Вода и ее свойства физические и химические. Структура воды. Химические и физические свойства воды Вещества реагирующие с водой при высокой температуре

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.

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), pKa ≈ ок. 16.

Вода химически довольно активное вещество. Сильнополярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Вода реагирует при комнатной температуре:

С активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

С галогенами (фтором, хлором) и межгалоидными соединениями

С солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз

С ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот

С активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метил натрий и т. д.)

С карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)

Со многими солями, образуя гидраты

С боранами, силанами

С кетенами, недоокисью углерода

С фторидами благородных газов

Вода реагирует при нагревании:

С железом, магнием

С углем, метаном

С некоторыми алкилгалогенидами

Вода реагирует в присутствии катализатора:

С амидами, эфирами карбоновых кислот

С ацетиленом и другими алкинами

С алкенами

С нитрилами

Химические свойства воды определяются особенностями ее строения. Вода довольно устойчивое вещество, она начинает разлагаться на водород и кислород при нагревании по крайней мере до 1000°С (происходит термическая диссоциация) или под действием ультрафиолетового излучения (фотохимическая диссоциация).

Вода относится к химически активным соединениям. Например, реагирует с фтором. Хлор при нагревании или на свету разлагает воду с выделением атомарного кислорода:

H2O + Cl2 = HCl + HClO (НСlО = НСl + О)

При обычных условиях она взаимодействует с активными металлами:

2H2O + Ca = Ca(ОН) 2 + H2

2H2O + 2Na = 2NaOH + H2

Вода вступает в реакцию и со многими неметаллами. Например, при взаимодействии с атомарным кислородом образуется пероксид водорода:

H2O + O = H2O2

Многие оксиды реагируют с водой, образуя основания и кислоты:

CO2 + H2O = H2CO3

CaO + H2O = Ca(OH)2

При взаимодействии с некоторыми солями образуются кристаллогидраты. При нагревании они теряют кристаллизационную воду:

Na2CO3 + 10H2O = Na2CO3*10H2O

Вода также разлагает большинство солей (так называемый гидролиз).

Благородные металлы с водой не реагируют.

Кроме главных ионов, содержание которых в воде достаточно велико, ряд элементов: азот, фосфор, кремний, алюминий, железо, фтор - присутствуют в ней в концентрациях от 0,1 до 10 мг/л. Они называются мезоэлементами (от греч. "мезос" - "средний", "промежуточный").

Азот в форме нитратов NO3- попадает в водоёмы с дождевой водой, а в форме аминокислот, мочевины (NH2)2CO и солей аммония NH4+ - при разложении органических остатков.

Фосфор существует в воде в форме гидрофосфатов HPO32- и дигидрофосфатов H2PO3-, образующихся в результате разложения органических остатков.

Кремний является постоянным компонентом химического состава природных вод. Этому способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость последних объясняет малое содержание кремния в воде. Концентрация кремния в природных водах обычно составляет несколько миллиграммов в 1 л. В подземных водах она повышается и часто достигает десятков миллиграммов в 1 л, а в горячих термальных водах - даже сотен. На растворимость кремния, кроме температуры сильно влияет повышение pH раствора. Сравнительно малое содержание кремния в поверхностных водах, уступающее растворимости диоксида кремния (125 мг/л при 26 °С, 170 мг/л при 38 °С), указывает на наличие в воде процессов уменьшающих ее концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:

Na4SiO4 + 4CO2 + 4H2O = H4SiO4 + 4NaHCO3

Способствует неустойчивости кремния в растворе и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель. В очень мало минерализованных водах кремний составляет существенную, а иногда и преобладающую часть химического состава воды, несмотря на его малое абсолютное содержание. Присутствие кремния в воде является серьезной помехой в технике, так как при продолжительном кипячении воды кремний образует в котлах очень твердую силикатную накипь.

Алюминий поступает в водоёмы в результате действия кислот на глины (каолин):

Al2(OH)4 + 6H+ = 2SiO2 + 5H2O + 2Al3+

Основной источник железа - железосодержащие глины. Органические остатки (ниже обозначаются как "С"), находящиеся в контакте с ними, восстанавливают железо до двухвалентного, которое медленно вымывается в форме гидрокарбоната или солей гуминовых кислот:

2Fe2O3 + "C" + 4H2O + 7CO2 = 4Fe(HCO3)2

Когда вода с растворёнными в ней ионами Fe2+ вступает в контакт с воздухом, железо быстро окисляется, образуя коричневый осадок гидроксида Fe(OH)3. Со временем он превращается в болотную руду - бурый железняк (лимонит) FeO(OH). Карельская болотная руда использовалась в XVIII-XIX столетиях для получения железа.

Синеватая плёнка на поверхности воды - это Fe(OH)3, образующийся, когда подземные воды, содержавшие ионы Fe2+, вступают в контакт с воздухом. Ее часто путают с масляной пленкой, однако различить их очень легко: у пленки гидроксида железа рваные края. Если поверхность воды слегка взволновать, гидроксидная пленка, в отличие от масляной, не будет переливаться.

Химический состав природной воды определяет предшествующая ему история, т.е. путь, совершенный водой в процессе своего круговорота. Количество растворенных веществ в такой воде будет зависеть, с одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасалась, с другой - от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Влиять на химический состав воды могут следующие факторы: горные породы, почвы, живые организмы, деятельность человека, климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр. Рассмотрим лишь некоторые факторы, влияющие на состав воды.

Почвенный раствор и фильтрующиеся через почву атмосферные осадки способны усиливать растворение пород и минералов. Это одно из важнейших свойств почвы, влияющее на формирование состава природных вод, является результатом увеличения концентрации диоксида углерода в почвенном растворе, выделяющегося при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и биохимическом распаде органических остатков. Вследствие этого концентрация CO2 в почвенном воздухе возрастает от 0,033 %, свойственных атмосферному воздуху, до 1 % и более в почвенном воздухе (в тяжелых глинистых почвах концентрация CO2 в почвенном воздухе достигает иногда 5-10 %, придавая тем самым раствору сильное агрессивное действие по отношению к породам). Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующейся через почву воды, является органическое вещество - почвенный гумус, образующийся в почвах при трансформации растительных остатков. В составе гумуса в качестве активных реагентов прежде всего следует назвать гуминовые и фульвокислоты и более простые соединения, например органические кислоты (лимонная, щавелевая, уксусная, яблочная и др.), амины и т.п. Почвенный раствор, обогащаясь органическими кислотами и CO2, во много раз ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов, содержащихся в почвах. Аналогично вода, фильтрующаяся через почву, ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов и карбонатных пород, подстилающих почву. Известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция:

CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca(HCO3)2

Почти на всей европейской части России (кроме Карелии и Мурманской области) известняки, а также доломиты MgCO3 CaCO3 залегают довольно близко к поверхности. Поэтому вода здесь содержит преимущественно гидрокарбонаты кальция и магния. В таких реках, как Волга, Дон, Северная Двина, и основных их притоках гидрокарбонаты кальция и магния составляют от 3/4 до 9/10 всех растворённых солей.

