Анализ химических свойств воды

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Вода встречается на Земле почти повсеместно. 70 % земной поверхности занимает мировой океан; более 1,5 триллионов тонн воды содержатся в этом гигантском резервуаре. Под влиянием солнечного тепла часть морской воды постоянно испаряется, а образующийся водяной пар поднимается в воздух. Но эти огромные ресурсы не пригодны для питья: 97 % всех вод Земли засолены; лишь 1 % - пресная вода; 2 % - это ледники.

Если воздух, содержащий водяной пар, охладится, то выделятся мельчайшие водяные капельки. Из таких капелек состоят облака, которые переносятся потоками ветра с моря на континент. При определенных условиях мелкие капельки сливаются в более крупные, и на Землю выпадает дождь, снег или град. Почва впитывает эти осадки и собирает их в грунтовые воды. Избыток воды пробивается из почвы в виде родников, из них вытекают ручьи, сливающиеся в малые и большие реки. А реки несут воду опять в море, и так завершается этот круговорот воды в природе.

Без круговорота воды Земля имела бы совсем другой вид. Современное строение гор и долин, морских побережий и местностей, удаленных от моря, - все это возникло под влиянием механического и химического воздействия воды.

Без воды не было бы жизни на Земле. Все живое нуждается в воде, которая является одновременно и важнейшей составной частью растений и животных. Наше тело примерно на 65 % состоит из воды; у некоторых медуз ее содержание доходит даже до 99 %. Если бы вода внезапно исчезла с поверхности Земли, то она превратилась бы в мертвую пустыню.

1. Способы очистки и получения дистиллированной воды

*Получение дистиллированной воды.

Чтобы очистить воду, от растворенных в ней веществ, применяют перегонку или дистилляцию.

Сначала воду испаряют, при этом растворенные вещества оседают на стенках; затем пар конденсируют на холодном предмете. Дистиллированная вода не содержит растворенных веществ и потому широко применяется в науке и медицине. Большие количества дистиллированной воды получают в перегонных кубах.

*Очистка воды от взвешенных в ней веществ и микроорганизмов.

Природная вода всегда содержит примеси. В зависимости от целей ее использования применяют различные способы очистки. Если нужна чистая вода, без растворенных веществ и взвесей, применяют дистилляцию. Для питья можно использовать фильтрованную и хлорированную воду. Ее сначала отстаивают в специальных бассейнах (для того, чтобы осели взвешенные вещества), а затем фильтруют через слой песка. Очищенную от нерастворенных веществ, воду обрабатывают хлором или озоном, иногда ультрафиолетовыми лучами, чтобы убить вредные микробы.

2. Физические свойства

Вода - самое распространенное на Земле вещество, но многие загадки воды до сих пор не разгаданы. Нам известно, что чистая (дистиллированная) вода - бесцветная, безвкусная жидкость. Не пахнет, не проводит электроток. В одних случаях вода входит в состав веществ, будучи связанной химически, в других - в виде самостоятельных, часто изолированных молекул, удерживаясь за счет межмолекулярных взаимодействий, в третьих - в жидком состоянии, заполняя поры и структурные полости. Имеет очень большую удельную теплоемкость (4200 Дж/кгоС), а потому используется в системах охлаждения и т.п. Плавится и кристаллизуется при 0 °С), кипит при 100 °С (кстати, Цельсий изобрел свою шкалу, основываясь на физических свойствах воды! Он принял промежуток между температурами плавления и кипения воды = 100. Потом он разделил этот промежуток на 100 частей и принял каждую часть равной 1°С).

Максимальная плотность воды равна 1000 кг/мЗ(1 г/смЗ) при 4° С, а не при 0° С - это одна из странностей поведения воды. Лед имеет меньшую плотность, чем незамерзшая вода, и поэтому он не опускается на дно реки, а лежит на поверхности. Вот несколько свойств воды, которые были открыты в последнее время. В жаркий летний день по озеру снуют водомерки. Они каким-то чудом удерживаются на поверхности, не проваливаясь вглубь. Здесь все дело в поверхности натяжения. Молекулы воды интенсивно притягиваются друг к другу и создают на поверхности воды как - бы пленку. Лапки водомерки имеют большую площадь и поэтому удерживаются на поверхности, т.е. на этой пленке.

Чай тоже можно налить выше краев стакана, благодаря тому же поверхностному натяжению. Чем чище вода (т.е. чем меньше инородных молекул вклинено между молекулами воды), тем прочнее эта пленка.

