Вода як реагент та як середовище для хімічного процесу (аномальні властивості води)

Хімія.реферат.docx

Вятський Державний Гуманітарний Університет

Реферат з дисципліни

"Вода як реагент і як середовище для хімічного процесу (аномальні властивості води)"

Виконала студентка І курсу

Навчальної групи ЕПБ – 11

Місюкевич Дарія Анатоліївна

к.п.н Даровських Л.В.

Вступ
Структура молекул води
Хімічні властивості води

Вода (оксид водню) — бінарна неорганічна сполука, хімічна формула Н2O. Молекула води складається з двох атомів водню та одного – кисню, які з'єднані між собою ковалентним зв'язком. При нормальних умовах є прозорою рідиною, не має кольору (у малому обсязі), запаху і смаку. У твердому стані називається льодом, снігом або інеєм, а в газоподібному - водяною парою. Вода також може існувати у вигляді рідких кристалів (нагідрофільних поверхнях).

Близько 71% поверхні Землі покрито водою (океани, моря, озера, річки, льоди) - 361,13 млн км. На Землі приблизно 96,5% води припадає на океани, 1,7% світових запасів становлять ґрунтові води, ще 1,7% на льодовики та крижані шапки Антарктиди та Гренландії, невелика частина в річках, озерах та болотах, та 0,001% у хмарах (утворюються із зважених у повітрі частинок льоду та рідкої води). Більша частина земної води є солоною, і вона непридатна для сільського господарства та пиття. Частка прісної становить близько 2,5%, причому 98,8% цієї води знаходиться в льодовиках та ґрунтових водах. Менше 0,3 % усієї прісної води міститься в річках, озерах та атмосфері, і ще менша кількість (0,003 %) знаходиться в живих організмах.

Є хорошим сильнополярним розчинником. У природних умовах завжди містить розчинені речовини (солі, гази)

Вода маєключове значення у створенні та підтримці життя на Землі, у хімічній будові живих організмів, у формуванні клімату та погоди. Є найважливішим речовиною всім живих істот планети Земля.

На Землі відбувається безперервний кругообіг води, що включає використання води на побутові та виробничі потреби людини, використання води рослинами та тваринами, випаровування води та фільтрацію її через ґрунт багато іншого. Характер процесів, що протікають за участю води, багато в чому визначається її властивостями як індивідуальна речовина. Вода - найдивовижніша сполука на Землі.

2.Внутрішня структура молекул води

Вода (оксид водню) H2O – найпростіша стійка сполука водню з киснем. Молекулярна маса води 18,0160, водень припадає 11,19 % за масою, але в кисень – 88,81 %.

Вісім електронів зовнішнього електронного шару атома кисню утворюють чотири електронні пари, з яких створюють 2 ковалентні зв'язку О-Н, а дві інші являють собою неподілені електронні пари.

З сучасних позицій будови атома електронна хмара молекули води має вигляд усіченого чотирилопатевого гвинта, який може бути розміщений у неправильному кубі (неправильний тетраедр). Атом кисню виявляється при цьому в центрі, а два атоми водню – у протилежних

кутах однієї з граней куба. Кут між ними становить 104 ° 31 '. Два з восьми електронів атома кисню розташовані біля ядра, два інших пов'язані з атомами водню, а дві неподілені пари електронів утворюють гілки, розташовані в протилежному напрямку до електронних хмар водень. Таким чином, електронна хмара молекули води має вигляд

чотирьох пелюсток, спрямованих до вершин неправильного тетраедра. У двох вершинах однієїграні знаходяться електронні пари, що здійснюють зв'язок О—Н, а в двох вершинах протилежної грані знаходяться неподілені електронні пари атома кисню. Внаслідок цього поблизу ядер атомів водню створюється надлишок позитивного заряду. Тому молекула води є полярною. Полярні молекули характеризуються електричним моментом диполя, який впливає властивості речовин, що з таких молекул. Електричний момент диполя є твір одного із зарядів на відстань між центрами позитивного та негативного заряду. Відстань між ними становить 0,9568 Å. Для води електричний момент диполя p = el дорівнює 6 * 10-28 Кл-м або 1,8 дебая (1,8 * 10-18 од. СГСЕ). Завдяки великому значенню електричного моменту диполя між молекулами води проявляється сильна взаємодія за рахунок утворення водневих зв'язків між атомом кисню однієї молекули води та атомом водню інший. Водневий зв'язок виникає в результаті впровадження дуже малого за розмірами позитивно поляризованого атома водню однієї молекули в електронну оболонку негативно поляризованого атома кисню іншої молекули води. Довжина водневого зв'язку. Н змінюється не більше від 1,76 А. Енергія її становить 17—33 кДж/моль.

Виникнення водневого зв'язку пояснюється властивістю атома водню взаємодіяти з електронегативним елементом, наприклад з киснем іншої молекул води. Така особливість водневого атома обумовлюється тим, що, віддаючи свій єдиний електрон на утворення ковалентного зв'язку з киснем, залишається у вигляді ядра дуже малого розміру, майже позбавленого електронної, оболонки. Тому він не відчуває відштовхування віделектронної оболонки кисню інший молекули води, а, навпаки, притягується нею, і може вступити з нею у взаємодію. Слід зазначити, що згідно з прийнятими уявленнями водневий зв'язок не можна розглядати як суто електростатичний. Згідно з методом молекулярних орбіталей водневий зв'язок утворюється за рахунок дисперсійних сил, ковалентного зв'язку та електростатичної взаємодії.

