Что определяет физические и химические свойства воды
Химические и физические свойства воды
Формула – H2O. 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:
Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:
При комнатной температуре вода растворяет активные металлы с образованием щелочей, при этом также происходит выделение водорода:
Вода способна взаимодействовать с фтором и межгалоидными соединениями, причем во втором случае реакция протекает при пониженных температурах:
Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой, подвергаются гидролизу при растворении в воде:
Вода способна растворять некоторые вещества металлы и неметаллы при нагревании:
Вода, в присутствии серной кислоты, вступает в реакции взаимодействия (гидратации) с непредельными углеводородами – алкенами с образованием предельных одноатомных спиртов:
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:
Один из способов получения воды – восстановление металлов водородом из их оксидов:
Примеры решения задач
| 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. |
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.
| 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(СО2) = 3,36 / 22,4 = 0,15 моль;
n(Н2О) = 5,4 / 18 = 0,3 моль.
Учитывая, что в составе молекулы СО2 один атом углерода, а в составе молекулы Н2О – 2 атома водорода, количество вещества и массы этих атомов будут равны:
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:
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 CH4O. 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:
Если формулы органического вещества выведенного по продуктам сгорания и с использованием плотности по водороду различаются, то отношение молярных масс будет больше 1. Проверим это:
Следовательно, формула органического вещества CH4O.
Вода: физические, химические свойства, химическая формула, плотность
Содержание:
Вода, или оксид (окись) водорода Н2О – важнейшая среда, в которой проходят все химико-биологические реакции. На 65-70 % организмы животных и человека состоят из воды. Ее содержание в растениях еще выше – 90 %. Вода – это основа жизни.
Строение воды
Кислород – электроотрицательный элемент, к которому смещены общие электронные пары. На кислороде возникает частично отрицательный заряд, а на водороде – частично положительный. Вода – электрический диполь. Многие свойства воды обусловлены ее полярностью.
Молекулы воды между собой образовывают водородные связи, которые объясняют высокую плотность и температуру кипения. Чем выше температура реакции, тем меньшее количество связей образуется.
Физические свойства воды
Лед всегда всплывает в водоемах или стаканах с водой. Это связано с тем, что плотность горячей и холодной воды отличается. Лед обладает меньшей плотностью, чем жидкая вода.
Воде свойственна высокая теплоемкость, поэтому она медленно нагревается и остывает. С помощью теплофизических свойств воды регулируется климат. Водные бассейны регулируют температуру на нашей планете. Вода задерживает до 60 % теплового излучения нашей планеты, не позволяя ей охлаждаться.
Теплопроводность воды небольшая. Вода в водоемах нагревается не с помощью молекулярной теплопроводности, а путем перемешивания с помощью волн и течений. Если вода не перемешивается, то она нагревается частями и образуется термическая слоистость (стратификация).
Физсвойства воды отражаются в агрегатных состояниях:
В химии физические свойства воды отражаются в количестве связей между молекулами. В парах находятся отдельные молекулы, в жидкостях между ними образуются водородные связи. Если вода находится в состоянии льда, то каждая молекула соединена с соседними молекулами с помощью четырех водородных связей.
Растворимость веществ в воде
Большинство твердых веществ при нагревании растворяется быстрее. Растворимость газов повышается при понижении температуры и повышении давления.
Растворение многих веществ в воде сопровождается образованием оболочки из молекул воды. Данный комплекс называется гидратом. После кристаллизации в составе таких комплексов сохраняется часть молекул воды, образуя кристаллогидрат:
Растворы
Химические свойства воды
Вода – важнейший компонент такой реакции как гидролиз. Гидролиз – взаимодействие соли с водой, в результате которого происходит ионный обмен между молекулами.
Очистка воды
В питьевой воде не должны содержаться примеси и болезнетворные бактерии. Чтобы вода из озер и рек была пригодна для питья, ей дают отстояться в специальных бассейнах. Затем ее фильтруют через слой песка. Очищенную от нерастворимых веществ воду обрабатывают хлором, озоном или ультрафиолетовыми лучами.
Для очищения воды от растворенных в ней веществ используют перегонку, или дистилляцию. Этим способом получают дистиллированную воду. Ее применяют в лабораториях, аптеках, охладительных системах машин и т. д.
Применение воды
Развитие промышленности привело к тому, что многие водоемы загрязнены отходами производства. Поэтому в каждом государстве должны приниматься меры по охране и рациональному использованию природных ресурсов.
Вода – важный ресурс для всего живого на планете. Если ее запасы на Земле иссякнут, то растения, животные и человек погибнут. Вода является более ценным природным богатством, чем нефть и газ, железо и уголь и т. д. Это связано с тем, что воду невозможно ничем заменить.
Урок №31. Физические и химические свойства воды. Применение воды
ВОДА
Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, присоединившихся к нему под углом 104,5°.
Угол 104,5° между связями в молекуле воды обусловливает рыхлость льда и жидкой воды и как следствие аномальную зависимость плотности от температуры. Именно поэтому крупные водоемы не промерзают до дна, что делает возможным существование в них жизни.