В лабораториях удалось получить столбик чистой воды диаметром 2,5 см. Для разрыва этого столбика потребовалось 900 кг. И это еще не предел очистки воды: ученые подсчитали, что если очистить воду полностью, то тогда столбик воды такого же диаметра выдержит 95 тонн. По поверхности абсолютно чистого озера можно было бы ходить, кататься на коньках!

Еще один феномен тщательно прорабатывался 40 лет назад. Речь идет о двигателях на... горячей воде. Если в прочном, герметически закрытом сосуде нагревать определенные количества воды до температуры 374 °С, то вода так и не превратится в пар. Почти в 3 раза уменьшится плотность; давление повысится до 225 атмосфер, но ... Это теперь, по существу, не вода, а взрывчатое вещество, 1 кг которого по силе равен 50 гр тола. Вот если к такому сосуду присоединить сопло реактивного двигателя, то вода мгновенно вскипит, а из сопла вырвется струя пара со скоростью 1300-1500 м/с. Каждый килограмм пара в течение секунды создаст тягу в 130-150 кг. Двигатели на воде являются экологически чистыми, но подогревать (теплоемкость 4200Дж/кг °С) очень хлопотно.

Феноменом является наличие памяти у воды. Если воду подвергать воздействию малых магнитных полей, то в паровых котлах, чайниках снижается количество накипей, люди чувствуют себя гораздо лучше, растения развиваются быстрее... Эффект сохраняется около 6 часов. В лабораториях исследуют это свойство воды. При воздействии на воду магнитного поля начинают изменятся электропроводность, прозрачность, вязкость. Вода реагирует на магнитные бури и солнечные вспышки. Есть гипотезы о спиновой памяти воды (атомы в воде, как маленькие тумблеры, запоминают свое направление вращения, то есть атомы при изменениях внешнего поля меняют направление вращения).

Вообще вода - очень таинственная жидкость.

3. Химические свойства

Вода вступает в реакцию с очень многими веществами. Примеры некоторых реакций воды с различными веществами:

1. Вода вступает в реакцию с простыми веществами

а) с активными (с щелочными (I период таблицы Менделеева ) и щелочно-земельными (II период таблицы Менделеева ). При этом образуется щелочь и водород.

Реакция замещения:

2 Li + 2 НОН = 2 LiOH + Н2 (литий + вода -> гидроксид лития + водород)

б) с некоторыми металлами. При этом продукты реакции различны.

Реакция замещения:

С + Н20 = Н2 + СО (углерод + вода -> водород + оксид углерода (II))

2. Вода вступает в реакцию со сложными веществами.

а) с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов. При этом получаются щелочи.

Реакция соединения:

СаО + НОН = Са(ОН)2 (оксид кальция + вода -> гидроксид кальция)

б) с оксидами почти всех металлов, с образованием кислот.

Реакция соединения:

S03 + Н20 = H2S04 (оксид серы (VI) + вода -> серная кислота).

3. Вода под действием тока разлагается на водород и кислород.

На этом основан анализ воды - метод определения состава вещества путем его разложения.

Реакция разложения:

2 Н20 = 2 Н2 + 02 (вода -> водород + кислород).

Кристаллогидраты.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называют кристаллогидратами, а вода, входящая в состав - кристаллизационной. Состав кристаллогидратов выражают формулами, которые имеют вид:

FeSO4x7H2O CuSO4x5H2O Na2SO4x10H2O

Образование иона гидроксония (H3O+).

В атоме кислорода два неспаренных электрона, но так как на наружном энергетическом уровне нет свободных орбиталей, то распаривания электронов не происходит. Поэтому кислород обычно 2-ух валентен.

Атом кислорода может передать одну из неподелённых электронных пар в вакантную орбиталь иона водорода и образовать ион гидроксония.

H+ + H2O = H3O+

Из схемы видно, что атом кислорода при образовании иона гидроксония предоставляет общую электронную пару, т.е. является донором, а ион H+ - акцептором.

Следовательно, в ионе гидроксония кислород трёхвалентен.

Отсюда можно сделать следующий вывод:

Валентные возможности атомов определяются не только числом неспаренных электронов, но и числом неподеленных электронных пар, способных переходить на свободные орбитали атомов другого элемента.

Водородные связи.

