Аммиачная вода —. Свойства молекулы воды Понятие о тяжелой воде

Вода - уникальнейшее вещество, основа всех живых организмов на планете. Она может приобретать различную форму и находиться в трех состояниях. Какие основные физические и химические свойства воды? Именно о них пойдет речь в нашей статье.

Вода - это...

Вода - это самое распространенное на нашей планете неорганическое соединение. Физические и химические свойства воды определяются составом её молекул.

Так, в структуре молекулы воды содержится два атома водорода (Н) и один атом кислорода (О). В нормальных условиях внешней среды это безвкусная жидкость без запаха и окраса. Вода также может находиться в других состояниях: в виде пара или же в форме льда.

Более 70 % нашей планеты покрыто именно водой. Причем около 97 % приходится на моря и океаны, поэтому большая её часть не годится для употребления человеком. О том, каковы основные химические свойства питьевой воды - вы узнаете далее.

Вода в природе и жизни человека

Вода - обязательный компонент любого живого организма. В частности, человеческий организм, как известно, более чем на 70 % состоит именно из воды. Более того, ученые предполагают, что именно в этой среде зародилась жизнь на Земле.

Вода содержится (в форме водяного пара или капель) в разных слоях атмосферы. На поверхность земли из атмосферы она попадает в виде дождя или других осадков (снега, росы, града, инея) посредством процессов конденсации.

Вода выступает объектом исследований для целого ряда научных дисциплин. Среди них - гидрология, гидрография, гидрогеология, лимнология, гляциология, океанология и другие. Все эти науки, так или иначе, изучают физические, а также химические свойства воды.

Вода активно используется человеком в его хозяйственной деятельности, в частности:

• для выращивания сельскохозяйственных культур;
• в промышленности (в качестве растворителя);
• в энергетике (в качестве теплоносителя);
• для тушения пожаров;
• в кулинарии;
• в фармации и так далее.

Разумеется, чтобы эффективно использовать это вещество в хозяйственной деятельности, следует детально изучить химические свойства воды.

Разновидности воды

Как уже упоминалось выше, вода в природе может находиться в трех состояниях: жидком (собственно, вода), твердом (кристаллы льда) и газообразном (пар). Она также может приобретать любые формы.

Существует несколько видов воды. Так, в зависимости от содержания катионов Са и Na, вода может быть:

• жесткая;
• мягкая.

• пресная;
• минеральная;
• солоноватая.

В эзотерике и некоторых религиях бывает вода:

• мертвая;
• живая;
• святая.

В химии также существуют такие понятия, как дистиллированная и деионизированная вода.

Формула воды и её биологическое значение

Оксид водорода - так именуют данное вещество химики. Формула воды следующая: H 2 O. Она означает, что это соединение состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Уникальные химические свойства воды определили её исключительную роль для жизни живых организмов. Именно благодаря воде биологическая жизнь существует на нашей планете.

Самая уникальная особенность воды заключается в том, что она прекрасно растворяет в себе огромное количество других веществ (как органического, так и неорганического происхождения). Важное последствие этой особенности состоит в том, что все химические реакции в живых организмах протекают достаточно быстро.

Кроме этого, благодаря уникальным свойствам воды, она пребывает именно в жидком состоянии, при крайне широком температурном диапазоне.

Физические свойства воды

Благодаря уникальным водородным связям, вода, при стандартных условиях среды, находится в жидком состоянии. Этим объясняется крайне высокая температура кипения воды. Если бы молекулы вещества не были связаны этими водородными связями, то вода закипала бы при +80 градусах, а замерзала - аж при -100 градусах.

Вода закипает при +100 градусах по Цельсию, а замерзает - при нуле градусов. Правда, при определенных, специфических условиях она может начать замерзать и при плюсовых значениях температуры. При замерзании вода увеличивается в своем объеме (за счет уменьшения плотности). Кстати, это чуть ли не единственное вещество в природе, обладающее подобным физическим свойством. Помимо воды, при замерзании расширяется лишь висмут, сурьма, германий и галлий.

Вещество также характеризуется высокой вязкостью, а также довольно сильным поверхностным натяжением. Вода - отличный растворитель для полярных веществ. Также следует знать, что вода очень хорошо проводит через себя электричество. Эта особенность объясняется тем, что в воде почти всегда находится большое количество ионов растворенных в ней солей.

Химические свойства воды (8 класс)

Молекулы воды имеют крайне высокую полярность. Поэтому это вещество в реальности состоит не только из простых молекул вида H 2 O, но и из сложных агрегатов (формула - (H 2 O) n).

В химическом плане вода очень активна, она вступает в реакции со многими другими веществами, даже при обычных температурах. При взаимодействии с оксидами щелочных, а также щелочноземельных металлов, она образует основания.

Вода также способна растворять в себе широкий спектр химических веществ - соли, кислоты, основания, некоторые газы. За это свойство её часто называют универсальным растворителем. Все вещества, в зависимости от того, растворяются они в воде или нет, принято делить на две группы:

• гидрофильные (хорошо растворяются в воде) - соли, кислоты, кислород, углекислый газ и т. д.;
• гидрофобные (плохо растворяются в воде) - жиры и масла.