Соли попадают в водоёмы и в результате деятельности человека. Так, хлоридами натрия и кальция зимой посыпают дороги, чтобы растапливать лёд. Весной вместе с талой водой хлориды стекают в реки. Треть хлоридов в реках европейской части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные города, эта доля гораздо больше.

Рельеф местности косвенно влияет на состав воды, способствуя вымыванию солей из толщи пород. Глубина эрозионного вреза реки облегчает поступление в реку более минерализованных грунтовых вод нижних горизонтов. Этому же способствуют и другие виды депрессий (речные долины, балки, овраги), улучшающие дренирование водосбора.

Климат же, создает общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химическою состава природных вод. Климат прежде всего определяет баланс тепла и влаги, от которого зависит увлажненность местности и объем водного стока, а следовательно, и разбавление или концентрирование природных растворов и возможность растворения веществ или выпадения их в осадок.

Огромное влияние на химический состав воды и его изменение с течением времени оказывают источники питания водного объекта и их соотношение. В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.

У тверждение, что вода играет основополагающую роль в жизнедеятельности всего живого на нашей планете, совершенно обоснованно, поскольку:

• поверхность Земли на 70 % состоит из воды;
• 70 % воды содержится и в организме человека;
• поразительно, однако, находясь на стадии эмбриона, человек практически полностью состоит из воды - более 95 %;
• в теле младенца треть воды;
• в организме взрослого человека - 60 % воды. И только когда человек находится в преклонном возрасте, уровень воды в организме начинает активно снижаться.

Все эти факты и цифры как нельзя лучше подтверждают уникальные свойства воды.

Уникальные свойства воды: кратко

Вода является прозрачной, безвкусной жидкостью, которая не имеет никакого запаха, но при этом основные её характеристики поистине поразительны:

• показатель молекулярной массы равен 18,0160;
• уровень плотности - 1 г/см³;
• вода является уникальным растворителем: она окисляет практически все известные виды металла и способна разрушить любую твёрдую горную породу;
• сферическая капля воды отличается наименьшей (оптимальной) поверхностью объёма;
• коэффициент поверхностного натяжения равен 72,75*10‾³Н/м;
• вода превосходит большинство веществ по степени удельной теплоёмкости;
• удивительно и то, что вода способна поглощать огромное количество тепла и при этом сама очень мало нагревается;
• вода отличается и полимеризационными способностями. В таком случае свойства её становятся несколько иными, например, кипение полимеризованной воды происходит при более высоких температурах (порядка 6–7 раз выше), чем обычной.

Уникальные физические свойства воды

Уникальные свойства воды находятся в прямой зависимости от способности её молекул к образованию межмолекулярных ассоциатов. Такую возможность обеспечивают водородные связи, а также ориентационные, дисперсионные и индукционные взаимодействия (взаимодействия Ван-дер-Ваальса). Молекулы воды - это продукт как ассоциативных образований (которые, по сути, лишены организованной структуры), так и кластеров (которые как раз таки и отличаются наличием упорядоченной структуры). Под кластером (англ. cluster) принято понимать интеграцию нескольких идентичных по составу элементов. Такая интеграция становится самостоятельной единицей и характеризуется наличием определённых свойств. Если речь идёт о состоянии жидкости, то тогда интегрированные соседствующие молекулы воды способны к образованию непостоянных и быстротечных структур. Когда же речь заходит о состоянии замороженном, то отдельная молекула имеет прочную связь с четырьмя другими такими же молекулами.

В этом смысле к впечатляющим выводам пришёл доктор биологических наук С.В. Зенин. Он обнаружил константные кластеры, которые способны на долгое существование. Выяснилось, что вода - это не что иное, как иерархически упорядоченные объёмные структуры. В основе таких структур положены кристаллообразные соединения. Каждое такое соединение - это совокупность 57-ми самостоятельных молекул. Естественно, это ведёт к образованию структурных объединений в виде шестигранника, которые, в свою очередь, характеризуются как более сложные и высокие. Каждый такой шестигранник состоит из 912-ти самостоятельных молекул воды. Акциденция кластера - это соотношение кислорода и водорода, которые выступают на поверхность. Форма такого образования даёт реакцию на любое воздействие извне, а также на появление примесей. Все грани элементов каждого кластера подвержены влиянию кулоновских сил напряжения. Именно этот факт и даёт возможность идентифицировать упорядоченное состояние воды как особую информационную матрицу. Внутри этих образований молекулы воды взаимодействуют между собой по схеме комплементарности зарядов. Данная схема широко известна в ДНК-исследованиях. В отношении воды касательно принципа комплементарности можно утверждать, что структурные элементы жидкости собираются в клатраты, или ячейки.

Уникальные физико-химические свойства воды

Для того чтобы ещё раз убедиться в уникальных свойствах воды, необходимо рассмотреть более подробно принцип комплементарности. Итак, молекулярная биология определяет комплементарность как взаимность соответствия элементов. Такое соответствие обеспечивает связь структур, которые дополняют друг друга, - это могут быть и радикалы, и макромолекулы, и молекулы - а также определяется их химическими свойствами. Что касается клатратов (от лат. сlathratus ‘защищённый решёткой’), то они определяются как самостоятельные соединения, или включения. Образуются клатраты в результате молекулярных включений. Проще говоря, это «гости» в полости кристаллических каркасов, в составе которых - решётчатые клатраты или молекулы иного рода (это «хозяева»). Кроме того, включения могут происходить и в полость молекулярных клатратов, которые представляют собой одну большую молекулу-хозяина.

