Основное вещество, которое позволяет существовать жизни на планете – это вода. Она необходима в любом состоянии. Изучение свойств жидкости привело к образованию целой науки – гидрологии. Предмет изучения большинства ученых – это физические и химические свойства . Они понимают под этими свойствами: критические температуры, кристаллическую решетку, примеси и другие индивидуальные особенности химического соединения.

Вконтакте

Изучение

Формула воды известна каждому школьнику. Это три простых знака, но содержатся они в 75% от общей массы всего на планете.

Н2О – это два атома и один — . Структура молекулы имеет эмпирическую форму, поэтому свойства жидкости такие многообразные, несмотря на простой состав. Каждая из молекул находится в окружении соседей. Они связаны одной кристаллической решеткой.

Простота строения позволяет жидкости существовать в нескольких агрегатных состояниях. Ни одно вещество на планете не может этим похвастаться. Н2О очень подвижна, она уступает в этом свойстве лишь воздуху. Каждый осведомлен о круговороте воды, о том, что после испарения ее с поверхности земли, где-то далеко проходит дождь или снег. Климат регулируется именно благодаря свойствам жидкости, которая может отдавать тепло, а сама при этом практически не изменяет свою температуру.

Физические свойства

Н2О и ее свойства зависят от многих ключевых факторов. Основные из них:

• Кристаллическая решетка. Строение воды, а точнее ее кристаллической решетки, обусловлено агрегатным состоянием. Она имеет рыхлое, но очень прочное строение. Снежинки показывают решетку в твердом состоянии, а вот в привычном – жидком, у воды нет четкости в строении кристаллов, они подвижны и изменчивы.
• Строение молекулы – шар. Но влияние земного притяжения заставляет воду принимать форму сосуда, в котором находится. В космосе она будет геометрически правильной формы.
• Реагирует вода с другими веществами, в том числе с теми, кто обладает неразделенными электронными парами, среди них спирт и аммиак.
• Обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью , быстро нагревается и долго не остывает.
• Еще со школы известно, что температура кипения — 100 градусов Цельсия. В жидкости появляются кристаллы при понижении до +4 градусов, а вот лед образуется при еще большем снижении. Температура кипения зависит от давления, в которое поместить Н2О. Есть эксперимент, при котором температура химического соединения достигает 300 градусов, при этом жидкость не кипит, а плавит свинец.
• Еще одним важным свойством является поверхностное натяжение. Формула воды позволяет ему быть очень прочным. Ученые выяснили, чтобы разорвать его потребуется сила с массой больше 100 тонн.

Интересно! Н2О, очищенная от примесей (дистиллированная), не может проводить ток. Это свойство оксида водорода появляется лишь при наличии растворенных в нем солей.

Другие особенности

Лед – это уникальное состояние, которое свойственно оксиду водорода. Он образует рыхлые связи, которые легко деформируются. Кроме того, расстояние между частицами значительно увеличивается, делая плотность льда намного ниже жидкости. Это позволяет водоемам не промерзать полностью в зимний период, сохраняя жизнь под слоем льда. Ледники – большой запас пресной воды.

Интересно! У Н2О есть уникальное состояние, которое называется явлением тройной точки. Это когда она находится сразу в трех своих состояниях. Возможно это условие, лишь при температуре 0,01 градус и давлении 610 Па.

Химические свойства

Основные химические свойства :

• Разделяют воду по жесткости, от мягкой и средней — до жесткой. Этот показатель зависит от содержания солей магния и калия в растворе. Есть также такие , которые находятся в жидкости постоянно, а от некоторых можно избавиться кипячением.
• Окисление и восстановление. Н2О влияет на процессы, изучаемые в химии, происходящие с другими веществами: одни она растворяет, с другими вступает в реакцию. Исход любого эксперимента зависит от правильного выбора условий, при которых он проходит.
• Влияние на биохимические процессы. Вода основная часть любой клетки , в ней как в среде, происходят все реакции в организме.
• В жидком состоянии впитывает в себя газы, которые неактивны. Их молекулы располагаются между молекулами Н2О внутри полостей. Так образуются клатраты.
• При помощи оксида водорода образуются новые вещества, которые не связаны с окислительно-восстановительным процессом. Речь идет о щелочах, кислотах и основаниях.
• Еще одна характеристика воды — это способность образовывать кристаллогидраты. Оксид водорода при этом остается в неизменном виде. Среди обычных гидратов можно выделить медный купорос.
• Если через соединение пропустить электрический ток, то можно разложить молекулу на газы.