Кожна молекула води може утворити чотири водневі зв'язки: дві виникають при взаємодії неподілених електронних пар атома кисню з атомами водню сусідніх молекул води і дві дають атоми водню, що взаємодіють з атомами. H2S, H2Se, H2Te). Водневі зв'язки та донорно-акцепторні взаємодії сприяють виникненню високої впорядкованості внутрішньої структури у рідкій воді. Водневі зв'язки зумовлюють високий внутрішній тиск, який сприяє появі у води деяких особливих властивостей

3.Хімічні властивості води

Вода є найпоширенішим розчинником планети Земля, багато в чому визначальним характер земної хімії, як науки. Більшість хімії, при її зародженні як науки, починалася саме як хімія водних розчинів речовин. Її іноді розглядають, як амфоліт - і кислоту і основу одночасно (катіон H + аніон OH-). За відсутності сторонніх речовин у воді однакова концентрація гідроксид-іонів та іонів водню (або іонів гідроксонію), pKa ≈ 16.

Вода – хімічно активна речовина. Сильно полярні молекули води сольватують іони та молекули, утворюють гідрати та кристали драти. Сольволіз, і зокрема гідроліз, відбувається в живій та неживій природі, ташироко використовується у хімічній промисловості.

Воду можна отримати під час реакцій:

У ході реакцій нейтралізації:

Відновленням оксиду міді воднем:

Вода реагує за кімнатної температури:
З активними металами (натрій, калій, кальцій, барій та ін.)

З фтором та міжгалоїдними сполуками

(при низьких температурах)

З солями, утвореними слабкою кислотою та слабкою основою, викликаючи їх повний гідроліз:

З ангідридами та галогенангідридами карбонових та неорганічних кислот
З активними металоорганічних сполук (діетилцинк, реактиви Гриньяра, метилнатрій і т. д.)
З карбідами, нітридами, фосфідами, силіцидами, гідридами активних металів (кальцію, натрію, літію та ін.)
З багатьма солями, утворюючи гідрати
З боранами, силанами
З кетенами, недоокисом вуглецю
З фторидами благородних газів

Вода реагує при нагріванні:

З деякими алкілгалогенідами

Вода реагує у присутності каталізатора:

з амідами, ефірами карбонових кислот
з ацетиленом та іншими алкінами
з алкенами
з нітрилами

Розкладання в утворення води у біосфері

Для тих самих атомів водню і кисню вода перестав бути постійної формою знаходження. Рослини у процесі фотосинтезу розкладають воду. виділяючи кисень у повітря. Розкладання води відбувається в умовах біосфери та при процесах хімічного вивітрювання мінералів. До найпоширеніших у тому числі ставляться силікати . Їх зміни за умов біосфери можна висловити реакцією:

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

Вивітрювання інших силікатів, а також сульфідів, карбонатів, сульфатів теж йде з розкладанням води.

Істотний вплив на розчинність мінералів дуже поширена в біосфері вуглекислота. Однак у її присутності триває розкладання води:

Хімічно чиста вода має ряд властивостей, що різко відрізняють її від інших природних тіл і хімічних аналогів (гідридів елементів 6 групи періодичної системи Менделєєва) та інших рідин. Ці особливі властивості відомі за назвою аномалії води.

Досліджуючи воду і, особливо її водні розчини, вчені щоразу переконувалися, що вода має ненормальні — аномальні властивості, властиві тільки їй, її Величність — Воду, що подарувала нам Життя і можливість мислити. Ми навіть не підозрюємо, що такі звичні та природні властивості води в природі, у різних технологіях, нарешті, у повсякденному житті нашому є унікальними та неповторними.

Для всієї біосфери виключно важливою особливістю води є її здатність при замерзанні збільшувати, а чи не зменшувати свій обсяг, тобто. зменшувати густину.
Дійсно, при переході будь-якої рідини в твердий стан молекули розташовуються вже, а сама речовина, зменшуючись в обсязі, стає щільнішою. Так, для будь-якої з неоглядно різних рідин, але не води. Вода тут є винятком.
При охолодженні вода спочатку веде себе як інші рідини: поступово ущільнюючись, зменшує свій обсяг. Таке явище можна спостерігати до 3,98 °С. Потім, при подальшому зниженні температури до 0 ° С, вода замерзає і розширюється в обсязі. В результаті питома вага льоду стає меншою за воду і лід плаває. Якби крига не спливала, атонув, то всі водоймища (річки, озера, моря) промерзли б до дна, випаровування різко скоротилося, всі прісноводні тварини і рослини загинули б. Життя на Землі стало б неможливим.
Вода - єдина рідина на Землі, лід якої не тоне за рахунок того, що його об'єм на 1/11 більший за об'єм води.

Завдяки тому, що круглі кульки води дуже пружні, йде дощ, випадає роса.
Що ж це за дивовижна сила, яка зберігає краплі роси, а поверхневий шар води у будь-якій калюжці робить еластичним та відносно міцним?
Відомо, що якщо сталеву голку обережно покласти на поверхню води, налитої в блюдце, голка не тоне. Адже питома маса металу значно більша, ніж у води. Молекули води пов'язані силою поверхневого натягу, що дозволяє їм підніматися нагору по капілярах, долаючи силу земного тяжіння. Без цієї властивості води життя на Землі було б також неможливим.