя – силициды: SiO 2 + 4Mg = Mg 2 Si + 2MgO.

6) Взаимодействие с неметаллами.

Реагирует с водородом: SiO 2 + 2Н 2 = Si + 2Н 2 O,

Взаимодействует с углеродом: SiO 2 + 3С = SiС + 2СO.

Кремниевая кислота.

Имеет полимерное строение и состав xSiO 2 yH 2 O. В водных растворах доказано существование ортокремниевой H 4 SiO 4 , метакремниевой H 2 SiO 3 кислот.

Получение: только косвенным путём, из солей: Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl

Na 2 SiO 3 + 2Н 2 O + 2CO 2 = 2NaHCO 3 + H 2 SiO 3 ↓,

Свойства: 1)Растворяются в концентрированных щелочах: H 4 SiO 4 +4KOH à K 4 SiO 4 + 4H 2 O

2)Разлагаются при нагревании: H 2 SiO 3 -tàSiO 2 + H 2 O

Силикаты.

Большинство нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом». Их водные растворы - это хорошо известный силикатный клей.

Получение: 1) растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:

H 4 SiO 4 + 4KOH à K 4 SiO 4 + 4H 2 O

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + H 2

SiO 2 + 2KOH -tàK 2 SiO 3 + H 2 O

2) Сплавление оксидов: СаО + SiO 2 -tà CaSiO 3

3) Сплавлением диоксида кремния с карбонатами: SiO 2 + СаС0 3 = СаSiO 3 + С0 2

4) Взаимодействие солей: K 2 SiO 3 + CaCl 2 = CaSiO 3 + 2KCl

Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот - соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота Н 2 SiO 3:

К 2 SiO 3 + 2НСl = 2КСl + Н 2 SiO 3

Следовательно, Н 2 SiO 3 очень слабая кислота. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объем раствора, превращая его в полутвердую массу, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество - силикагелъ, широко применяемый в качестве адсорбента - поглотителя других веществ.

Вода участвует во множестве химических реакций в качестве растворителя, реагента либо продукта. Выше мы уже обсудили свойства воды как растворителя. Вода является продуктом многих неорганических и органических химический реакций. Например, она образуется при нейтрализации кислот и оснований. В органической химии многие реакции конденсации сопровождаются отщеплением (элиминированием) молекул воды. В данном разделе мы обсудим четыре типа важнейших химических реакций, в которых вода участвует в качестве реагента.

Кислотно-основные реакции. Вода обладает амфотерными свойствами. Это означает, что она может выступать как в роли кислоты, так и в роли основания. Ее амфотерные свойства обусловлены способностью воды к самоионизации:

Это позволяет воде быть, с одной стороны, акцептором протона:

а с другой стороны - донором протона:

Эти реакции подробно обсуждаются в гл. 8.

Окисление и восстановление. Вода обладает способностью выступать как в роли окислителя, так и в роли восстановителя. Она окисляет металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений выше олова (см. табл. 10.6). Например, в реакции между натрием и водой происходит следующий окислительный процесс:

В этой реакции вода играет роль восстановителя:

Другим примером подобной реакции является взаимодействие между магнием и водяным паром:

Вода действует как окислитель в процессах коррозии (см. разд. 10.4). Например, один из процессов, протекающих при ржавлении железа, заключается в следующем:

Вода является важным восстановителем в биохимических процессах. Например, некоторые стадии цикла лимонной кислоты (см. разд. 4.1) включают окисление воды:

Этот процесс электронного переноса имеет также большое значение в восстановлении органических фосфатных соединений при фотосинтезе. Цикл лимонной кислоты и фотосинтез представляют собой сложные процессы, включающие ряд последовательно протекающих химических реакций. В обоих случаях процессы электронного переноса, происходящие в них, еще не полностью выяснены.

Гидратация. Выше уже указывалось, что молекулы воды способны сольватировать как катионы, так и анионы. Этот процесс называется гидратацией. Гидратная вода в кристаллах солей называется кристаллизационной водой. Молекулы воды обычно связаны с сольватируемым ими катионом координационными связями.

Гидролиз. Гидролиз представляет собой реакцию какого-либо иона или молекулы с водой. Примером реакций этого типа может быть реакция между хлороводородом и водой с образованием соляной кислоты (см. выше). Другой пример - гидролиз хлорида

Гидролиз органических соединений также широко распространен. Один из наиболее известных примеров - гидролиз этилацетата (этилатаноата, этилового эфира уксусной кислоты).