Образование водородной связи обусловлено спецификой водорода как элемента, атом которого состоит из протона и электрона. В соединениях водорода с резко электроотрицательными элементами (фтор, кислород, азот) на атоме водорода возникает положительный заряд. Такой водород имеет уникальные свойства: очень малый размер и отсутствие электронов, поэтому он может взаимодействовать с неподеленными парами электронов атома более электроотрицательного элемента соседней молекулы, в результате между молекулами возникает дополнительная водородная связь

Водородная связь - это связь, которая образуется между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом сильно электроотрицательного элемента другой молекулы. Чем больше электроотрицательность элемента, с которым образует соединение водород, тем больше энергия водородной связи.

Образование водородной связи приводит к ассоциации (соединению) молекул. Водородная связь сильнее всего проявляется у соединений фтора и кислорода, слабее у соединений азота.

Н- F + H- F = H-F · · · H-F

Обозначают водородную связь тремя точками. Способностью к ассоциации обладают как неорганические, так и органические соединения (воды, спирты, аммиак и др.)

Водородная связь, как и ковалентная, имеет направленность в пространстве и насыщаемость.

Длина водородной связи больше обычной ковалентной связи, энергия в 10-20 раз меньше энергии ковалентной связи. В связи с этим водородные связи малоустойчивы и довольно легко разрываются (например, при таянии льда и кипения воды). На разрыв этих связей требуется дополнительная энергия, поэтому температура плавления и кипения вещества, в которых молекулы соединены между собой, оказываются выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей.

Диссоциация.

Электролитическая диссоциация - это процесс распада электролита на ионы под действием полярных молекул растворителя.

Дождливый день. На остановке троллейбуса люди складывают зонтики и заходят в салон. Вот один из них поставил ногу на ступеньку и тут же отпрянул: «Ой, током бьет!» Как же ток добрался до пассажира?

Еще на заре изучения электрических явлений ученые заметили, что ток могут проводить не только металлы, но и растворы. Но не всякие. Так, водные растворы поваренной соли и других солей, растворы сильных кислот и щелочей хорошо проводят ток. Растворы уксусной кислоты, углекислого и сернистого газа проводят его намного хуже. А вот растворы спирта, сахара и большинства других органических соединений вовсе не проводят электрический ток. Английский физик Майкл Фарадей еще в 30-е годы XIX века, изучая закономерности прохождения электрического тока через растворы, ввел термины «электролит», «электролиз», «ион», «катион», «анион». Электролит - это вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Происходит это в результате движения в растворе заряженных частиц - ионов. Неэлектролит - это вещества, растворы или расплавы которых не проводят электрического тока.

Причина появления в растворах заряженных частиц была совершенно непонятной. Само название «электролит» (от греч. lysis - разрушение, растворение) предполагало, что ионы появляются в растворе при пропускании через него электрического тока.

Теория электролитической диссоциации разработана в 1887 году шведским ученым С. Аррениусом.

Процесс Э.Д. в зависимости от степени полярной связи, может быть обратимым или необратимым.

Диссоциация ионных соединений и веществ с ковалентным сильнополярными связями в воде является необратимым процессом.

Ba(OH)2 = Ba2+ + 2OH-

HCL = H++ CL-

Na2S = 2Na+ + S2-

Такие вещества относят к сильным электролитам. В водном растворе сильного электролита находятся только его гидратированные ионы. К ним относятся:

1. почти все соли,

2. многие неорганические кислоты: HNO3, H2SO4, H2SeO4, HCLO3, HCLO4, HBrO3, HIO3, HMnO4, H2Cr2O7, HCL, HBr, HI;

3. основания щелочных и щелочно-земельных металлов и гидроксид таллия (I)

Диссоциация веществ с менее полярной связью является обратимым процессом:

HF - H+ + F-

NH3 · H2O - NH4+ + OH-

Эти вещества относятся к слабым электролитам. Раствор слабого электролита содержит как исходные молекулы, так и продукты диссоциации - гидратированные ионы. Слабыми электролитами являются:

1. почти все органические кислоты и вода

2. некоторые неорганические кислоты: HF, HCLO, HCN, HBrO, H3PO4, H2SiO3, H2S и др.

3. некоторые нерастворимые гидроксиды неметаллов: Fe(OH)3, Zn(OH)2 и др. а так же NH3 x H2O.

Явления диссоциации химикам были известны; например, при нагревании хлорида аммония: он возгоняется с одновременной диссоциацией на две молекулы: NH4Cl * NH3+ HCl. Но распад при нагревании было объяснить намного легче: энергия, необходимая для диссоциации, черпается за счет тепловой энергии. А вот откуда берется энергия при растворении соли в воде при комнатной температуре, никто объяснить не мог (температура раствора часто почти не меняется). Более того, при растворении некоторых солей в воде раствор сильно нагревается! Непонятно было так же, как и на что может распадаться в растворе поваренная соль - ведь не на натрий же и хлор!

