Химия
9 класс

§ 20. Вода

Строение молекулы воды. Давайте вспомним, как построена молекула воды. Она имеет угловое строение: входящие в её состав атомы образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода, а в вершине — атом кислорода. Межъ-ядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями Н—О—Н равен 104,5°. Из восьми электронов внешнего слоя атома кислорода в молекуле воды четыре электрона задействованы в образовании ковалентных связей О—Н, остальные составляют две неподелённые электронные пары:

Связи О—Н являются полярными за счёт более высокой электроотрицательности кислорода, на атомах которого возникает частичный отрицательный заряд. На атомах водорода, напротив, возникает частичный положительный заряд:

В целом молекула Н2O является полярной молекулой, т. е. диполем.

Водородная химическая связь. Относительная молекулярная масса воды равна 18 и отвечает её простейшей формуле. Почему же это вещество является жидкостью, а, например, хлор, относительная молекулярная масса которого 71, представляет собой при обычных условиях газ? Всё дело в том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт особой химической связи, которая называется водородной.

Химическая связь между атомами водорода одной молекулы и атомами наиболее электроотрицательных элементов (фтора, кислорода, азота), имеющих неподелённые электронные пары, другой молекулы называется водородной.

Это очень слабая химическая связь — примерно в 15—20 раз слабее ковалентной. Однако именно благодаря ей некоторые низкомолекулярные вещества (т. е. имеющие небольшую относительную молекулярную массу) имеют повышенные температуры плавления и кипения. Это характерно для воды, спиртов, фторово-дорода, аммиака.

Физические свойства воды. Агрегатные состояния воды вам известны из курса начальной школы: жидкое, газообразное и твёрдое (рис. 81).

Рис. 81.
Вода в природе

Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан. Газообразная вода входит в состав воздуха. Твёрдая вода — это, прежде всего, лёд и снег. Бесконечно многообразен и причудлив узор снежинок.

В основе всего многообразия встречающейся в природе воды лежат именно водородные связи. Наличием водородной связи у воды (низкомолекулярного вещества) объясняются и аномально высокие значения её температур плавления (0 °С) и кипения (100 °С).

Чистое вещество вода обладает и другими особенностями физических свойств, которые делают это соединение поистине уникальным.

Вода способна расширяться при замерзании и имеет максимальную плотность при +4 °С. Поэтому при понижении температуры ниже +4 °С лёд занимает верхнюю часть водоёма, укрывая его нижние слои и защищая водоём от промерзания. Не обладай вода таким свойством, все водоёмы и даже Мировой океан за определённый геологический период промёрзли бы до дна и жизнь на Земле не только не получила бы своего эволюционного развития, она просто бы не возникла на ней.

Вода обладает высокими значениями теплоты плавления и теплоты парообразования, которые академик В. И. Вернадский рассматривал как константы планетарного значения, так как их аномальные значения определяют многие физико-химические и биологические процессы на Земле.

Весьма интересно изменяется теплота плавления льда при понижении его температуры. Оказывается, если охладить лёд при нормальном давлении до -7 °С, то количество теплоты, затрачиваемой на его плавление, уменьшается с 333,7 • 103 до 323 • 103 Дж/кг. Таяние льда и снега связано с огромными тепловыми затратами, поэтому процесс происходит постепенно, в большинстве случаев не причиняя вреда природе.

На испарение 1кг воды расходуется 2254 • 103Дж теплоты, т. е. приблизительно в 7 раз больше, чем на плавление 1 кг льда. В этом причина сохранения воды в жидком состоянии на нашей планете. Даже в самые жаркие дни вода испаряется крайне медленно. Поэтому и сезоны года меняются не резко, а плавно: лето — осень — зима — весна (рис. 82).

Рис. 82.
Времена года в произведениях российских художников:
Н. Н. Дубовский (1859—1918). Морозное утро. 1894 (а); А. К. Саврасов (1830—1897). Ранняя весна. Половодье. 1868 (б); И. И. Левитан (1860—1900). Золотая осень. 1895 (в); Н. А. Атрыганьев (1823—1892). Вид на реку Остер в Могилёвской губернии. 1884 (г)

Вода имеет высокую удельную теплоёмкость. Эта величина показывает, сколько теплоты надо затратить для нагревания 1 кг воды на 1 К (кельвин). Оказывается, на это затрачивается 4,1868 • 103 ДжДкг • К).