Вывод напрашивается сам собой: информационная матрица ДНК-синтеза - это вода, а это значит, что она же и является информационной основой жизни во всей Вселенной. Взяв во внимание статистические расчёты, в которых принимали активное участие д. х. н. В. И. Слесарев, И. Н. Серова, д. б. н. А. В. Каргополова, д. м. н. А. В. Шабров, обычная вода имеет в своём составе:

• 60 % самостоятельных молекул и ассоциатов (деструктурированная часть);
• 40 % кластеров (структурированная часть).

Тот факт, что вода способна к образованию кластеров, в структуру которых положена закодированная информация относительно взаимодействий, является аргументированной почвой для утверждения того, что вода обладает некой памятью. Вода - это открытая, самоорганизующаяся и динамичная система. Внутри этой системы при каждом внешнем воздействии происходит смещение стационарного равновесия.

Какие уникальные свойства есть у воды

На сегодняшний день существует множество техник, которые позволяют получать структурированную воду:

• намагничивание;
• электролитический способ разделения воды на «мёртвую» (анолит) и «живую» (католит);
• заморозка воды с её последующим таянием естественным путём.

Другими словами, можно изменять свойства воды, при этом химический способ исключён, меняются волновые (полевые) характеристики.

Японский исследователь, Масару Эмото, доказал, что вода, подвергаясь различным внешним воздействиям, способна менять свою кристаллическую структуру. И изменения эти зависят, в первую очередь, от той информации, которая была внесена, а не от степени загрязнённости самой среды.

Удивительно, но вода - это неотъемлемый атрибут обрядов многих мировых культур:

• таинство крещения в православии;
• омовение в Ганге у индусов;
• обряды очищения в язычестве.

По всей видимости, представители этих культур, инициировавшие эти обряды, были осведомлены об информационных свойствах воды, тогда сам собой напрашивается вопрос: откуда им пришло это знание? Или они всё-таки уповали на чудо?

Имена всех удивительных людей, так или иначе, имеют «водную» составную. Так может быть, все учёные нашей современности бьются в попытках выяснить то, что уже давно известно древним поколениям?

Примечательно, что Род - это древнейший славянский бог. Не вдаваясь в подробности правочтения древних рун, можно утверждать, что исследователи старины так и не сошлись в едином мнении, как правильно произносить: «Род» или «Вод». Это значит, что обе версии имеют право на существование. Бог один, просто имена разные. Бог (Род или Вод) - это безоговорочное следование принципу двойственности, или «бинерности». А ведь и вода, как мы знаем, двойственна: в её составе и кислород, и водород.

В наш век высоких технологий, когда миром правит информация, мы не можем не знать, что все точные науки, как всемирная паутина, имеют в своём основании информационный бинер - «ноль и единичку». Если взглянуть на жизнь человека более пространственно, то откроется истина - всё наше бытие основано на бинере. Основополагающий принцип Рода (Бога) - это начало самого мелкого и одновременно основа всей Вселенной. Вод (Род) является основой (информационной матрицей) всего, что есть на Земле.

Вне всяких сомнений, Род представляет собой живую бесконечную сущность. На сегодняшний день научные исследователи вплотную подошли к выводу, что именно вода - это живая матрица жизни. Теперь человечеству предстоит исследовать полевую (волновую) суть воды. Дальнейшее изучение уникальных свойств воды становится невозможным без философских обоснований, которые носят герметический характер. Поскольку без актуальности современной парадигмы научный подход выстроить невозможно. А может это всё-таки парадигма древности? На сегодняшний день, те учёные, которые мыслят свободно и пытаются найти ответы скорее иррациональным способом, приходят к тому, что вглядываться необходимо именно в древность.

Все мы знаем, что молекулы воды состоят из двух целых (атомы) водорода и одной целой кислорода. Учёные-математики (в частности можно обратиться к работам А. Корнеева) доказали, что все фрактальные формулы имеют в своей основе математическую конструкцию следующего вида: . Данная формула признана изначальным математическим принципом фрактальных (голографичных) развёртываемостей. Эта закономерность лежит в основе Вселенной. Наличие фрактального кода Вселенной подтверждено рунами и арканами полевого генома.

Уникальные свойства воды в природе были известны издревле, вот почему представители тех малочисленных народов, которые до настоящего времени прибегают к методам шаманизма, с удивительным почтением относятся и к природе в целом, и к воде в частности. Только вдумайтесь в этимологию слова «природа»: это то, что находится при Роде! Это значит, что, относясь пренебрежительно к воде, мы относимся соответствующим образом к самому Богу. Современное общество - это общество потребителей, его члены потребительски относятся друг к другу, что уж там говорить о какой-то воде, а зря…

К слову сказать, многие философские учения приходят к тому, что между отношением человека к воде и его здоровьем на генетическом уровне - самая непосредственная связь. Значит, и судьба в том числе, зависит от того, как мы относимся к воде. Это легко объясняется, поскольку то, что вода обладает памятью - факт. Это значит, что все наши мысли и эмоции - позитивные и негативные - оказывают сильнейшее влияние на воду, которая находится внутри нас (как мы помним, воды в нашем организме 60 %). Вода представляет собой живую сущность, информационную матрицу бытия, она способна поглощать, запоминать и отдавать информацию. Не удивляйтесь, однако поставленный перед вами стакан воды очень тонко реагирует на ваше внутреннее состояние, мысли, эмоции. А запоминая эти мысли и эмоции, выстраивает геометрические (в том числе и полевые, и волновые) структуры. Вариантов таких структур - огромное количество. Другими словами, вы можете сделать из этого стакана воды как лекаря, так и отравителя. Вода - это символ нашего

подсознания (бессознательного), не зря ведь карты Таро содержат изображение «вод подсознания». Наверное, уже ни у кого не осталось сомнений, что вода является информационным источником, хранителем и распространителем.

Несколько слов о психолингвистике

То, что между человеческим духом и рассудком - прямая связь, объяснять не надо. Не подвергается сомнению и понятийность человеческого мышления. Как следствие, качественный уровень нашего мышления находится в прямой зависимости от того языка, на котором мы думаем. Может быть, поэтому и возникает непонимание между народами, разговаривающими на разных языках?

Например, исконно русское мышление носит характер голографичности, поскольку русский/славянский язык, а вместе с ним и азбука, основываются на принципе фрактальности. Вот почему одно и то же слово может быть записано самостоятельными рунами или их сочетаниями, относящимися к разным участкам цепей генома. Опять же рассмотрим слово «вода»: если записать его рунами получится вercana-dagaz. Совокупность второго и четвёртого арканов - это понятийная формула [И + Э] («информация + энергия в информации»). А это уже элемент, относящийся к уравнению Троицы. Попробуем расшифровать: вода - это «со-общение (с-ведение) + энергетика прироста». На языке простого обывателя такое понятийное сочетание звучит как «информация к действию».