Самое важное, уникальное по свойствам и составу вещество нашей планеты - это, конечно, вода. Ведь именно благодаря ей на Земле жизнь есть, в то время как на других известных сегодня объектах Солнечной системы ее нет. Твердая, жидкая, в виде пара - она нужна и важна любая. Вода и ее свойства составляют предмет изучения целой научной дисциплины - гидрологии.

Количество воды на планете

Если рассматривать показатель количества данного оксида во всех агрегатных состояниях, то его на планете около 75% от общей массы. При этом следует учитывать связанную воду в органических соединениях, живых существах, минералах и прочих элементах.

Если учитывать только жидкое и твердое состояние воды, показатель падет до 70,8%. Рассмотрим, как распределяются эти проценты, где содержится рассматриваемое вещество.

1. Соленой воды в океанах и морях, солончаковых озерах на Земле 360 млн км 2 .
2. Пресная вода распределена неравномерно: ее в ледниках Гренландии, Арктики, Антарктиды заковано во льды 16,3 млн км 2 .
3. В пресных реках, болотах и озерах сосредоточено 5,3 млн км 2 оксида водорода.
4. Подземные воды составляют 100 млн м 3 .

Именно поэтому космонавтам из далекого космического пространства видно Землю в форме шара голубого цвета с редкими вкраплениями суши. Вода и ее свойства, знание особенностей строения являются важными элементами науки. К тому же, в последнее время человечество начинает испытывать явную нехватку пресной воды. Может быть, такие знания помогут в решении данной проблемы.

Состав воды и строение молекулы

Если рассмотреть эти показатели, то сразу станут понятны и свойства, которые проявляет это удивительное вещество. Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому имеет эмпирическую формулу Н 2 О. Кроме того, при построении самой молекулы большую роль играют электроны обоих элементов. Посмотрим, что собой представляют структура воды и ее свойства.

Очевидно, что каждая молекула ориентирована вокруг другой, и все вместе они формируют общую кристаллическую решетку. Интересно то, что 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 104,5 0 С. 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 физические свойства также зависят от строения молекулы. Для живых существ эти особенности играют жизненно важную роль.

Основные физические свойства

К таковым принято относить кристаллическую решетку, температуры кипения и плавления, особенные индивидуальные характеристики. Все их и рассмотрим.

1. Строение кристаллической решетки оксида водорода зависит от агрегатного состояния. Оно может быть твердым - лед, жидким - основная вода при обычных условиях, газообразным - пар при повышении температуры воды свыше 100 0 С. Красивые узорные кристаллы формирует лед. Решетка в целом рыхлая, но соединение очень прочное, плотность низкая. Видеть ее можно на примере снежинок или морозных узоров на стеклах. У обычной воды решетка не имеет постоянной формы, она изменяется и переходит из одного состояния в другое.
2. Молекула воды в космическом пространстве имеет правильную форму шара. Однако под действием земной силы тяжести она искажается и в жидком состоянии принимает форму сосуда.
3. То, что по структуре оксид водорода - диполь, обуславливает следующие свойства: высокая теплопроводность и теплоемкость, которая прослеживается в быстром нагревании и долгом остывании вещества, способность ориентировать вокруг себя как ионы, так и отдельные электроны, соединения. Это делает воду универсальным растворителем (как полярным, так и нейтральным).
4. Состав воды и строение молекулы объясняют способность этого соединения образовывать множественные водородные связи, в том числе с другими соединениями, имеющими неподеленные электронные пары (аммиак, спирт и прочие).
5. Температура кипения жидкой воды - 100 0 С, кристаллизация наступает при +4 0 С. Ниже этого показателя - лед. Если же увеличивать давление, то температура кипения воды резко возрастет. Так, при высоких атмосферах в ней можно растопить свинец, но она при этом даже не закипит (свыше 300 0 С).
6. Свойства воды весьма значимы для живых существ. Например, одно из самых важных - поверхностное натяжение. Это формирование тончайшей защитной пленки на поверхности оксида водорода. Речь идет о воде в жидком состоянии. Эту пленку разорвать механическим воздействием очень сложно. Учеными установлено, что понадобится сила, равная весу в 100 тонн. Как ее заметить? Пленка очевидна, когда вода капает из крана медленно. Видно, что она словно в какой-то оболочке, которая растягивается до определенного предела и веса и отрывается в виде круглой капельки, слегка искаженной силой тяжести. Благодаря поверхностному натяжению многие предметы могут находиться на поверхности воды. Насекомые, имеющие особые приспособления, могут свободно передвигаться по ней.
7. Вода и ее свойства аномальны и уникальны. По органолептическим показателям данное соединение - бесцветная жидкость без вкуса и запаха. То, что мы называем вкусом воды, - это растворенные в ней минералы и другие компоненты.
8. Электропроводность оксида водорода в жидком состоянии зависит от того, сколько и каких солей в нем растворены. Дистиллированная вода, не содержащая никаких примесей, электрический ток не проводит.