Физические свойства
ВОДА, ЛЁД И ПАР, соответственно жидкое, твердое и газообразное состояния химического соединения с молекулярной формулой Н 2 О.
Вода обладает исключительно большой теплоёмкостью, поэтому она медленно нагревается и медленно остывает. Благодаря этому водные бассейны регулируют температуру на нашей планете.
Химические свойства воды
Вода — весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочноземельными металлами. Вода образует соединения – кристаллогидраты.
Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:
2H 2 O электрический ток = 2H 2 ↑+ O 2 ↑
I. Взаимодействие воды с металлами
Щелочные металлы – это I(А) группа – Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
Щелочноземельные металлы – это II(А) – Ca, Sr, Ba, Ra (Be, Mg не относятся)
Me + H 2 O = Me(OH) n + H 2 (р. замещения)
Внимание! Алюминий и магний ведут себя также.
Металлы средней активности, стоящие в ряду активности до (Н 2 ) – Be, Fe, Pb, Cr, Ni, Mn, Zn – реагируют с образованием оксида металла и водорода
Me + Н 2 О = Ме х О у + Н 2 (р. замещения)
Например, бериллий с водой образует амфотерный оксид: Be + H 2 O = BeO + H 2
3) Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с водой.
Cu + H 2 O ≠ нет реакции
II. Взаимодействие воды c неметаллами
Cl 2 + H 2 O = HCl + HClO
C + H 2 O = t°С = CO + H 2
Si + 2H 2 O = t°С = SiO 2 + 2H 2
III. Взаимодействие с оксидами металлов
1). Взаимодействие с основными оксидами
Реакция соединения протекает при обычных условиях, при этом образуется растворимое основание – щёлочь.
H 2 O + ОКСИД МЕТАЛЛА = Ме(ОН) n (р. соединения)
Na 2 O + H 2 O = 2NaOH
BaO + H 2 O = Ba(OH) 2
Al 2 O 3 + H 2 O ≠ нет реакции
Физические и химические свойства воды
Плотность воды
В результате расчетов получается величина, измеряемая в кг на м3 либо г на мл (для жидкости). Плотность веществ зависит от характеристик давления, а также температуры и наличия примесей. Так, чистая пресная вода, имеющая температуру 20оС и находящаяся при атмосферном давлении 1 атм, имеет плотность 998,23 кг/м3. В то же время для морской воды аналогичная величина равняется 1027 кг/м3.
Изменение плотности воды в зависимости от температуры демонстирует следующая таблица:
Из таблицы видно, что плотность жидкости при увеличении температуры до 4 о С растет. При дальнейшем увеличении температуры отмечается уменьшение плотности. Значит, при 4 о С — достигается максимальное значение плотности воды. Примечательно, что плотность жидкой воды при этой температуре больше плотности твердого льда. Для большинства веществ наблюдается обратная зависимость: в твердом агрегатном состоянии плотность выше, чем в жидком.
Особенности изменения плотности объясняют такие явления, как:
Такая особенность, как максимальная плотность при температуре +4оС, важна для существования биологических организмов. Так, в нижней части прудов, замерзающих сверху вниз, сохраняют свою жизнеспособность его жители.
Что такое вода — общее определение
В природе вода всегда содержит растворенные в ней вещества. Являясь сильнополярным растворителем, она в той или иной степени растворяет все вещества, с которыми контактирует. В результате такие характеристики воды как плотность, электропроводность и др. меняются из-за присутствия примесей.
Для жизни всей планеты важен круговорот веществ в природе, важнейшим из которых является круговорот воды. Испаряясь с поверхности природных водоемов, ее пары поднимаются вверх и формируют облака. В дальнейшем, выпадая в виде осадков, на землю вместе с водой возвращается масса химических веществ, которые в ней растворены. Круговорот воды влияет также на формирование климата и погоды.
На планете Земля порядка 1400 млн км3 воды. Покрывая более 70% поверхности земли, водоемы составляют Мировой океан. В большинстве своем, это соленая вода, непригодная для употребления человеком и выращивания сельскохозяйственных структур. На долю пресной воды приходится всего 1,81%, большая часть ее заключена в ледниках, и подземных запасах (0,63%). Крайне незначительная часть влаги присутствует в атмосфере (0,001%).
Без воды невозможно существование живых организмов, поскольку она присутствует в их тканях и системах. Человек, способный обходиться без продуктов питания порядка 50-70 суток, не сможет жить без воды более 3-5 дней. На практике этот период может быть значительно меньше.
Физические и химические свойства
Физические свойства воды определяются особенностями ее строения (молекулярная кристаллическая решетка) и способностью переходить из одного агрегатного состояния в другое в сравнительно небольшом интервале температур. При обычных условиях вода — жидкость с определенной степенью прозрачности. По химической природе она представляет собой оксид водорода. Ее полярная молекула имеет высокий дипольный момент 1,84 Д, что объясняется большой разностью электроотрицательностей атомов кислорода и водорода.
Для промышленных процессов, а также для использования в быту, важен такой параметр вещества, как удельная теплоемкость. H 2 O обладает очень высоким значением этой характеристики, как в жидком, так и твердом состояниях.