В 1887 году шведский физико-химик Сванте Аррениус, исследуя электропроводность водных растворов, высказал предположение, что в таких растворах вещества распадаются на заряженные частицы - ионы, которые могут передвигаться к электродам - отрицательно заряженному катоду и положительно заряженному аноду. Это и есть причина электрического тока в растворах. Данный процесс получил название электролитической диссоциации (дословный перевод - расщепление, разложение под действием электричества). Такое название также предполагает, что диссоциация происходит под действием электрического тока. Дальнейшие исследования показали, что это не так: ионы являются только переносчиками зарядов в растворе и существуют в нем независимо от того, проходит через раствор ток или нет.

Теория Аррениуса, с одной стороны, объясняла, почему растворы электролитов проводят ток, с другой стороны - объясняла увеличение числа частиц в растворе. Например, в растворе сульфат алюминия Al2(SO4)3 распадается сразу на пять ионов: два катиона алюминия Al3+ и три сульфат-аниона SO42-. За создание теории электролитической диссоциации Аррениус в 1903 году был удостоен Нобелевской премии по химии.

Многие ученые - современники Аррениуса, вначале не приняли его теорию. У многих из них то время еще не было четкого понимания, чем ионы отличаются от нейтральных атомов. Им казалось невероятным, как, например, хлорид натрия в воде может существовать в виде отдельных ионов натрия и хлора: как известно, натрий бурно реагирует с водой, а раствор хлора имеет желто-зеленый цвет и ядовит. В результате диссертация Аррениуса получила ряд отрицательных отзывов. К числу самых непримиримых противников Аррениуса принадлежал и Д.И.Менделеев, создавший «химическую» теорию растворов, в отличие от «физической» теории Аррениуса. Менделеев считал, что в растворах происходят по сути химические взаимодействия между растворенным веществом и растворителем, тогда как теория Аррениуса представляла водные растворы как механическую смесь ионов и воды. В 1889 году Менделеев опубликовал Заметку о диссоциации растворенных веществ, в которой ставился под сомнение сам факт распада на ионы в растворах электролитов. «Сохраняя все то, что приобретено в отношении к пониманию растворов, - писал Менделеев, - мне кажется, можно оставить в стороне гипотезу об особом виде диссоциации - на ионы, совершающейся с электролитами при образовании слабых растворов».

Хотя Менделеев, критикуя Аррениуса, во многом был не прав, в его рассуждениях была значительная доля истины. Как это часто бывает в науке, в ожесточенном споре между приверженцами физической и химической теории правыми оказались обе стороны. Очень сильное химическое взаимодействие между ионами и молекулами растворителя дает ту энергию, которая необходима для разрушения кристаллической решетки или молекул электролитов. В случае водных растворов эта энергия называется энергией гидратации (hydor по-гречески вода) и она может достигать очень больших значений; так, энергия гидратации катионов Na+ почти вдвое больше, чем энергия разрыва связи в молекуле Cl2. Чтобы разъединить катионы и анионы в кристаллах электролитов, тоже требуется затратить немало энергии (она называется энергией кристаллической решетки). В результате если суммарная энергия гидратации катионов и анионов при образовании раствора больше энергии кристаллической решетки (или энергии связи между атомами в таких электролитах, как HCl, H2SO4), растворение будет сопровождаться нагреванием, а если меньше - охлаждением раствора. Именно поэтому при растворении в воде таких веществ как LiCl, безводный CaCl2 и многих других раствор нагревается, а при растворении KCl, KNO3, NH4NO3 и некоторых других - охлаждается. Охлаждение может быть таким сильным, что стакан, в котором готовят раствор, покрывается снаружи росой и может даже примерзнуть к мокрой подставке!

Механизм электролитической диссоциации можно рассмотреть на примере хлороводорода. Связь H-Cl - ковалентная - полярная, молекулы HCl - диполи с отрицательным полюсом на атоме Cl и положительным на атоме Н. Полярны и молекулы воды. В водном растворе молекулы HCl окружены со всех сторон молекулами воды так, что положительные полюса молекул Н2О притягиваются к отрицательным полюсам молекул HCl, а отрицательные полюса - к положительным полюсам молекул HCl. В результате связь H-Cl сильно поляризуется и разрывается с образованием гидратированных катионов H+ и анионов Cl-: диполи Н2О как бы растаскивают молекулы HCl на отдельные ионы. Каждый катион H+ в растворе окружен со всех сторон диполями Н2О, направленными к нему своими отрицательными полюсами, а каждый анион Cl- окружен противоположно ориентированными диполями Н2О. Аналогичные процессы происходят в воде с молекулами H2SO4, другими молекулами с полярными ковалентными связями, а также с ионными кристаллами. В них уже имеются «готовые» ионы, и роль диполей воды сводится к отделению катионов от анионов.