Русская душа, русский дух - это энигма для иноземцев, загадка, которую им вряд ли когда-то удастся разгадать. Мы думаем парадоксально, живём эмоциями, совершаем безрассудные поступки. Широта нашей души не подлежит никаким логическим объяснениям для иностранцев. Мы иронизируем относительно себя самих - достаточно открыть сказки про Иванушку-дурачка - а на самом деле мировоззрение внутри нас не имеет ничего общего с плоской расчётливостью. Но для многих других национальностей это является чем-то вроде другого измерения.

К сожалению, за суетой повседневных дел и забот, мы не вслушиваемся в собственную речь, не вдумываемся в её сакральное значение. Современные молодые люди и вовсе недооценивают богатство и многогранность своей родной культуры, старясь показательно использовать модные иностранные фразы. Может быть, пора нам уже перестать портить свой собственный язык иностранными словечками, а пользоваться тем, что нам подарено древностью. Ведь в нашем РОДном языке столько Бога!

11.1. Физическое растворение

При попадании какого-либо вещества в воду оно может:
а) раствориться в воде, то есть перемешаться с ней на атомно-молекулярном уровне;
б) вступить с водой в химическую реакцию;
в) не раствориться и не прореагировать.
От чего же зависит результат взаимодействия вещества с водой? Естественно, от характеристик вещества и от характеристик воды.
Начнем с растворения и рассмотрим, какие характеристики воды и взаимодействующих с ней веществ имеют наибольшее значение в этих процессах.
Поместим в две пробирки по небольшой порции нафталина С 10 Н 8 . Нальем в одну из пробирок воду, а в другую – гептан С 7 Н 16 (можно вместо чистого гептана использовать бензин). Нафталин в гептане растворится, а в воде – нет. Проверим, действительно ли нафталин растворился в гептане или прореагировал с ним. Для этого поместим несколько капель раствора на стекло и подождем, пока гептан испарится – на стекле образуются бесцветные пластинчатые кристаллики. В том, что это нафталин, можно убедиться по характерному запаху.

Одно из отличий гептана от воды в том, что его молекулы неполярны, а молекулы воды полярны. Кроме того, между молекулами воды есть водородные связи, а между молекулами гептана их нет.

Для растворения нафталина в гептане требуется разорвать слабые межмолекулярные связи между молекулами нафталина и слабые межмолекулярные связи между молекулами гептана. При растворении образуются столь же слабые межмолекулярные связи между молекулами нафталина и гептана. Тепловой эффект такого процесса практически равен нулю.
За счет чего же нафталин растворяется в гептане? Только за счет энтропийного фактора (растет беспорядок в системе нафталин – гептан).

Для растворения нафталина в воде необходимо, кроме слабых связей между его молекулами, разорвать водородные связи между молекулами воды. При этом водородные связи между молекулами нафталина и воды не образуются. Процесс получается эндотермическим и настолько энергетически невыгодным, что энтропийный фактор здесь помочь не в силах.
А если вместо нафталина взять другое вещество, молекулы которого способны образовывать водородные связи с молекулами воды, то будет ли такое вещество растворяться в воде?
Если нет других препятствий, то будет. Например, вы знаете, что сахар (сахароза С 12 Н 22 О 11) прекрасно растворим в воде. Посмотрев на структурную формулу сахарозы, вы увидите, что в ее молекуле есть группы –О–Н, способные образовывать водородные связи с молекулами воды.
Убедитесь экспериментально, что сахароза малорастворима в гептане, и попробуйте самостоятельно объяснить, почему так различаются свойства нафталина и сахарозы.
Растворение нафталина в гептане и сахарозы в воде называют физическим растворением .

Физически растворяться могут только молекулярные вещества.

Другие компоненты раствора называются растворенными веществами .

Выявленные нами закономерности относятся и к случаям растворения в воде (да и в большинстве других растворителей) жидких и газообразных веществ. Если все вещества, образующие раствор, до растворения находились в одном агрегатном состоянии, то растворителем обычно называют то вещество, которого в растворе больше. Исключение из этого правила – вода: ее обычно называют растворителем, даже если ее меньше, чем растворенного вещества.
Причиной физического растворения вещества в воде может быть не только образование водородных связей между молекулами растворяемого вещества и воды, но и образование других видов межмолекулярных связей. Так бывает прежде всего в случае растворения в воде газообразных веществ (например, углекислого газа или хлора), в которых молекулы вообще не связаны друг с другом, а также некоторых жидкостей с очень слабыми межмолекулярными связями (например, брома). Выигрыш в энергии достигается здесь за счет ориентации диполей (молекул воды) вокруг полярных молекул или полярных связей в растворяемом веществе, а в случае хлора или брома –вызван склонностью к присоединению электронов атомов хлора и брома, сохраняющейся и в молекулах этих простых веществ (подробнее –в § 11.4).
Во всех этих случаях вещества значительно хуже растворяются в воде, чем при образовании водородных связей.
Если из раствора удалить растворитель (например так, как вы это делали в случае раствора нафталина в гептане), то растворенное вещество выделится в химически неизменном виде.

ФИЗИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ, РАСТВОРИТЕЛЬ.
1.Объясните, почему гептан нерастворим в воде
2.Подскажите знак теплового эффекта растворения в воде этилового спирта (этанола).
3.Почему аммиак хорошо растворим в воде, а кислород – плохо?
4.Какое вещество лучше растворимо в воде – аммиак или фосфин (PH 3)?
5.Объясните причину лучшей растворимости в воде озона, чем кислорода.
6.Определите массовую долю глюкозы (виноградного сахара, С 6 Н 12 О 6) в водном растворе, если для его приготовления использовали 120 мл воды и 30 г глюкозы (плотность воды примите равной 1 г/мл). Какова концентрация глюкозы в этом растворе, если плотность раствора равна 1,15 г/мл?
7.Сколько сахара (сахарозы) можно выделить из 250 г сиропа с массовой долей воды, равной 35 %?.

1. Опыты по растворению различных веществ в различных растворителях.
2. Приготовление растворов.