Лед - это особое состояние воды. В структуре этого ее состояния молекулы связаны друг с другом водородными связями и формируют красивую кристаллическую решетку. Но она достаточно неустойчива и легко может расколоться, растаять, то есть деформироваться. Между молекулами сохраняется множество пустот, размеры которых превышают размеры самих частиц. Благодаря этому плотность льда меньше, чем жидкого оксида водорода.

Это имеет большое значение для рек, озер и прочих пресных водоемов. Ведь в зимний период вода в них не замерзает полностью, а лишь покрывается плотной коркой более легкого льда, всплывающего наверх. Если бы данное свойство не было характерно для твердого состояния оксида водорода, то водоемы промерзали бы насквозь. Жизнь под водой была бы невозможна.

Кроме того, твердое состояние воды имеет большое значение как источник огромного количества питьевых пресных запасов. Это ледники.

Особенным свойством воды можно назвать явление тройной точки. Это такое состояние, при котором лед, пар и жидкость могут существовать одновременно. Для этого требуются такие условия, как:

• высокое давление - 610 Па;
• температура 0,01 0 С.

Показатель прозрачности воды варьируется в зависимости от посторонних примесей. Жидкость может быть полностью прозрачной, опалесцентной, мутной. Поглощаются волны желтого и красного цветов, глубоко проникают лучи фиолетовые.

Химические свойства

Вода и ее свойства - важный инструмент в понимании многих процессов жизнедеятельности. Поэтому они изучены очень хорошо. Так, гидрохимию интересуют вода и ее химические свойства. Среди них можно назвать следующие:

1. Жесткость. Это такое свойство, которое объясняется наличием солей кальция и магния, их ионов в растворе. Подразделяется на постоянную (соли названных металлов: хлоридов, сульфатов, сульфитов, нитратов), временную (гидрокарбонаты), которая устраняется кипячением. В России воду перед использованием смягчают химическим путем для лучшего качества.
2. Минерализация. Свойство, основанное 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.
3. Окислительно-восстановительные свойства. Как универсальный растворитель, катализатор, ассоциат, вода способна взаимодействовать с множеством простых и сложных соединений. С одними она выступает в роли окислителя, с другими - наоборот. Как восстановитель реагирует с галогенами, солями, некоторыми менее активными металлами, с многими органическими веществами. Последние превращения изучает органическая химия. Вода и ее свойства, в частности, химические, показывают, насколько она универсальна и уникальна. Как окислитель она вступает в реакции с активными металлами, некоторыми бинарными солями, многими органическими соединениями, углеродом, метаном. Вообще химические реакции с участием данного вещества нуждаются в подборе определенных условий. Именно от них и будет зависеть исход реакции.
4. Биохимические свойства. Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой.
5. Взаимодействие с газами с образованием клатратов. Обычная жидкая вода может поглощать даже неактивные химически газы и располагать их внутри полостей между молекулами внутренней структуры. Такие соединения принято называть клатратами.
6. Со многими металлами оксид водорода формирует кристаллогидраты, в которые он включен в неизменном виде. Например, медный купорос (CuSO 4 *5H 2 O), а также обычные гидраты (NaOH*H 2 O и другие).
7. Для воды характерны реакции соединения, при которых происходит образование новых классов веществ (кислот, щелочей, оснований). Они не являются окислительно-восстановительными.
8. Электролиз. Под действием электрического тока молекула разлагается на составные газы - водород и кислород. Один из способов получения их в лаборатории и промышленности.

С точки зрения теории Льюиса вода - это слабая кислота и слабое основание одновременно (амфолит). То есть можно сказать о некоей амфотерности в химических свойствах.

Вода и ее полезные свойства для живых существ

Сложно переоценить то значение, которое имеет оксид водорода для всего живого. Ведь вода и есть сам источник жизни. Известно, что без нее человек не смог бы прожить и недели. Вода, ее свойства и значение просто колоссальны.