Ионы резко отличаются по своим физическим и химическим свойствам от нейтральных атомов. Например, атомы Na реагируют с водой, а катионы Na+ - нет;

хлор - сильный окислитель и ядовит, а анионы Cl- не являются окислителем и не ядовиты. Цвет ионов при гидратации может измениться. Например, негидратированные ионы меди бесцветны (безводный CuSO4), а гидратированные - голубые.

Учитывая диссоциацию в растворах, уравнения многих реакций можно записать в сокращенном ионном виде. Ионное уравнение показывает, какие именно ионы участвуют в реакции. Например, полное уравнение реакции AgNO3 + NaCl, AgCl + NaNO3 можно записать в сокращенном ионном виде: Ag+ + Cl- AgCl. Суть реакции состоит в образовании осадка AgCl при встрече ионов Ag+ и Cl-, тогда как ионы Na+ и NO3- остаются в растворе и фактически не принимают участия в реакции.

Гидролиз.

В широком смысле гидролизом называется реакция разложения веществ водой. Гидролизу подвергаются химические соединения, относящиеся к различным классам: галогениды, оксигалогениды, соли, белки, жиры, углеводы, эфиры, карбиды и др. В неорганической химии чаще всего приходится иметь дело с гидролизом солей. Гидролиз соли - результат вторичных процессов гидратации ионов соли, сопровождающихся химической реакцией разложения воды. В отсутствие такой реакции растворение соли не изменяет рН воды (рН=7), т.е. не влияет на равновесие (без учёта первичной гидратации).

Н2О-Н + ОН? (а)

Так, при растворении NaCL, диссоциирующего по уравнению:

NaCL-Na+ + CL?

Ионы натрия и хлора не влияют на смещение равновесия (а), поскольку они не могут образовать с ионами воды недиссоциированных молекул. Очевидно, все соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, не будут подвергаться гидролизу.

Ионы соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой:

FeCL3 + H2O = FeOHCL2 + HCL [H+]<[OH-]

Или сильным основанием и слабой кислотой:

Na2S + H2O = NaHS + NaOH [H+]>[OH-]

Будут смещать равновесие (а): в первом случае в сторону увеличения концентрации иона Н, во втором - в сторону их уменьшения по сравнению с чистой водой.

Полный гидролиз:

AL2S + H2O = AL(OH)3v + H2S^

Электролиз водных растворов

Изучая действие постоянного тока на различные вещества, ученые обнаружили, что он вызывает окислительно-востоновительные реакции в растворах и расплавах электролитов.

Окислительно-востоновительный процесс, вызванный действием постоянного тока, называют электролизом.

Слово «электролиз» означает разложение под действием электричества. Например, под действием электрического тока вода разлагается на простые вещества - водород и кислород.

В процессах электролиза, протекающих в водных растворах, может участвовать вода, которая может быть как окислителем за счёт атомов Н, так и восстановителем за счёт атомов О.

На катоде вода восстанавливается до газообразного водорода.

Эта полуреакция происходит при электролизе растворов соединений активных металлов - тех, которые стоят левее водорода в ряду напряжения. Если же металл находится правее водорода, то на катоде восстанавливается не вода, а ионы металла, при этом металл выделяется в свободном виде.

На аноде вода окисляется до газообразного кислорода.

Эта полуреакция происходит в растворах солей кислородосодержащих кислот - нитратов, сульфатов, фосфатов, карбонатов. Если же анионы кислотного остатка не содержат атомов кислорода, то на аноде окисляются именно эти ионы (за исключением ионов F-)

Рассмотрим процессы окисления и восстановления, протекающие на электродах. Медь стоит в ряду напряжения правее водорода, поэтому на катоде ионы меди восстанавливаются до металла. Сульфат-ион содержит атомы кислорода, следовательно, на аноде окисляется вода и выделяется кислород.

Катод(-): Cu2+ + 2e > Cu 2 - восстановление

Анод(+): 2H2O - 4e > O2 + 4H+ 1 - окисление

При сложении уравнений полуреакции получаем сокращенное ионное уравнение электролиза:

2Cu2+ + 2H2O > 2Cu + O2^ + 4H+.