Важность для человека

Очень давно люди поняли неоценимое значение жидкости для всего живого и планеты в целом. Без нее человек не может прожить и недели. Какого же полезное действие от этого самого распространенного на Земле вещества?

• Самое главное применение — это наличие в организме, в клетках, где проходят все важнейшие реакции.
• Образование водородных связей благоприятно сказывается на живых существах, ведь при изменении температуры жидкость в теле не замерзает.
• Человек давно применяет Н2О в бытовых нуждах, кроме приготовления пищи, это: стирка, уборка, купание.
• Ни один промышленный завод не может работать без жидкости.
• Н2О – источник жизни и здоровья , она является лекарством.
• Растения используют ее на всех этапах своего развития и жизни. С ее помощью они производят кислород, такой необходимый для жизни живых существ, газ.

Кроме самых очевидных полезных свойств, их имеется еще очень много.

Важность воды для человека

Критическая температура

У Н2О, как и у всех веществ, есть температура, которая называется критической . Критическая температура воды определяется методом ее нагрева. До 374 градусов по Цельсию жидкость называют паром, она еще может превратиться обратно в привычное жидкое состояние, при определенном давлении. Когда температура вышей этой критической отметки, то вода как химический элемент, превращается в газ безвозвратно.

Применение в химии

Большой интерес у химиков Н2О вызывает благодаря основному своему свойству – умению растворять. Часто ученые ею очищают вещества, чем создают благоприятные условия для проведения экспериментов. Во многих случаях она является средой, в которой можно провести опытные испытания. Кроме того, Н2О сама участвует в химических процессах, влияя на тот или иной химический эксперимент. Она соединяется с неметаллическими и металлическими веществами.

Три состояния

Вода предстает перед людьми в трех состояниях, называемых агрегатными. Это жидкость, лед и газ. Вещество одно и то же по составу, но разное по свойствам. У

мение перевоплощаться – очень важная характеристика воды для всей планеты, таким образом, происходит ее круговорот.

Сравнивая все три состояния, человек чаще видит химическое соединение все же в жидком виде. Вода не имеет вкуса и запаха, а то, что ощущается в ней, это из-за наличия примесей, растворенных в ней веществ.

Основные свойства воды в жидком состоянии — это: огромная сила, позволяющая точить камни и рушить скалы, а также возможность принимать любую форму.

Мелкие частицы при замерзании сокращают скорость своего движения и увеличивают дистанцию, поэтому структура льда пористая и по плотности ниже жидкости. Лед применяется в холодильных установках, для различных бытовых и промышленных целей. В природе лед несет лишь разрушения, выпадая в виде града или лавины.

Газ – еще одно состояние, который образуется, когда не достигается критическая температура воды. Обычно при температуре больше 100 градусов, или испаряясь с поверхности. В природе это облака, туманы и испарения. Большую роль искусственное газообразование сыграло в техническом прогрессе в 19 веке, когда были изобретены паровые двигатели.

Количество вещества в природе

75% — такая цифра покажется огромной, но это вся вода на планете, даже та, которая находится в разных агрегатных состояниях, в живых существах и органических соединениях. Если же учесть лишь жидкое, то есть воду, находящуюся в морях и океанах, а также в твердую – в ледниках, то процент становится 70,8%.

Распределение процентного содержания примерно такое:

• моря и океаны – 74,8%
• Н2О пресных источников, распределенная неравномерно по планете, в ледниках составляет — 3,4%, а в озерах, болотах и реках лишь 1,1%.
• На подземные источники приходится примерно 20,7% от всего количества.

Характеристика тяжелой воды

Природное вещество – водород встречается в виде трех изотопов , в таком же количестве форм есть и кислород. Это позволяет выделять кроме обычной питьевой воды еще дейтериевую и тритиевую.

Дейтериевая имеет самую устойчивую форму, она встречается во всех природных источниках, но в очень малом количестве. Жидкость с такой формулой обладает рядом отличий от простой и легкой. Так, образование кристаллов в ней начинается уже при температуре 3,82 градуса. А вот температура кипения немного выше — 101,42 градуса Цельсия. У нее больше плотность и способность к растворению веществ значительно снижена. Кроме того, ее обозначают другой формулой (D2O).

