Вода как реагент и как среда для химического процесса (аномальные свойства воды)

                                             Вятский Государственный Гуманитарный Университет

 

                Химический факультет

 

 

 

             Реферат по дисциплине :

                     Химия

           «Вода как реагент и как среда для химического процесса (аномальные свойства воды)»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка I курса

Химического факультета

  Учебной группы  ЭПБ – 11

Мисюкевич  Дарья  Анатольевна

 

Преподаватель:

               к.п.н  Даровских Л.В.

 

 

 

                       Киров 2013

 

     План:

1. Введение
2. Структура  молекул воды
3. Химические свойства воды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

Вода́ (оксид водорода) — бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном — водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (нагидрофильных поверхностях).

Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) — 361,13 млн км. На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % на ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках (образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды). Бо́льшая часть земной воды — солёная, и она непригодна для сельского хозяйства и питья. Доля пресной составляет около 2,5 %, причём 98,8 % этой воды находится в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, и ещё меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах.

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли,газы)

Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Является важнейшим веществом для всех живых существ на планете Земля.

 

На Земле происходит непрерывный круговорот воды, включающий использование воды на бытовые и производственные нужды человека, использование воды растениями и животными, испарение воды и  фильтрацию ее через почву многое другое. Характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества. Вода – самое удивительное соединение на Земле.

 

 

 

 

2.Внутренняя структура молекул воды

Вода (оксид водорода) H2O − простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом. Молекулярная масса воды 18,0160, на водород приходится 11,19 % по массе, а на кислород – 88,81 %.

Восемь электронов внешнего электронного слоя атома кислорода  образуют четыре электронные пары, из которых 2 создают ковалентные связи О−Н, а две другие представляют собой неподеленные электронные  пары.

С современных позиций строения атома электронное облако молекулы воды имеет вид усеченного четырехлопастного винта, который может быть  размещен в неправильном кубе (неправильный тетраэдр). Атом кислорода оказывается при этом в центре, а два атома водорода − в противоположных

углах одной из граней куба. Угол между ними составляет 104°31'. Два из восьми электронов атома кислорода расположены около ядра, два других связаны с атомами водорода, а две неподеленные пары электронов образуют ветви, расположенные в противоположном направлении по отношению к электронным облакам водородов. Таким образом, электронное облако молекулы воды имеет вид

четырех лепестков, направленных к вершинам неправильного тетраэдра. В двух вершинах одной грани находятся электронные пары, осуществляющие связь О—Н, а в двух вершинах противоположной грани находятся неподеленные электронные пары атома кислорода .Электронное облако в молекуле воды смещается к атому кислорода, так как он имеет большую электроотрицательность. Вследствие этого вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда. Поэтому  молекула воды полярна. Полярные молекулы характеризуются электрическим моментом диполя, который влияет на свойства веществ, состоящих из таких молекул. Электрический момент диполя представляет собой произведение одного из зарядов на расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Расстояние между ними составляет 0,9568 Å. Для воды электрический момент диполя p = el равен 6*10-28 Кл-м или 1,8 дебая (1,8 * 10-18 ед. СГСЭ).Благодаря большому значению электрического момента диполя между молекулами воды проявляется сильное взаимодействие за счет  образования водородных связей между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой. Водородная связь возникает в результате внедрения очень малого по мразмерам положительно поляризованного атома водорода одной молекулы в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода другой молекулы воды. Длина водородной связи О ... Н изменяется в пределах от 1,76 А. Энергия ее составляет 17—33 кДж/моль.

 

Возникновение водородной связи объясняется свойством атома водорода взаимодействовать с сильно электроотрицательным элементом, например с кислородом другой молекул воды. Такая особенность водородного атома обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом, он остается в виде ядра очень малого размера, почти лишенного электронной, оболочки. Поэтому он не испытывает отталкивания от электронной оболочки кислорода другой молекулы воды, а, наоборот, притягивается ею, и может вступить с нею во взаимодействие. Следует отметить, что согласно принятым представлениям водородную связь нельзя рассматривать как чисто электростатическую. Согласно методу молекулярных орбиталей водородная связь образуется за счет дисперсионных сил, ковалентной связи и электростатического взаимодействия.