Добавив в левую и правую части по 2 иона SO4 , которые в электролизе не участвуют, получим молекулярное уравнение электролиза раствора сульфата меди (II):

2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + O2^ + 2H2SO4

Если подвергнуть электролизу соль активного металла и кислородосодержащей кислоты, например нитрат калия, то на катоде, и на аноде в полуреакции вступает только вода.

Катод(-): 2H2O + 2e > H2^ + 2OH- 2 - восстановление

Анод(+): 2H2O - 4e > O2 + 4H+ 1 - окисление

6H2O = 2H2 + 4OH- + O2 + 4H+

Ионы водорода и гидроксид-ионы реагируют друг с другом:

4H+ + 4OH- = 4H2O

После сокращения числа молекул воды в левой и правой частях получаем суммарное уравнение электролиза:

2H2O=2H2^ + O2^

Таким образом, при электролизе растворов некоторых веществ происходит электролитическое разложение вода, а растворенные вещества при этом не изменяются.

2H2O = 2H2^ + O2^

Электролиз широко используется в разных отраслях промышленности. С его помощью получают многие ценные вещества: алюминий, натрий, калий, хлор, фтор, водород, щелочи. Важная область применения электролиза - нанесение металлических покрытий на различные поверхности. Часы с позолотой, хромированные детали машин, серебряная посуда - на все эти изделия поверхностный слой металла наносят посредством электролиза.

Следует отметить, что сам электролиз и связанные с ним процессы (например, плавление) требуют большой затраты энергии.

4. Применение воды

Роль воды в нынешней науке и технике очень велика. Вот только часть областей применения воды.

В сельском хозяйстве для полива растений и питания животных.

В химической промышленности для получения кислот, оснований, органических веществ.

В технике для охлаждения, в паровых двигателях.

В металлургии для выплавки металлов.

В медицине для приготовления лекарств.

В термоядерных реакторах для задержки нейтронов применяется тяжелая или сверхтяжелая вода (D20, Т20 соответственно; D - дейтерий, Т - тритий; это изотопы водорода).

Бурное развитие всех отраслей промышленности может повлечь за собой недостаток пресной воды. Чтобы изготовить 1 кг бумаги, требуется 100 л воды; чтобы вырастить корову требуется 100 л в сутки. Расход воды на одного городского жителя - около 40 литров в сутки. Экономисты посчитали, что все фабрики и заводы России "выпивают" за минуту целую реку Волгу. И это неудивительно. На производство одной тонны металла идет 500 тонн воды, на производство одной тонны капрона в 7-8 раз больше.

Чтобы избежать "водяного голода", ученые предлагают опреснять воды Мирового океана. И сейчас по всей Земле строят дистилляционные установки для получения пресной воды. Есть и другие способы опреснения воды: замораживание; воздействие электротока; полупроницаемые мембраны, поры которых пропускают лишь мелкие молекулы воды, а молекулы солей задерживают; и т.д.

Вода как растворитель.

Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электроны сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а так же того, что ион водорода 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. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода -- каждый в одной, а атом кислорода -- в двух. При таянии льда часть связей рвется, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4° С этот эффект слабее, чем обычное 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. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягиваются к атомам кислорода, а отрицательно заряженные -- к атомам водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворимого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Поэтому вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) вода--хороший изолятор. Но благодаря тому, что вода -- растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, что обуславливает наличие в воде различных положительных и отрицательных ионов, что позволяет определять чистоту воды по её электропроводности.

Тяжелая вода.

Тяжёлая вода (также оксид дейтерия) -- обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды. Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода -- дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как D20 или 2Н20. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная -- бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

История открытия.

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году. А уже в 1933 году Гилберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду

Нахождение в природе.

В природных водах один атом дейтерия приходится на 6400 атомов протия. Почти весь он находится в составе молекул полутяжёлой воды DHO. одна такая молекула приходится на 3200 молекул лёгкой воды. Лишь очень незначительная часть атомов дейтерия формирует молекулы тяжёлой воды D20, поскольку вероятность двух атомов дейтерия встретиться в составе одной молекулы в природе мала (примерно 0,5*10--7). При искусственном повышении концентрации дейтерия в воде эта вероятность растет.

Биологическая роль и физиологическое воздействие.

Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими (мыши, крысы, собаки) показали, что замещение 25 % водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, иногда необратимой. Более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного; так, млекопитающие, которые пили тяжёлую воду в течение недели, погибли, когда половина воды в их теле была дейтерирована; рыбы и беспозвоночные погибают лишь при 90% дейтерировании воды в теле. Некоторые микроорганизмы и грибы способны жить в 70 % растворе D20 в Н20 и даже в чистой тяжёлой воде. Человек может без всякого вреда для здоровья выпить несколько стаканов тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.

Таким образом, тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, например, поваренная соль. Тяжёлая вода использовалась для лечения артериальной гипертензии у людей в суточных дозах до 1,7 г дейтерия на кг веса пациента.

Тяжёлая вода накапливается в остатке электролита при многократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода быстро поглощает пары обычной воды, поэтому можно сказать, что она гигроскопична. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 200--250 долларов за литр).

Среди населения бытует миф о том, что при длительном кипячении природной воды концентрация тяжёлой воды в ней повышается, что якобы может вредно сказаться на здоровье. В действительности же реальное повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении смехотворно (менее процента и к тому же, как сказано выше, тяжёлая вода практически не ядовита), гораздо сильнее скажется на вкусе и свойствах воды повышение концентрации растворённых солей.

Важнейшим свойством тяжёловодородной воды является то, что она практически не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя. Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии, биологии и гидрологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино SNO (Канада) содержит 1 килотонну тяжёлой воды.

Другие виды тяжёлых вод. Полутяжёлая вода

Выделяют также полутяжёлую воду (известную также под названиями дейтериевая вода, монодейтериевая вода, гидрооксид дейтерия), у которой только один атом водорода замещен дейтерием. Формулу такой воды записывают так: DHO или 2ННО. Следует отметить, что вода, имеющая формальный состав DHO, вследствие реакций изотопного обмена реально будет состоять из смеси молекул DHO, D20 и Н20 (в пропорции примерно 2:1:1). Это замечание справедливо и для ТНО и TDO.

Сверхтяжёлая вода.

Сверхтяжёлая вода содержит тритий, период полураспада которого более 12 лет. По своим свойствам сверхтяжёлая вода (Т20) еще заметнее отличается от обычной: кипит при 104°С, замерзает при +9°С и имеет плотность 1,33 г/смЗ. Известны (то есть, получены в виде более или менее чистых макроскопических образцов) все девять вариантов сверхтяжёлой воды: ТНО, TDO и Т20 с каждым из трёх стабильных изотопов кислорода. Иногда сверхтяжёлую воду называют просто тяжёлой водой, если это не может вызвать путаницы. Сверхтяжёлая вода имеет высокую радиотоксичность.

Тяжёлокислородные изотопные модификации воды.

Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к тяжёлокислородной воде, у которой обычный лёгкий кислород 160 заменён одним из тяжёлых стабильных изотопов 170 или 180. Тяжёлые изотопы кислорода существуют в природной смеси, поэтому в природной воде всегда есть примесь обеих тяжёлокислородных.

Значение воды в живых организмах.

«Вода важнее золота» - утверждали бедуины, всю жизнь кочевавшие в песках. Научно известно, что человек может прожить без воды не больше 3 дней, а представьте, на сколько этот срок уменьшается, если человек находится в пустыне без влаги. Какую значимость создает вода для организма человека, животных? Все ли ее тайны раскрыты? Еще так много неизведанного и неизученного таит она в себе. Уже очень много написано о ней. И еще больше будет написано в самое близкое время. Уже много лет мы стараемся выявить значение пресной воды в этой жизни. В наше время к ранее известным физико-химическим свойствам воды добавились свежие свойства, которые не вписываются в прошлые временные рамки. Процесс изучения качеств и познания сущности и значения воды продолжался на протяжении многих веков. Еще в XVIII веке никто не подозревал о том, что воду можно приобщить к химическому соединению. Некоторые исследователи тех времен и ученые утверждали, что вода является стандартным химическим элементом. Целый мир знал, что вода - химическое соединение, формула которого Н20. В 1932 году мир облетела сенсация: кроме привычной воды, в природе имеется еще и тяжелая вода. Сегодня известно, что изотопных видов воды может быть 135. Состав тяжелой воды различается от состава обыкновенной воды, даже освобожденной от всех добавок, он сложнее, чем у обыкновенный. Такое нелегкое это «простейшее соединение» - вода! При взаимодействии с веществами, воду можно идентифицировать как раствор за ее химические свойства. Вода может растворить практически все. В природных обстоятельствах вода всегда имеет то или иное количество примесей, взаимодействует не только с твердыми и жидкими веществами, но и растворяет газы. Вода - поразительное химическое соединение, изучаемое не только химиками, но и физиками. Вода, какой бы она не была по составу, имеет разное влияние на здоровье человека. Не смотря на почти идентичный состав, каждая вода формируется в собственных условиях. Вода - не только самая распространенная, но и самая важная жидкость в окружающей среде, она - жизнь всего живого. Энергия воды в настоящее время удачно применяется в обрядах исцеления человека от болезней. Не существует ни одного народа, у которого вода не считалась бы матерью всего живого. Говорится: нет воды - нет жизни, есть вода - есть жизнь. Роль воды огромна для всего живого. Что было бы, если на Земле не оставалось бы рек, морей и океанов? Что было бы с нами? В данном случае жизнь на нашей планете не смогла бы даже появиться. Исключительно воде планета обязана появлением и развитием жизни, тогда, не будь ее, не было бы и нас. В данном случае ни один живой бы организм не выжил бы, а жизнь бы не появилась. Не будь воды, не знали бы мы ее строения, ее качеств, ее значимости, ее особенностей, не узнали бы мы что есть жизнь. Требуется беречь ее, и учить этому следующие поколения. Вода несёт информацию о состоянии нашей планеты, поэтому ее надо оберегать.