Живые системы реагируют на такое химическое соединение плохо. Лишь некоторые виды бактерий смогли в нем приспособиться к жизни. Рыбы и вовсе не выдержали такого эксперимента. В организме человека, дейтерий может находиться несколько недель, а после выводится, не причиняя вреда.

Важно! Пить дейтериевую воду – нельзя!

Уникальные свойства воды. – просто.

Вывод

Широкое применение тяжелая вода нашла в ядерной и атомной промышленности, а обычная — в повсеместном.

Из оксидов водорода самым распространенным на Земле является вода. Эмпирическая формула – Н2О. Молекулярная масса – 18. Строение молекулы воды (структурная формула):

Молекулы воды имеют треугольную формулу: атомы водорода образуют с атомом кислорода угол, равный 104,3 %. Вблизи атома кислорода образуется отрицательно заряженное поле, т. к. наибольшая электронная плотность сосредотачивается на атоме кислорода, а вблизи атомов водорода образуется положительно заряженное поле – молекула воды – диполь. Вследствие полярности молекулы воды ассоциируют, образуя водородные связи. Последние обуславливают все физические свойства воды.

Физические свойства: вода – бесцветная жидкость, без вкуса и запаха, плотность – 1 г/см3; температура замерзания – 0 °C (лед), кипения – 100 °C (пар). При 100 °C и нормальном давлении водородные связи рвутся и вода переходит в газообразное состояние – пар. У воды плохая тепло-и электропроводность, но хорошая растворимость.

Химические свойства: вода незначительно диссоциирует:

В присутствии воды идет гидролиз солей – разложение их водой с образованием слабого электролита:

Взаимодействует со многими основными оксидами, металлами:

С кислотными оксидами:

Получение: вода образуется при горении водорода в кислороде: 2Н2 + О2 = 2Н2О

Эта реакция протекает мгновенно при 700 °C. Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называется гремучей смесью . Методом перегонки получают чистую воду – дистиллированную воду.

Нахождение в природе: вода составляет 2/3 поверхности Земли. Природная вода не бывает чистой, т. к. в ней растворено огромное количество солей. Вода входит в состав многих кристаллогидратов: Nа2СО3 ? 10Н2О ; CuSO4 ? 5Н2О ; MgSO4? 7Н2О . Тяжелая вода D2О отличается от обычной, образованной водородом – протием – наличием в ней второго изотопа водорода – D (дейтерия), Аr которого – 2, следовательно, молекулярная масса тяжелой воды – 20. Плотность D2О = 1,1050 г/см3; температура кипения – 101,4 °C, замерзания – 3,8 °C. Химически менее активна. Применяется в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Она непригодна для жизненных процессов, т. к. изменяет скорость биохимических реакций. В обычной воде частично содержится тяжелая вода.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вода – оксид водорода – бинарное соединение неорганической природы.

Формула – H 2 O. Молярная масса – 18 г/моль. Может существовать в трех агрегатных состояниях – жидком (вода), твердом (лед) и газообразном (водяной пар).

Химические свойства воды

Вода – наиболее распространенный растворитель. В растворе воды существует равновесие, поэтому воду называют амфолитом:

H 2 O ↔ H + + OH — ↔ H 3 O + + OH — .

Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:

H 2 O = H 2 + O 2 .

При комнатной температуре вода растворяет активные металлы с образованием щелочей, при этом также происходит выделение водорода:

2H 2 O + 2Na = 2NaOH + H 2 .

Вода способна взаимодействовать с фтором и межгалоидными соединениями, причем во втором случае реакция протекает при пониженных температурах:

2H 2 O + 2F 2 = 4HF + O 2 .

3H 2 O +IF 5 = 5HF + HIO 3 .

Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой, подвергаются гидролизу при растворении в воде:

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 S.

Вода способна растворять некоторые вещества металлы и неметаллы при нагревании:

4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2 ;

H 2 O + C ↔ CO + H 2 .

Вода, в присутствии серной кислоты, вступает в реакции взаимодействия (гидратации) с непредельными углеводородами – алкенами с образованием предельных одноатомных спиртов:

CH 2 = CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH.