1. Это универсальный, то есть способный растворять и органические, и неорганические соединения, растворитель, действующий в живых системах. Именно поэтому вода - источник и среда для протекания всех каталитических биохимических преобразований, с формированием сложных жизненно важных комплексных соединений.
2. Способность образовывать водородные связи делает данное вещество универсальным в выдерживании температур без изменения агрегатного состояния. Если бы это было не так, то при малейшем снижении градусов она превращалась бы в лед внутри живых существ, вызывая гибель клеток.
3. Для человека вода - источник всех основных бытовых благ и нужд: приготовление пищи, стирка, уборка, принятие ванны, купание и плавание и прочее.
4. Промышленные заводы (химические, текстильные, машиностроительные, пищевые, нефтеперерабатывающие и другие) не сумели бы осуществлять свою работу без участия оксида водорода.
5. Издревле считалось, что вода - это источник здоровья. Она применялась и применяется сегодня как лечебное вещество.
6. Растения используют ее как основной источник питания, за счет чего они продуцируют кислород - газ, благодаря которому существует жизнь на нашей планете.

Можно назвать еще десятки причин того, почему вода - это самое широко распространенное, важное и необходимое вещество для всех живых и искусственно созданных человеком объектов. Мы привели только самые очевидные, главные.

Гидрологический цикл воды

Иными словами, это ее круговорот в природе. Очень важный процесс, позволяющий постоянно пополнять исчезающие запасы воды. Как он происходит?

Основных участников трое: подземные (или грунтовые) воды, поверхностные воды и Мировой океан. Важна также и атмосфера, конденсирующая и выдающая осадки. Также активными участниками процесса являются растения (в основном деревья), способные поглощать огромное количество воды в сутки.

Итак, процесс происходит следующим образом. Грунтовые воды заполняют подземные капилляры и стекаются к поверхности и Мировому океану. Затем поверхностные воды поглощаются растениями и транспирируются в окружающую среду. Также происходит испарение с огромных площадей океанов, морей, рек, озер и прочих водоемов. Попав в атмосферу, вода что делает? Конденсируется и проливается обратно в виде осадков (дождь, снег, град).

Если бы не происходили эти процессы, то запасы воды, особенно пресной, давно бы уже закончились. Именно поэтому охране и нормальному гидрологическому циклу уделяется людьми большое внимание.

Понятие о тяжелой воде

В природе оксид водорода существует в виде смеси изотопологов. Это связано с тем, что водород формирует три вида изотопа: протий 1 Н, дейтерий 2 Н, тритий 3 Н. Кислород, в свою очередь, также не отстает и образует три устойчивые формы: 16 О, 17 О, 18 О. Именно благодаря этому существует не просто обычная протиевая вода состава Н 2 О (1 Н и 16 О), но еще и дейтериевая, и тритиевая.

При этом устойчива по структуре и форме именно дейтериевая (2 Н), которая включается в состав практически всех природных вод, но в малом количестве. Именно ее называют тяжелой. Она несколько отличается от обычной или легкой по всем показателям.

Тяжелая вода и ее свойства характеризуются несколькими пунктами.

1. Кристаллизуется при температуре 3,82 0 С.
2. Кипение наблюдается при 101,42 0 С.
3. Плотность составляет 1,1059 г/см 3 .
4. Как растворитель в несколько раз хуже легкой воды.
5. Имеет химическую формулу D 2 O.

При проведении опытов, показывающих влияние подобной воды на живые системы, было установлено, что жить в ней способны лишь некоторые виды бактерий. Для приспособления и акклиматизации колониям потребовалось время. Но, приспособившись, они полностью восстановили все жизненно важные функции (размножение, питание). Кроме того, стали очень устойчивы к воздействию радиоактивного излучения. Опыты на лягушках и рыбах положительного результата не дали.

Современные области применения дейтерия и образованной им тяжелой воды - атомная и ядерная энергетика. Получить в лабораторных условиях такую воду можно при помощи электролиза обычной - она образуется как побочный продукт. Сам дейтерий формируется при многократных перегонках водорода в специальных устройствах. Применение его основано на способности замедлять нейтронные синтезы и протонные реакции. Именно тяжелая вода и изотопы водорода - основа для создания ядерной и водородной бомбы.