Вода также вступает в химические реакции и с некоторыми металлами (например, с натрием), а также принимает участие в процессе фотосинтеза растений.

В заключение...

Вода - самое распространенное среди неорганических веществ на нашей планете. Она содержится практически везде: на земной поверхности и в её недрах, в мантии и в горных породах, в высоких слоях атмосферы и даже в космосе.

Химические свойства воды определены её химическим составом. Её относят к группе химически активных веществ. Со многими веществами вода вступает в

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вода (оксид водорода) – бинарное неорганическое соединение.

Химическая формула: Н 2 O

Структурная формула:

Молярная масса: 18,01528 г/моль.

Альтернативные названия : оксид , гидроксид водорода, гидроксильная кислота, монооксид дигидрогена, оксидан, дигидромонооксид.

В молекуле воды атом кислорода находится в состоянии sp 3 –гибридизации, поскольку в образовании гибридных орбиталей участвуют не только валентные электроны, но и неподеленные электронные пары. Гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра:

Вследствие большой разницы электроотрицательностей кислорода и водорода связи в молекуле сильно поляризованы, и происходит смещение электрон ной в сторону . Молекула воды обладает большим дипольным моментом, поскольку полярные связи расположены несимметрично.

С сильной поляризацией связи О – Н связано образование водородных связей между молекулами воды. Каждая молекула воды может образовывать до четырёх водородных связей – две из них образует атом кислорода, а еще две – атомы водорода:

Образование водородных связей определяет более высокую температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение воды по сравнению с гидридами аналогов ( селена и теллура).

Изотопные модификации воды

В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в состав молекулы, выделяют следующие изотопные модификации воды :

С учетом того, что у кислорода три стабильных изотопа (16 O, 17 O и 18 O), можно составить 18 формул молекул воды, различающихся изотопным составом. Как правило, природная вода содержит все эти разновидности молекул.

Примеры решения задач по теме «формула воды»

ПРИМЕР 1

Задание	В радиатор автомобиля залили 9 л воды и добавили 2 л метилового с плотностью 0,8 г/мл. При какой минимальной температуре можно теперь оставить автомобиль на открытом воздухе, не опасаясь, что вода в радиаторе замерзнет (криоскопическая константа воды равна 1,86 К кг/моль)?
Решение	По закону Рауля понижение температуры кристаллизации разбавленных растворов неэлектролитов равно: где: – понижение температуры замерзания раствора; К cr – криоскопическая постоянная растворителя; C m – моляльная концентрация раствора; m B – масса растворенного вещества; m A – масса растворителя; M B – молярная масса растворенного вещества. Масса метилового спирта равна: Масса воды равна: Молярная масса метилового спирта равна 32г/моль Рассчитаем изменение температуры замерзания:
Ответ	Автомобиль можно оставлять на улице при температуре выше –10,3°С

ПРИМЕР 2

Задание	Сколько граммов Na 2 SO 4 10H 2 O следует растворить в 250 г воды для получения раствора, содержащего 5% безводной ?
Решение	Молярная масса Na 2 SO 4 равна: Молярная масса кристаллогидрата: Обозначим количество (моль) растворенной соли как х. Тогда раствора будет равна: Масса безводной соли в готовом растворе будет равна:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вода – оксид водорода – бинарное соединение неорганической природы.

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

Химические свойства воды

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

H 2 O ↔ H + + OH — ↔ H 3 O + + OH — .

Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:

H 2 O = H 2 + O 2 .

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

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

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

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

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

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

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

Вода способна растворять некоторые вещества металлы и неметаллы при нагревании:

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

H 2 O + C ↔ CO + H 2 .

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

CH 2 = CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH.

Физические свойства воды

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

Получение воды

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

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

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

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

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

CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Сколько воды надо взять, чтобы из 20%-го раствора уксусной кислоты приготовить 5%-й раствор?
Решение	Согласно определению массовой доли вещества 20%-й раствор уксусной кислоты представляет собой 80 мл растворителя (воды) 20 г кислоты, а 5%-й раствор уксусной кислоты представляет собой 95 мл растворителя (воды) 5 г кислоты. Составим пропорцию: x = 20 × 95 /5 = 380. Т.е. в новом растворе (5%-м) содержится 380 мл растворителя. Известно, что первоначальный раствор содержал 80 мл растворителя. Следовательно, чтобы получить 5%-й раствор уксусной кислоты из 20%-го раствора нужно добавить: 380-80 = 300 мл воды.
Ответ	Необходимо 300 мл воды.