Из-за высокой удельной теплоёмкости воды на континентах не бывает резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днём, поскольку они окружены гигантским регулятором, своеобразным термостатом — водами Мирового океана.

При нагревании всех веществ их теплоёмкость, как правило, возрастает, однако вода — исключение. Теплоёмкость воды с повышением температуры изменяется аномально: в интервале температур от 0 до 37 °С теплоёмкость падает, а от 37 до 100 °С повышается. Значит, теплоёмкость воды достигает минимального значения при 36—37 °С, т. е. вблизи нормальной температуры тела человека и млекопитающих, благоприятной для биохимических реакций в их организмах.

Ещё одна особенность воды — высокое поверхностное натяжение.

На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, окружающих её со всех сторон. Равнодействующая этих сил равна нулю, что не наблюдается для молекул поверхностного слоя. Равнодействующая сил притяжения направлена внутрь жидкости, и поэтому молекулы поверхностного слоя стремятся туда втянуться. Под действием этой силы число молекул на поверхности уменьшается, её площадь сокращается. Но все молекулы, разумеется, не могут уйти вовнутрь. На поверхности остаётся такое их число, при котором она оказывается минимальной. Для перенесения молекул из глубины объёма жидкости в её поверхностный слой необходимо совершить работу по преодолению равнодействующей сил притяжения, которые действуют на молекулу в поверхностном слое.

Лабораторный опыт № 20
Исследование поверхностного натяжения воды

Осторожно положите на поверхность воды небольшую швейную иголку. (Если один конец иглы расположить под наклоном, она окажется на дне. Выньте её из воды, вытрите насухо и повторите опыт.)

Проделайте аналогичные действия, используя воду, в которой предварительно растворили немного стирального порошка.

Почему тяжёлая иголка не тонет в воде в первом случае, а во втором — тонет? Вспомните из курса физики, что такое поверхностное натяжение. Как влияет стиральный порошок на поверхностное натяжение воды?

Рис. 83.
Поверхностное натяжение собирает воду в капли

Поверхностное натяжение собирает воду в капли (рис. 83) и позволяет жуку-водомерке скользить по её поверхности (рис. 84).

Рис. 84.
Жук-водомерка скользит по воде благодаря её поверхностному натяжению

Оригинальна и ещё одна характеристика воды — её вязкость. Обычно с повышением давления вязкость вещества увеличивается, а с ростом температуры уменьшается. Однако вязкость воды с ростом давления при температуре ниже 30 °С значительно уменьшается. Поэтому активность организмов, живущих в низкотемпературных средах, не сильно зависит от этих температур. Кровь, не потерявшая текучести, продолжает выполнять свои функции столь же интенсивно, как и при более высоких температурах.

Вода — главный растворитель не только в живой, но и в неживой природе. По отношению к воде все вещества делятся на два типа.

Гидрофильные вещества хорошо растворимы в воде. К ним относятся многие соли, спирты, кислоты, глюкоза и др.

Гидрофобные, плохо растворимые в воде вещества — это жиры, пластмассы, сложные эфиры, жирные кислоты и др.

Лабораторный опыт № 21
Растворение перманганата калия или медного купороса в воде

Возьмите шпателем или ложечкой несколько кристалликов перманганата калия или медного купороса, добавьте их в стакан с водой и перемешайте палочкой (по часовой стрелке) в течение 5—10 с, обращая внимание на скорость растворения.

Почему кристаллики соли оказываются в центре «воронки», образуя малиновый или голубой «смерч», исчезающий через некоторое время после перемешивания? Какой физико-химический процесс вы наблюдаете?

Запишите уравнение диссоциации перманганата калия КМnO4 или сульфата меди (II). Какие кислоты соответствуют этим солям?

В свою очередь, какие оксиды соответствуют каждой кислоте?

Сделайте вывод о том, какие элементы (металлы и неметаллы) образуют кислородсодержащие кислоты.

Химические свойства воды. У автора «Маленького принца» Антуана де Сент-Экзюпери есть очень поэтичные, необыкновенно точные строчки:

«Вода! Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты — сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснить нашими чувствами... Ты самое большое богатство на свете...»