11.2. Химическое растворение

В первом параграфе мы рассмотрели случаи растворения веществ, при которых химические связи оставались неизменными. Но так бывает далеко не всегда.
Поместим в пробирку несколько кристаллов хлорида натрия и добавим воду. Через некоторое время кристаллы растворятся. Что произошло?
Хлорид натрия – вещество немолекулярное. Кристалл NaCl состоит из ионов Na и Cl . При попадании такого кристалла в воду в нее переходят эти ионы. При этом рвутся ионные связи в кристалле и водородные связи между молекулами воды. Попавшие в воду ионы вступают во взаимодействие с молекулами воды. В случае хлорид-ионов это взаимодействие ограничивается электростатическим притяжением дипольных молекул воды к аниону, а в случае катионов натрия оно приближается по своей природе к донорно-акцепторному. Так или иначе, ионы покрываются гидратной оболочкой (рис. 11.1).

В виде уравнения реакции это можно записать так:

NaCl кр + (n + m )H 2 O = + A

или сокращенно , где индекс aq означает, что ион гидратирован . Такое уравнение называют ионным уравнением .

Можно записать и "молекулярное" уравнение этого процесса:(такое название сохранилось с тех пор, когда предполагалось, что все вещества состоят из молекул)

Гидратированные ионы слабее притягиваются друг к другу, и энергии теплового движения оказывается достаточно для того, чтобы эти ионы не слипались в кристалл.

Практически наличие ионов в растворе легко подтвердить, изучив электропроводность хлорида натрия, воды и получившегося раствора. Вы уже знаете, что кристаллы хлорида натрия электрический ток не проводят, потому что в них хоть и есть заряженные частицы – ионы, но они " закреплены" в кристалле и не могут двигаться. Вода проводит электрический ток очень плохо, потому что в ней хоть и образуются за счет автопротолиза ионы оксония и гидроксид-ионы, но их очень мало. Раствор хлорида натрия, наоборот, хорошо проводит электрический ток, потому что в нем много ионов, и они могут свободно двигаться, в том числе под действием электрического напряжения.
Для разрыва ионных связей в кристалле и водородных связей в воде необходимо затратить энергию. При гидратации ионов энергия выделяется. Если затраты энергии на разрыв связей превышают энергию, выделяющуюся при гидратации ионов, то растворение эндотермическое , а если наоборот, то – экзотермическое.
Хлорид натрия растворяется в воде с практически нулевым тепловым эффектом, следовательно, растворение этой соли происходит только за счет увеличения энтропии. Но обычно растворение сопровождается заметным выделением теплоты (Na 2 CO 3 , CaCl 2 , NaOH и др.) или ее поглощением (KNO 3 , NH 4 Cl и др.), например:

При выпаривании воды из растворов, получившихся при химическом растворении, из них вновь выделяются растворенные вещества в химически неизменном виде.

Химическое растворение – растворение, при котором происходит разрыв химических связей.

И при физическом, и при химическом растворении образуется раствор того вещества, которое мы растворяли, например, раствор сахара в воде или раствор хлорида натрия в воде. Иными словами, растворенное вещество может быть выделено из раствора при удалении воды.

ГИДРАТНАЯ ОБОЛОЧКА, ГИДРАТАЦИЯ, ХИМИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ.
Приведите по три примера хорошо известных вам веществ а) растворимых в воде или с ней реагирующих, б) не растворимых в воде и не реагирующих с ней.
2.Что является растворителем, а что растворенным веществом (или веществами) в следующих растворах: а) мыльная вода, б) столовый уксус, в) водка г) соляная кислота, д) горючее для мотоцикла, е) аптечная "перекись водорода" , ж) газированная вода, и) " зеленка" , к) одеколон?
В случае затруднения проконсультируйтесь с родителями.
3.Перечислите способы, с помощью которых можно удалить растворитель из жидкого раствора.
4.Как вы понимаете выражение " в химически неизменном виде" в последнем абзаце первого параграфа этой главы? Какие изменения могут произойти с веществом в результате его растворения и последующего выделения из раствора?
5.Известно, что жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в бензине. Исходя из этого, что можно сказать о строении молекул жиров?
6.Запишите уравнения химического растворения в воде следующих ионных веществ:
а) нитрата серебра, б) гидроксида кальция, в) йодида цезия, г) карбоната калия, д) нитрита натрия, е) сульфата аммония.
7.Запишите уравнения кристаллизации веществ из растворов, перечисленных в задании 6, при удалении воды.
8.Чем отличаются растворы, полученные при физическом растворении веществ, от растворов, полученных при химическом растворении? Что общего у этих растворов?
9.Определите массу соли, которую надо растворить в 300 мл воды, чтобы получить раствор с массовой долей этой соли, равной 0,1. Плотность воды равна 1 г/мл, а плотность раствора – 1,05 г/мл. Какова концентрация соли в полученном растворе, если ее формульная масса равна 101 Дн?
10.Сколько нужно взять воды и нитрата бария, чтобы приготовить 0,5 л 0,1 М раствора этого вещества (плотность раствора 1,02 г/мл)?
Опыты по растворению ионных веществ в воде.

11.3. Насыщенные растворы. Растворимость

Любая порция помещенного в воду хлорида натрия (или другого подобного вещества) всегда растворялась бы полностью, если бы кроме процесса растворения

не протекал бы обратный процесс – процесс кристаллизации исходного вещества из раствора:

В момент помещения кристалла в воду скорость процесса кристаллизации равна нулю, но, по мере увеличения концентрации ионов в растворе, она увеличивается и в какой-то момент становится равной скорости растворения. Наступает состояние равновесия:

образовавшийся при этом раствор называется насыщенным.

В качестве такой характеристики может быть использована массовая доля растворенного вещества, его концентрация или другая физическая величина, характеризующая состав раствора.
По растворимости в данном растворителе все вещества делятся на растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые. Обычно практически нерастворимые вещества называют просто нерастворимыми. За условную границу между растворимыми и малорастворимыми веществами принята растворимость, равная 1 г в 100 г Н 2 О (w 1 %), а за условную границу между малорастворимыми и нерастворимыми веществами – растворимость, равная 0,1 г в 100 г Н 2 О (w 0,1%).
Растворимость вещества зависит от температуры. Так как растворимость – характеристика равновесия, то ее изменение с изменением температуры происходит в полном соответствии с принципом Ле Шателье, то есть при экзотермическом растворении вещества его растворимость с увеличением температуры уменьшается, а при эндотермическом – увеличивается.
Растворы, в которых при тех же условиях растворенного вещества меньше, чем в насыщенных, называются ненасыщенными .