ПРИМЕР 2

Задание	При сгорании органического вещества массой 4,8 г образовалось 3,36л углекислого газа (н.у.) и 5,4 г воды. Плотность органического вещества по водороду равна 16. Определите формулу органического вещества.
Решение	Молярные массы углекислого газа и воды, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 44 и 18 г/моль, соответственно. Рассчитаем количество вещества продуктов реакции: n(СО 2) = V(СО 2) / V m ; n(Н 2 О) = m(Н 2 О) / M(Н 2 О); n(СО 2) = 3,36 / 22,4 = 0,15 моль; n(Н 2 О) = 5,4 / 18 = 0,3 моль. Учитывая, что в составе молекулы СО 2 один атом углерода, а в составе молекулы Н 2 О – 2 атома водорода, количество вещества и массы этих атомов будут равны: n(С) = 0,15 моль; n(Н) = 2×0,3 моль; m(C) = n(С)× M(C) = 0,15 × 12 = 1,8 г; m(Н) = n(Н)× M(Н) = 0,3 × 1 = 0,3 г. Определим, есть ли в составе органического вещества кислород: m(O) = m(C x H y O z) – m(C) – m(H) = 4,8 – 0,6 – 1,8 = 2,4 г. Количество вещества атомов кислорода: n(O) = 2,4 / 16 = 0,15 моль. Тогда, n(C): n(Н): n(O) = 0,15: 0,6: 0,15. Разделим на наименьшее значение, получим n(C):n(Н): n(O) = 1: 4: 1. Следовательно, формула органического вещества CH 4 O. Молярная масса органического вещества рассчитанная с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 32 г/моль. Молярная масса органического вещества, рассчитанная с использованием величины его плотности по водороду: M(C x H y O z) = M(H 2) × D(H 2) = 2 × 16 = 32 г/моль. Если формулы органического вещества выведенного по продуктам сгорания и с использованием плотности по водороду различаются, то отношение молярных масс будет больше 1. Проверим это: M(C x H y O z) / M(CH 4 O) = 1. Следовательно, формула органического вещества CH 4 O.
Ответ	Формула органического вещества CH 4 O.

Формулы для ковалентных связей в корне отличаются от формул для ионных связей. Дело в том, что ковалентные соединения могут образовываться самыми разными способами, поэтому в результате реакции возможно появление различных соединений.

1. Эмпирическая формула

В эмпирической формуле указываются элементы, из которых состоит молекула, с наименьшим целочисленными соотношениями.

Например, C 2 H 6 O - соединение содержит два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода.

2. Молекулярная формула

Молекулярная формула указывает из каких атомов состоит соединение и в каких количествах эти атомы в нем находятся.

Например, для соединения C 2 H 6 O молекулярными формулами могут быть: C 4 H 12 O 2 ; C 6 H 18 O 3 ...

Для полного описания ковалентного соединения молекулярной формулы недостаточно:

Как видим, оба соединения имеют одинаковую молекулярную формулу - C 2 H 6 O, но являются совершенно разными веществами:

• диметиловый эфир применяется в холодильных установках;
• этиловый спирт - основа алкогольных напитков.

3. Структурная формула

Структурная формула служит для точного определения ковалентного соединения, т.к., кроме элементов в соединении и количества атомов, показывает еще и схему связей соединения.

В качестве структурной формулы используют электронно-точечную формулу и формулу Льюиса .

4. Структурная формула для воды (H 2 O)

Рассмотрим порядок построение структурной формулы на примере молекулы воды.

I Строим каркас соединения

Атомы соединения располагаются вокруг центрального атома. В качестве центральных обычно выступают атомы: углерода, кремния, азота, фосфора, кислорода, серы.

II Находим сумму валентных электронов всех атомов соединения

Для воды: H 2 O = (2·1 + 6) = 8

В атоме водорода один валентный электрон, в атоме кислорода - 6. Поскольку в соединении присутствует два атома водорода, то общее число валентных электронов молекулы воды будет равно 8.

III Определяем количество ковалентных связей в молекуле воды

Определяем по формуле: S = N - A , где

S - количество электронов, совместно используемых в молекуле;

N - сумма валентных электронов, соответствующих завершенному внешнему энергетическому уровню атомов в соединении:

N = 2 - для атома водорода;

N = 8 - для атомов остальных элементов

A - сумма валентных электронов всех атомов в соединении.

N = 2·2 + 8 = 12

A = 2·1 +6 = 8

S = 12 - 8 = 4

В молекуле воды совместно используемых электронов - 4. Поскольку ковалентная связь состоит из пары электронов, то получаем две ковалентные связи.

IV Распределяем совместные электроны

Между центральным атомом и атомами, которые окружают его, должна быть хотя бы одна связь. Для молекулы воды таких связей будет по два для каждого атома водорода:

V Распределяем оставшиеся электроны

Из восьми валентных электронов четыре уже распределены. Куда "девать" оставшиеся четыре электрона?

Каждый атом в соединении должен иметь полный октет электронов. Для водорода - это два электрона; для кислорода - 8.

Совместно используемые электроны называются связывающими .

Электронно-точечная формула и формула Льюиса наглядно описывают строение ковалентной связи, но громоздки и занимают много места. Этих недостатков можно избежать применяя сжатую структурную формулу , в которой указывается только порядок "следования" связей.

Пример сжатой структурной формулы:

• диметиловый эфир - CH 3 OCH 3
• этиловый спирт - C 2 H 5 OH