Каждая молекула воды может образовать четыре водородных связи: две возникают при взаимодействии неподеленных электронных пар атома кислорода с атомами водорода соседних молекул воды и две дают атомы водорода, взаимодействующие с атомами Существованием водородных связей объясняется аномально высокая температура плавления воды по сравнению с водородными соединениями  аналогов кислорода (H2S, H2Se, H2Te). Водородные связи и донорно-акцепторные взаимодействия способствуют возникновению высокой упорядоченности внутренней структуры в жидкой воде. Водородные связи  обусловливают высокое внутреннее давление, которое и способствует появлению у воды некоторых особых свойств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Химические свойства воды 

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 (катионH+ анион OH−). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ 16.

Вода — химически активное вещество. Сильно полярные 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.

• Воду можно получить в ходе реакций:

• В ходе реакций нейтрализации:

• Восстановлением оксида меди водородом :

• Вода реагирует при комнатной температуре:
• С активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

• Со фтором и межгалоидными соединениями

 (при низких температурах)

 

 

 

 

 

• 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, метилнатрий 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

 

 

 

 

 

 

4. Разложение в образование воды в биосфере

 Для одних и тех же атомов  водорода и кислорода вода  не является постоянной формой  нахождения. Растения  в  процессе  фотосинтеза разлагают воду . выделяя кислород в атмосферу. Разложение воды происходит в условиях биосферы  и при процессах химического выветривания минералов.  К числу  наиболее распространенных  среди них  относятся  силикаты . Их изменения в условиях  биосферы  можно  выразить реакцией:

                     2Ca [Al2Si2O8] + 6 H2O = Al4 [Si4 O15] (OH) 4 + 2Ca2+ + 4OH-

Выветривание  других силикатов ,а также сульфидов , карбонатов, сульфатов тоже идет с разложением воды.

 

Существенное влияние  на растворимость минералов оказывает  широко распространенная  в биосфере углекислота. Однако в  её присутствии  продолжается  разложение воды:

 

 

 

Аномалии воды

Химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее  от других природных тел и химических аналогов (гидридов элементов 6  группы периодической системы Менделеева) и от других жидкостей. Эти особые свойства известны под названием аномалии воды.

Исследуя воду и, особенно ее водные растворы, ученые раз за разом убеждались, что вода обладает ненормальными — аномальными свойствами, присущими только ей, ее Величеству — Воде, подарившей нам Жизнь и возможность мыслить. Мы даже и не подозреваем, что столь привычные и естественные свойства воды в природе, в различных технологиях, наконец, в обыденной жизни нашей являются уникальными и неповторимыми.

Плотность

• Для всей биосферы исключительна важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность.
• Действительно, при переходе любой жидкости в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Да, для любой из необозримо разных жидкостей, но не воды. Вода здесь представляет исключение.
• При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +3,98 °С. Затем, при дальнейшем снижении температуры до 0 °С, вся вода замерзает и расширяется в объеме. В результате удельный вес льда становится меньше воды и лед плавает. Если бы лед не всплывал, а тонул, то все водоемы (реки, озера, моря) промерзли бы до дна, испарение бы резко сократилось, все пресноводные животные и растения погибли бы. Жизнь на Земле стала бы невозможной.
• Вода — единственная жидкость на Земле, лед которой не тонет за счет того, что его объем на 1/11 больше объема воды.

 

Поверхностное натяжение

• Благодаря тому, что круглые шарики воды очень упруги, идет дождь, выпадает роса.
• Что же это за удивительная сила, которая сохраняет капли росы, а поверхностный слой воды в любой лужице делает эластичным и относительно прочным?
• Известно, что если стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то иголка не тонет. А ведь удельная масса металла значительно больше, чем у воды. Молекулы воды связаны силой поверхностного натяжения, которая позволяет им подниматься вверх по капиллярам, преодолевая силу земного притяжения. Без этого свойства воды жизнь на Земле была бы также невозможна.