НАСЫЩЕННЫЙ РАСТВОР; НЕНАСЫЩЕННЫЙ РАСТВОР; РАСТВОРИМОСТЬ ВЕЩЕСТВА; РАСТВОРИМЫЕ, МАЛОРАСТВОРИМЫЕ И НЕРАСТВОРИМЫЕ ВЕЩЕСТВА.

1.Запишите уравнения равновесия в системе насыщенный раствор – осадок для а) карбоната калия, б) нитрата серебра и в) гидроксида кальция.
2.Определите массовую долю нитрата калия в насыщенном при 20 °С водном растворе этой соли, если при приготовлении такого раствора к 200 г воды прибавили 100 г нитрата калия, и при этом после окончания приготовления раствора 36,8 г нитрата калия не растворилось.
3.Можно ли при 20 °С приготовить водный раствор хромата калия K 2 CrO 4 с массовой долей растворенного вещества, равной 45 %, если при этой температуре в 100 г воды растворяется не более 63,9 г этой соли.
4.Массовая доля бромида калия в насыщенном водном растворе при 0 °С равна 34,5 %, а при 80 °С – 48,8 %. Определите массу бромида калия, выделившегося при охлаждении до 0 °С 250 г насыщенного при 80°С водного раствора этой соли.
5.Массовая доля гидроксида кальция в насыщенном водном растворе при 20 °С равна 0,12 %. Сколько литров насыщенного при этой температуре раствора гидроксида кальция (известковой воды) можно получить, имея в своем распоряжении 100 г гидроксида кальция? Плотность раствора примите равной 1 г/мл.
6.При 25 °C массовая доля сульфата бария в насыщенном водном растворе составляет 2,33·10 –2 %. Определите минимальный объем воды, необходимой для полного растворения 1 г этой соли.
приготовление насыщенных растворов.

11.4. Химические реакции веществ с водой

Многие вещества при соприкосновении с водой вступают с ней в химические реакции. В результате такого взаимодействия при избытке воды, как и при растворении, получается раствор. Но если из этого раствора удалить воду, исходного вещества мы не получим.

Какие продукты образуются при химической реакции вещества с водой? Это зависит от типа химической связи в веществе; если связи ковалентные, то от степени полярности этих связей. Кроме этого, влияние оказывают и другие факторы, с некоторыми из которых мы познакомимся.

а) Соединения с ионной связью

Большинство ионных соединений либо химически растворяются в воде, либо не растворяются. Особняком стоят ионные гидриды и оксиды, то есть соединения, содержащие те же элементы, что и сама вода, и некоторые другие вещества. Поведение ионных оксидов при контакте с водой рассмотрим на примере оксида кальция.
Оксид кальция, будучи ионным веществом, мог бы химически растворяться в воде. При этом в раствор переходили бы ионы кальция и оксид-ионы. Но двухзарядный анион – не самое устойчивое валентное состояние атома кислорода (хотя бы потому, что энергия сродства ко второму электрону всегда отрицательна, да и радиус оксид-иона сравнительно мал). Поэтому атомы кислорода стремятся понизить свой формальный заряд. В присутствии воды это оказывается возможным. Оказавшиеся на поверхности кристалла оксид-ионы взаимодействуют с молекулами воды. Эту реакцию можно представить в виде схемы, показывающей ее механизм (схемы механизма ).

Для лучшего понимания происходящего условно разделим этот процесс на этапы:
1. Молекула воды поворачивается к оксидному иону атомом водорода (противоположно заряжены).
2. Оксид-ион делится с атомом водорода неподеленной парой электронов; между ними образуется ковалентная связь (образуется по донорно-акцепторному механизму).
3. У атома водорода на единственной валентной орбитали (1s ) оказывается четыре электрона (два "старых" и два "новых"), что противоречит принципу Паули. Поэтому атом водорода отдает пару электронов связи ("старых" электронов) атому кислорода, входящему в состав молекулы воды, тем более что эта пара электронов и так была в значительной степени смещена к атому кислорода. Связь между атомом водорода и атомом кислорода разрывается.
4. За счет образования связи по донорно-акцепторному механизму формальный заряд на бывшем оксидном ионе становится равным –1 е ; на атоме кислорода, входившем прежде в состав молекулы воды, появляется заряд, также равный –1 е . Таким образом образуются два гидроксидных иона.
5. Не связанные теперь ионной связью с оксид-ионами ионы кальция переходят в раствор и гидратируются:

Положительный заряд ионов кальция как бы "размывается" по всему гидратированному иону.
6. Образовавшиеся гидроксид-ионы тоже гидратируются:

Отрицательный заряд гидроксид-иона при этом тоже "размывается".
Суммарное ионное уравнение реакции оксида кальция с водой
CaO кр + H 2 O Ca 2 aq + 2OH aq .

В растворе появляются ионы кальция и гидроксид-ионы в соотношении 1:2. То же самое получилось бы при растворении в воде гидроксида кальция. И действительно, выпарив воду и высушив остаток, мы можем получить из этого раствора кристаллический гидроксид кальция (но отнюдь не оксид!). Поэтому часто уравнение этой реакции записывают так:

CaO кр + H 2 O = Ca(OH) 2р

и называют " молекулярным " уравнением этой реакции. И в тех, и в других уравнениях буквенные индексы иногда не приводят, что часто сильно затрудняет понимание происходящих процессов, а то и просто вводит в заблуждение. Вместе с тем, отсутствие буквенных индексов в уравнениях допустимо, например, при решении расчетных задач
Кроме оксида кальция, точно также взаимодействуют с водой следующие оксиды: Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, SrO, BaO – то есть оксиды тех металлов, которые и сами реагируют с водой. Все эти оксиды относятся к основным оксидам. Остальные ионные оксиды с водой не реагируют.
Совершенно аналогично реагируют с водой и ионные гидриды, например, гидрид натрия NaH. Ион натрия только гидратируется, а гидрид-ион реагирует с молекулой воды:

В результате в растворе остается гидроксид натрия.
Ионное уравнение этой реакции

NaH кр + H 2 O = Na aq + OH aq + H 2 ,

а " молекулярное" уравнение – NaH кр + H 2 O = NaOH р + H 2 .

б) Вещества с металлической связью

В качестве примера рассмотрим взаимодействие с водой натрия.