Заключение

химический кристаллогидрат диссоциация дистиллированный

Я заинтересовался этой темой потому что, на мой взгляд, это одна из важнейших и интереснейших тем в современной химии.

Вода - одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца еще не понята. Внешне вода кажется достаточно простой. Но это не так

Она получается при взаимодействии водорода и кислорода и описывается химической формулой Н20. Вода очень разнообразна. Тяжелая, сверх тяжелая, легкая и другие виды. Вода - поразительное химическое соединение, изучаемое не только химиками, но и физиками. Вода, какой бы она не была по составу, имеет громадное влияние на здоровье человека. Не смотря на почти идентичный состав, каждая вода формируется в собственных условиях. Вода - не только самая распространенная, но и самая важная жидкость в окружающей среде, она - жизнь всего живого.

Энергия воды в настоящее время удачно применяется в обрядах исцеления человека от болезней. Не существует ни одного народа, у которого вода не считалась бы матерью всего живого. Говорится: нет воды - нет жизни, есть вода - есть жизнь. Роль воды огромна для всего живого. Что было бы, если на Земле не оставалось бы рек, морей и океанов? Что было бы с нами? В данном случае жизнь на нашей планете не смогла бы даже появиться. Исключительно воде планета обязана появлением и развитием жизни, тогда, не будь ее, не было бы и нас.

Среди всех веществ, имеющихся на Земле, вода, благодаря своеобразию своих физических и химических свойств, занимает исключительное положение в природе и играет особую роль в жизни человека. Вода - это единственное вещество, встречающееся в огромных количествах в естественных условиях во всех трех агрегатных состояния: твердом, жидком и газообразном.

Действуя как мощный геологический фактор и покрывая около трех четвертей поверхности нашей планеты, вода определяет облик Земли и является колыбелью жизни на ней. Как подчеркивал академик В. И. Вернадский, нет такого компонента, который мог бы "...сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, которое её не включало".

Удивительная созерцательность и умиротворенность воды в тихом лесном озерце или журчащем ручейке, с одной стороны, и ее буйство в жутких по высоте и силе волнах цунами. Грозная воинственность наводнений - с другой, ставят воду в разряд особых явлений, обладающих как огромной созидающей, так и разрушающей силой и требующей к себе особого внимания.

Вода играет чрезвычайно важную роль в жизни человека, животного и растительного мира, и природы в целом. Дееспособность всех живых клеток связана с присутствием воды. Рассматривая значение воды для человека, мы находим, что его организм - это совокупность водных растворов, коллоидов, суспензий и других сложных по составу водных систем.

Вода доставляет в клетки организма питательные вещества (витамины, минеральные соли) и уносит отходы жизнедеятельности (шлаки). Кроме того, вода участвует в процессе терморегуляции (потоотделение) и в процессе дыхания (человек может дышать абсолютно сухим воздухом, но не долго) Для нормальной работы всех систем человеку необходимо как минимум 1,5 литра воды в день.

Таким образом, водород и вода - поразительные и загадочные, изученные и не познанные, необходимые и опасные, связаны с нами неразрывно и всегда будут пробуждать интерес и будоражить самые великие умы человечества, побуждая их к новым удивительным открытиям, которые могут изменить наши представления о вселенной и о нас самих.

Размещено на Allbest.ru

...