Опыты на применении дейтериевой воды людьми в небольших количествах показали, что задерживается она недолго - полный вывод наблюдается через две недели. Употреблять ее в качестве источника влаги для жизни нельзя, однако техническое значение просто огромно.

Талая вода и ее применение

Свойства такой воды издревле были определены людьми как целебные. Давно было замечено, что при таянии снега животные стараются напиться водой из образовавшихся лужиц. Позже были тщательно исследованы ее структура и биологическое воздействие на организм человека.

Талая вода, ее признаки и свойства находятся посередине между обычной легкой и льдом. Изнутри она образована не просто молекулами, а набором кластеров, сформированных кристаллами и газом. То есть внутри пустот между структурными частями кристалла находятся водород и кислород. По общему виду строение талой воды сходно со строением льда - сохраняется структурность. Физические свойства такого оксида водорода незначительно меняются в сравнении с обычным. Однако биологическое воздействие на организм отличное.

При замораживании воды первой фракцией превращается в лед более тяжелая часть - это дейтериевые изотопы, соли и примеси. Поэтому эту сердцевину следует удалять. А вот остальная часть - чистая, структурированная и полезная вода. Каково воздействие на организм? Учеными Донецкого НИИ были названы следующие виды улучшений:

1. Ускорение восстановительных процессов.
2. Укрепление иммунитета.
3. У детей после ингаляций такой водой происходит восстановление и излечение простудных заболеваний, проходит кашель, насморк и прочее.
4. Улучшается дыхание, состояние гортани и слизистых оболочек.
5. Общее самочувствие человека, активность повышаются.

Сегодня существует ряд сторонников лечения именно талой водой, которые пишут свои положительные отзывы. Однако есть ученые, в том числе медики, которые эти взгляды не поддерживают. Они считают, что вреда от такой воды не будет, но и пользы мало.

Энергетика

Почему свойства воды могут изменяться и восстанавливаться при переходе в разные агрегатные состояния? Ответ на этот вопрос следующий: у данного соединения существует своя информационная память, которая записывает все изменения и приводит к восстановлению структуры и свойств в нужное время. Биоэнергетическое поле, через которое проходит часть воды (та, что поступает из космоса), несет в себе мощный заряд энергии. Эту закономерность часто используют при лечении. Однако с медицинской точки зрения не каждая вода способна оказать благоприятный эффект, в том числе и информационный.

Структурированная вода - что это?

Это такая вода, которая имеет несколько иное строение молекул, расположение кристаллических решеток (такое, которое наблюдается у льда), но это все же жидкость (талая также относится к этому типу). В этом случае состав воды и ее свойства с научной точки зрения не отличаются от тех, что характерны для обычного оксида водорода. Поэтому структурированная вода не может иметь такого широкого лечебного эффекта, который ей приписывают эзотерики и сторонники нетрадиционной медицины.

Вода́ (оксид водорода) - прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, лёд на полюсах).

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы). Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.

Почти 70% поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – 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 обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода. Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0° С (1 г/см3). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода - хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды - диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н20 содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н20-Н2S - Н2Sе) аномально высокая теплоемкость . С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.

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.

Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качестве осушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р205, СаО, ВаО, металлический Ма (они тоже химически взаимодействуют с водой), а также силикагель. К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролитического разложения.

Физические свойства воды.

Вода обладает рядом необычных особенностей:

1. При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/см³). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.

2. При нагревании от 0 °C до 4 °C (точнее, 3,98 °C) вода сжимается. Соответственно, при остывании - плотность падает. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.

3. Высокая температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг ), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.

4. Высокая теплоёмкость жидкой воды.

5. Высокая вязкость.

6. Высокое поверхностное натяжение.

7. Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Определенную роль играет протонное обменное взаимодействие между молекулами и внутри молекул воды. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода - каждый в одной, а атом кислорода - в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. 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.

Чистая (не содержащая примесей) вода - хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов HO− составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода - хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Агрегатные состояния.

1. По состоянию различают:

2. Твёрдое - лёд

3. Жидкое - вода

4. Газообразное - водяной пар

Рис.1 «Типы снежинок»

При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C. При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения - падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.

При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды - падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Так же возможны метастабильные состояния - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Изотопные модификации воды.

И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

1. Лёгкая вода (просто вода).

2. Тяжёлая вода (дейтериевая).

3. Сверхтяжёлая вода (тритиевая).

Химические свойства воды.

Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит - и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH-). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ ок. 16.