На схемах кривая полустрелка означает передачу или перемещение о д н о г о э л е к т р о н а

Атом натрия склонен к отдаче своего единственного валентного электрона. Оказавшись в воде, он легко отдает его атому водорода молекулы воды (на нем есть значительный +) и превращается в катион натрия (Na ). Атом водорода, получив электрон, становится нейтральным (Н· ) и больше не может удержать пару электронов, связывающую его с атомом кислорода (вспомните принцип Паули). Эта пара электронов полностью переходит к атому кислорода (в молекуле воды она уже была смещена в его сторону, но только частично). Атом кислорода приобретает формальный заряд A, связь между атомами водорода и кислорода рвется, и образуется гидроксид-ион ( О– Н).
Судьба получившихся частиц различна: ион натрия взаимодействует с другими молекулами воды и, естественно, гидратируется

так же, как и ион натрия, гидратируется гидроксид-ион , а атом водорода, " дождавшись" появления другого такого же атома водорода, образует с ним молекулу водорода 2Н· = Н 2 .
Из-за неполярности своих молекул водород в воде практически нерастворим и выделяется из раствора в виде газа. Ионное уравнение этой реакции

2Na кр + 2H 2 O = 2Na aq + 2OH aq + H 2

a " молекулярное" –

2Na кр + 2H 2 O = 2NaOH р + H 2­

Так же, как натрий, при комнатной температуре с водой бурно реагируют Li, К, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba. При нагревании с ней реагирует и Mg, а также некоторые другие металлы.

в) Вещества с ковалентными связями

Из веществ с ковалентными связями с водой могут реагировать только те вещества
а) связи в которых сильно полярны, что придает этим веществам некоторое сходство с ионными соединениями, или
б) в состав которых входят атомы, обладающие очень высокой склонностью к присоединению электронов.
Таким образом, не реагируют с водой и в ней нерастворимы (или очень мало растворимы):
а) алмаз, графит, кремний, красный фосфор и другие простые немолекулярные вещества;
б) диоксид кремния, карбид кремния и другие сложные немолекулярные вещества;
в) метан, гептан и другие молекулярные вещества с малополярными связями;
г) водород, сера, белый фосфор и другие простые молекулярные вещества, атомы которых не очень склонны присоединять электроны, а также азот, молекулы которого очень прочны.
Наибольшее значение имеет взаимодействие с водой молекулярных оксидов, гидридов и гидроксидов, а из простых веществ – галогенов.
Как реагируют с водой молекулярные оксиды, мы рассмотрим на примере триоксида серы:

Молекула воды за счет одной из неподеленных пар электронов атома кислорода атакует положительно заряженный атом серы ( +) и присоединяется к нему связью O– S, на атоме кислорода при этом возникает формальный заряд B. Получив лишние электроны, атом серы перестает удерживать электронную пару одной из -связей, которая полностью переходит к соответствующему атому кислорода, на котором за счет этого возникает формальный заряд A. Затем неподеленная пара электронов этого атома кислорода акцептируется одним из атомов водорода, входившего в состав молекулы воды, который таким образом переходит от одного атома кислорода к другому. В итоге образуется молекула серной кислоты. Уравнение реакции:

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 .

Аналогично, но несколько более сложно с водой реагирует N 2 O 5 , P 4 O 10 и некоторые другие молекулярные оксиды. Все они – кислотные оксиды.
N 2 O 5 + H 2 O = 2HNO 3 ;
P 4 O 10 + 6H 2 O = 4H 3 PO 4 .

Во всех этих реакциях образуются кислоты, которые при наличии избытка воды с ней реагируют. Но, прежде чем рассмотреть механизм этих реакций, посмотрим, как реагирует с водой хлороводород – молекулярное вещество с сильно полярными ковалентными связями между атомами водорода и хлора:

Полярная молекула хлороводорода, попав в воду, ориентируется так, как это показано на схеме (разноименные заряды диполей притягиваются). Разреженная из-за поляризации электронная оболочка (1s -ЭО) атома водорода акцептирует неподеленную пару sp 3 -гибридных электронов атома кислорода, и водород присоединяется к молекуле воды, полностью отдав атому хлора пару электронов, которая связывала эти атомы в молекуле хлороводорода. В результате атом хлора превращается в хлорид-ион, а молекула воды – в ион оксония. Уравнение реакции:

HCl г + H 2 O = H 3 O aq + Cl aq .

При низких температурах из такого раствора может быть выделен кристаллический хлорид оксония (H 3 O)Cl (t пл = –15 °С).

Взаимодействие HCl и H 2 O можно представить себе и по-другому:

то есть как результат передачи протона от молекулы хлороводорода к молекуле воды. Следовательно, это кислотно-основная реакция.
Аналогично происходит взаимодействие с водой азотной кислоты

что тоже можно представит как передачу протона:

Кислоты, в молекулах которых несколько гидроксилов (OH-групп), реагируют с водой в несколько стадий (ступенчато). Пример – серная кислота.

Второй протон отщепляется значительно труднее, чем первый, поэтому вторая стадия этого процесса обратима. Сравнив величину и распределение зарядов в молекуле серной кислоты и в гидросульфат-ионе, попробуйте самостоятельно объяснить это явление.
При охлаждении из растворов серной кислоты могут быть выделены индивидуальные вещества: (H 3 O)HSO 4 (t пл = 8,5 °С) и (H 3 O) 2 SO 4 (t пл = – 40 °С).
Анионы, образующиеся из молекул кислот после отрыва одного или нескольких протонов, называются кислотными остатками.
Из молекулярных простых веществ с водой при обычных условиях реагируют только F 2 , Cl 2 , Br 2 и, в крайне незначительной степени, I 2 . Фтор бурно реагирует с водой, полностью ее окисляя:

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

При этом протекают также и другие реакции.
Значительно важнее реакция хлора с водой. Обладая высокой склонностью к присоединению электронов (молярная энергия сродства к электрону атома хлора равна 349 кДж/моль), атомы хлора частично сохраняют ее и в молекуле (молярная энергия сродства к электрону молекулы хлора равна 230 кДж/моль). Поэтому, растворяясь, молекулы хлора гидратируются, притягивая к себе атомы кислорода молекул воды. У некоторых из этих атомов кислорода атомы хлора могут акцептировать неподеленную пару электронов. Дальнейшее показано на схеме механизма:

Суммарное уравнение этой реакции

Cl 2 + 2H 2 O = HClO + H 3 O + Cl .

Но реакция обратима, поэтому устанавливается равновесие:

Cl 2 + 2H 2 O HClO + H 3 O + Cl .