Недаром Экзюпери подчёркивает, что без воды невозможна жизнь на Земле.

Вода — основной поставщик кислорода в атмосферу Земли, так как важнейшая реакция на Земле — фотосинтез:

Из глюкозы в ходе дальнейших превращений возникает поразительное многообразие органических соединений.

Вода — участник практически всех реакций на Земле. Основные химические свойства воды вы уже изучили. Давайте повторим их.

Вода взаимодействует с щелочными и щёлочноземельными металлами. (Приведите примеры уравнений реакций, дайте их характеристику и рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.)

Вода соединяется с основными и кислотными оксидами, если образуется растворимый гидроксид — щёлочь или кислородсодержащая кислота. (Приведите примеры уравнений реакций.)

Вода разлагается под действием света, электрического тока или высоких температур (свыше 1500 °С). (Запишите уравнение реакции и рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.)

Вода разлагает некоторые неорганические и многие органические вещества. Очевидно, некоторые из вас помнят из курса 8 класса, что этот процесс называется гидролизом. Необратимому гидролизу подвергаются некоторые бинарные соединения, например соли летучих бескислородных кислот и нерастворимых оснований:

Al2S3 + 6Н2O = 2Аl(ОН)3↓ + 3H2S↑.

С обратимым гидролизом солей вы будете знакомиться в старших классах, а с обратимым гидролизом органических соединений вы уже познакомились в курсе биологии. Ведь именно он и составляет основу обмена веществ в живых организмах. (Вспомните, как гидролизуются белки, жиры и углеводы.)

Также, очевидно, некоторые из вас помнят из курса 8 класса, что вода образует кристаллогидраты: медный купорос CuSO4 • 5Н2O, кристаллическую соду Na2CO3 • 10Н2O, гипс CaSO4 • 2Н2О.

Лабораторный опыт № 22
Гидратация обезвоженного сульфата меди (II)

Поместите в пробирку немного (на кончике шпателя) обезвоженного сульфата меди (II), а затем прилейте в неё 2—3 мл воды. Что наблюдаете? Как отличаются друг от друга гидратированные и негидратированные катионы меди (II)?

Лабораторный опыт № 23
Изготовление гипсового отпечатка

В фарфоровую чашечку насыпьте 2 г полуводного гипса — алебастра 2CaSO4 • Н2O. Добавьте немного воды и перемешайте смесь, чтобы получилась тестообразная масса. Вдавите в неё монету или брелок, предварительно смазав их вазелином. Если удалить их, то в твёрдой массе останется отпечаток этих предметов. Почему? Как этот процесс используется в медицине, производстве гипсовых статуэток?

Вода взаимодействует и с некоторыми неметаллами, например галогенами. С этим свойством воды вы будете знакомиться на следующих уроках.

Новые слова и понятия

  1. Строение молекулы воды.
  2. Водородная связь.
  3. Физические свойства воды.
  4. Гидрофильные и гидрофобные вещества.
  5. Химические свойства воды.
  6. Гидролиз.

Задания для самостоятельной работы

  1. Какое строение имеет молекула воды? За счёт какой химической связи она образуется? Какие другие типы химических связей вы знаете?
  2. Какая связь называется водородной? Как она определяет физические свойства воды?
  3. Какие аномалии физических свойств воды вы знаете? Какую роль они играют в природе?
  4. Растворение называют физико-химическим процессом. Как растворимость характеризует свойства воды? Как по этому признаку делятся вещества? Для ответа на вопрос обратитесь к таблице растворимости.
  5. Какие вещества называются гидрофильными, а какие — гидрофобными? Приведите примеры.
  6. Перечислите химические свойства воды, иллюстрируя их уравнениями соответствующих реакций. Какую роль играют эти свойства в природе?
  7. В 80 мл воды растворили 80 г медного купороса CuSO4 • 5Н2O. Какой стала массовая доля сульфата меди (II) в полученном растворе?
  8. Для наложения гипсовой повязки хирург использовал 290 г алебастра. Какое количество вещества воды было израсходовано в результате превращения алебастра в гипс? Какова масса гипса?

Рейтинг@Mail.ru