Физические свойства воды

Вода – прозрачная жидкость (н.у.). Дипольный момент – 1,84 Д (за счет сильного различия электроотрицательностей кислорода и водорода). Вода обладает самым высоким значением удельной теплоемкости среди всех веществ в жидком и твердом агрегатном состояних. Удельная теплота плавления воды – 333,25 кДж/кг (0 С), парообразования – 2250 кДж/кг. Вода способна растворять полярные вещества. Вода обладает высоким поверхностным натяжением и отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

Получение воды

Воду получают по реакции нейтрализации, т.е. реакции взаимодействия между кислотами и щелочами:

H 2 SO 4 + 2KOH = K 2 SO 4 + H 2 O;

HNO 3 + NH 4 OH = NH 4 NO 3 + H 2 O;

2CH 3 COOH + Ba(OH) 2 = (CH 3 COO) 2 Ba + H 2 O.

Один из способов получения воды – восстановление металлов водородом из их оксидов:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

И др.), присутствует в почве, является обязат. компонентом всех живых .

Изотопный состав. Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (мол. %): 1 Н 2 16 О - 99,13; 1 Н 2 18 О - 0,2; 1 Н 2 17 0-0,04; 1 Н 2 О 16 О-0,03; остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожных кол-вах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содержится небольшое кол-во радиоактивного 3 Н 2 (или Т 2 О). Изотопный состав природной воды разного происхождения неск. варьирует. Особенно непостоянно отношение 1 Н/ 2 Н: в пресных водах - в среднем 6900, в морской воде -5500, во - 5500-9000. По физ. свойствам D 2 O заметно отличается от обычной воде (см. ). Вода, содержащая 18 О, по св-вам ближе к воде с 16 О.

Физ. свойства воды аномальны. при атм. сопровождается уменьшением объема на 9%. Температурный коэф. объемного расширения и жидкой воды отрицателен при т-pax соотв. ниже -210°С и 3,98 °С. С° при возрастает почти вдвое и в интервале 0-100°С почти не зависит от т-ры (имеется минимум при 35 °С). Минимум изо-термич. (44,9*10 -11 Па -1), наблюдаемый при 46°С, выражен довольно четко. При низких и т-рах до 30 °С воды с ростом падает. Высокие диэлектрич. проницаемость и диполъный момент воды определяют ее хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным в-вам. Благодаря высоким значениям С°, и вода-важный регулятор климатич. условий на земле, стабилизирующий т-ру на ее пов-сти. Кроме того, близость угла Н-О-Н к тетраэдрическому (109° 28") обусловливает рыхлость структур и жидкой воды и, как следствие, аномальную зависимость плотности от т-ры. Поэтому не промерзают до дна крупные водоемы, что делает возможным существование в них жизни.

Табл. 1 - СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО , НАХОДЯЩИХСЯ В

Но плотность модификаций II-VI значительно ниже той, к-рой мог бы обладать лёд при . Только в модификациях VII и VIII достигается достаточно высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, построенные из тетраэдров (аналогичные существующим в кубич. низкотемпературном Iс, изоструктурном ), вставлены одна в другую; при этом сохраняется система прямолинейных , а координац. число по удваивается и достигает 8. Расположение во VII и VIII подобно расположению в и многих др. . В обычном (Ih) и кубическом (Iс) , а также во HI, V-VII ориентация не определена: оба ближайших к О образуют с ним , к-рые м. б. направлены к любым двум из четырех соседних в вершинах тетраэдра. Диэлектрич. проницаемость этих модификаций высока (выше, чем у жидкой воды). Модификации II, VIII и IX ориентационно упорядочены; их диэлектрич. проницаемость низка (ок. 3). VIII представляет собой упорядоченный по размещению вариант VII, а IX - III. Плотности ориентационно упорядоченных модификаций (VIII, IX) близки к плотностям соответствующих неупорядоченных (VII, III).

Вода как . Вода хорошо растворяет мн. полярные и диссоциирующие на в-ва. Обычно р-римость возрастает с увеличением т-ры, но иногда температурная зависимость имеет более сложный характер. Так, р-римость мн. , и при повышении т-ры уменьшается или сначала повышается, а затем проходит через максимум. Р-римость малополярных в-в (в т. ч. , входящих в ) в воде низкая и при повышении т-ры обычно сначала снижается, а затем проходит через минимум. С ростом р-римость возрастает, проходя при высоких через максимум. Многие в-ва, растворяясь в воде, реагируют с ней. Напр., в р-рах NH 3 могут присутствовать NH 4 (см. также ). Между растворенными в воде ,

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.