Получившийся раствор называют " хлорной водой" . За счет присутствия в нем хлорноватистой кислоты он обладает сильными окислительными свойствами и используется в качестве отбеливающего и дезинфицирующего средства.
Вспомнив, что Cl и Н 3 О образуются при взаимодействии (" растворении") хлороводорода в воде, можно записать " молекулярное" уравнение:

Cl 2 + H 2 O HClO p + HCl p .

Аналогично с водой реагирует бром, только равновесие в этом случае сильно смещено влево. Йод же с водой практически не реагирует.

Чтобы представить себе, в какой степени хлор и бром физически растворяются в воде, а в какой – реагируют с ней, используем количественные характеристики растворимости и химического равновесия.

Мольная доля хлора в насыщенном при 20°С и атмосферном давлении водном растворе равна 0,0018, то есть на каждую 1000 молекул воды приходится примерно 2 молекулы хлора. Для сравнения, в насыщенном при тех же условиях растворе азота мольная доля азота равна 0,000012, то есть одна молекула азота приходится примерно на 100000 молекул воды. А для получения насыщенного при тех же условиях раствора хлороводорода на каждые 100 молекул воды нужно взять около 35 молекул хлороводорода. Отсюда можно сделать вывод, что хлор хоть и растворим в воде, но незначительно. Растворимость брома несколько больше – примерно 4 молекулы на 1000 молекул воды.

5.Приведите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

11.5. Кристаллогидраты

При химическом растворении ионных веществ происходит гидратация переходящих в раствор ионов. Гидратируются как катионы, так и анионы. Как правило, гидратированные катионы прочнее, чем анионы, а гидратированные простые катионы - прочнее, чем сложные. Это связано с тем, что у простых катионов есть свободные валентные орбитали, которые могут частично акцептировать неподеленные электронные пары атомов кислорода, входящих в молекулы воды.
При попытке выделить исходное вещество из раствора, удаляя воду, получить его часто не удается. Например, если мы растворим в воде бесцветный сульфат меди CuSO 4 , то получим раствор голубого цвета, который придают ему гидратированные ионы меди:

После упаривания раствора (удаления воды) и охлаждения из него выделятся кристаллы синего цвета, имеющие состав CuSO 4· 5H 2 O (точка между формулами сульфата меди и воды означает, что на каждую формульную единицу сульфата меди приходится указанное в формуле число молекул воды). Исходный сульфат меди можно получить из этого соединения, нагрев его до 250 ° С. При этом происходит реакция:

CuSO 4· 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O .

Исследование строения кристаллов CuSO 4· 5H 2 O показало, что в его формульной единице четыре молекулы воды связаны с атомом меди, а пятая – с сульфатными ионами. Таким образом, формула этого вещества – SO 4· H 2 O, а называется оно моногидрат сульфата тетрааквамеди(II), или просто " медный купорос" .
Четыре молекулы воды, связанные с атомом меди, – остаток гидратной оболочки иона Cu 2 aq , а пятая молекула воды – остаток гидратной оболочки сульфат-иона.
Аналогичное строение имеет соединение SO 4· H 2 O – моногидрат сульфата гексаакважелеза(II), или " железный купорос" .
Другие примеры:
Cl – хлорид гексааквакальция;
Cl 2 – хлорид гексааквамагния.
Эти и подобные им вещества называются кристаллогидратами , а содержащаяся в них вода – кристаллизационной водой .
Часто структура кристаллогидрата бывает неизвестна, или ее невозможно выразить обычными формулами. В этих случаях для кристаллогидратов используются упомянутые выше " формулы с точками" и упрощенные названия, например:
CuSO 4· 5H 2 O – пентагидрат сульфата меди;
Na 2 CO 3· 10H 2 O – декагидрат карбоната натрия;
AlCl 3· 6H 2 O – гексагидрат хлорида алюминия.

При образовании кристаллогидратов из исходных веществ и воды в молекулах воды не происходит разрыва связей О-Н.

Если кристаллизационная вода удерживается в кристаллогидрате слабыми межмолекулярными связями, то она легко удаляется при нагревании:
Na 2 CO 3· 10H 2 O = Na 2 CO 3 + 10H 2 O (при 120 ° С);
K 2 SO 3· 2H 2 O = K 2 SO 3 + 2H 2 O (при 200 ° С);
CaCl 2· 6H 2 O = CaCl 2 + 6H 2 O (при 250 ° С).

Если же в кристаллогидрате связи между молекулами воды и другими частицами близки к химическим, то такой кристаллогидрат или дегидратируется (теряет воду) при более высокой температуре, например:
Al 2 (SO 4) 3· 18H 2 O = Al 2 (SO 4) 3 + 18H 2 O (при 420 ° С);
СoSO 4· 7H 2 O = CoSO 4 + 7H 2 O (при 410 ° С);

или при нагревании разлагается с образованием других химических веществ, например:
2{FeCl 3· 6H 2 O} = Fe 2 O 3 + 6HCl + 9H 2 O (выше 250 ° С);
2{AlCl 3· 6H 2 O} = Al 2 O 3 + 6HCl + 9H 2 O (200 – 450 ° С).

Таким образом, взаимодействие с водой безводных веществ, образующих кристаллогидраты, может быть как химическим растворением, так и химической реакцией.

КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ
Определите массовую долю воды в а) пентагидрате сульфата меди, б) дигидрате гидроксида натрия, в) KAl(SO 4) 2· 12H 2 O (алюмокалиевых квасцах).
2.Определите состав кристаллогидрата сульфата магния, если массовая доля воды в нем равна 51,2%. 3.Какова масса воды, выделившейся при прокаливании декагидрата сульфата натрия (Na 2 SO 4· 10H 2 O) массой 644 г?
4.Сколько безводного хлорида кальция можно получить, прокаливая 329 г гексагидрата хлорида кальция?
5.Дигидрат сульфата кальция CaSO 4· 2H 2 О при нагревании до 150° С теряет 3/4 своей воды. Составьте формулу образующегося кристаллогидрата (алебастра) и запишите уравнение превращения гипса в алебастр.
6.Определите массу медного купороса и воды, которые необходимо взять для приготовления 10 кг 5 %-го раствора сульфата меди.
7.Определите массовую долю сульфата железа(II) в растворе, полученном при смешении 100 г железного купороса (FeSO 4· 7H 2 O) с 9900 г воды.
Получение и разложение кристаллогидратов.