Удельная теплота плавления льда равняется 333,25 кДж/кг(0оС), а парообразования — 2250 кДж/кг.
Вода является отличным растворителем, характеризуется высоким поверхностным натяжением.
В химических реакция вода образуется, например, при нейтрализации кислот щелочами:
Кроме того, может быть получена при реакции оксидов металлов с водородом:
C u O + H 2 = C u + H 2 O
Химические свойства воды
В химическом отношении вода является активным веществом. Являясь участником многих окислительно-восстановительных реакций, она может выступать как растворителем, так и окислителем. Рассмотрим, к примеру, уравнение:
Это уравнение реакции электролиза, в ходе которого под действием электрического тока вода распадается на молекулярный кислород и водород.
Помимо высокой высокой растворяющей способности, вода является амфолитом — электролитом, обладающим одновременно и кислотными и основными свойствами:
H + + H 2 O = H 3 O + (ион гидроксония)
При комнатной температуре вода способна взаимодействовать с наиболее активными металлами, образовывая щелочи. В ходе такой реакции выделяется водород:
2 H 2 O + 2 N a = 2 N a O H + H 2
А вот реакция с межгалоидными соединениями (интергалогенидами) протекает при пониженных температурах:
3 H 2 O + I F 5 = 5 H F + H I O 3
В отличие от других галогенов, фтор окисляет воду до кислорода:
2 H 2 O + 2 F 2 = 4 H F + O 2
Соли, образованные слабыми кислотами и основаниями, в водных растворах подвергаются полному гидролизу (разложению водой):
A l 2 S 3 + 6 H 2 O = 2 A l ( O H ) 3 + 3 H 2 S
С водой также вступают в реакции простые вещества металлы и неметаллы, обычно при повышенной температуре:
4 H 2 O + 3 F e = F e 3 O 4 + 4 H 2 и л и H 2 O + C = C O + H 2
Непредельные углеводороды ряда алкенов вступают в реакцию гидратации (присоединения воды) в присутствии минеральных кислот. При этом образуются предельные одноатомные спирты:
Замерзание воды и водных растворов в различных условиях
Процессы замерзания воды и ее растворов отличаются многообразием. Например, в грунте при отрицательной температуре некоторая часть влаги все-таки сохраняется в жидком состоянии, хотя в природе чистая вода замерзает при 0оС. В работах Н.А.Цытовича продемонстрировано, что по мере нагревания (при фоновой отрицательной температуре) содержание жидкой воды в грунте увеличивается.
Существуют особенности в процессе замерзания воды, содержащей растворенные соли. Когда ее температура опускается до точки замерзания, первыми обнаруживаются ледяные кристаллы, которые выглядят как шестигранные призмы, похожие на иглы. Эти кристаллы содержат чистую воду, соли по-прежнему находятся в растворе, их концентрация при этом увеличивается. В связи с тем, что лед легче воды, ледяные иглы поднимаются на поверхность, делая внешний вид водоема похожим на пятна жира.
Определить точную температуру кристаллизации льда легко для бесконечно разбавленных смесей. В случае же концентрированных растворов, протекающие процессы более сложные, поэтому численные результаты требуют дополнительной обработки.
При таянии морского льда вначале вытаивает соль, т. е. остается в жидком растворе. По этой причине полярный лед превращается в пресную субстанцию.
В районе морского берега лед образовывается раньше, чем на глубине. «Прилипая» к береговой линии, он формирует припай, который при тихой погоде может занять территорию до нескольких десятков километров. Сильные ветры могут отрывать части припая и уносить на глубину.
Существует специальная таблица, по которой можно определить, при каких значениях температуры воздуха произойдет замерзание воды, содержащей примеси:
| Соленость в °/00 | Температура замерзания (в градусах) | Соленость в °/00 | Температура замерзания (в градусах) |
| 0 (пресная вода) | 0 | 20 | -1,1 |
| 2 | -0,1 | 22 | -1,2 |
| 4 | -0,2 | 24 | -1,3 |
| 6 | -0,3 | 26 | -1,4 |
| 8 | -0,4 | 28 | -1,5 |
| 10 | -0,5 | 30 | -1,6 |
| 12 | -0,6 | 32 | -1,7 |
| 14 | -0,8 | 35 | -1,9 |
| 16 | -0,9 | 37 | -2,0 |
| 18 | -1,0 | 39 | -2,1 |
Применение и значение воды
Благодаря особым свойствам воды на Земле существует жизнь. То, что она, имея температуру, приемлемую для земных организмов, остается в жидком состоянии, обеспечило современное состояние земной поверхности, способствовало зарождению всех форм жизни.
Вода — идеальный растворитель, в котором в растворенном состоянии могут находится органические и неорганические вещества. Именно этот факт обеспечивает протекание биохимических процессов на клеточном уровне. Человеческое тело, как и тело животного, больше, чем наполовину состоит из воды. Без ее поступления в организм обычный человек может прожить не более 3-5 дней.
При протекании химических реакций вода часто выступает в роли катализатора или растворителя. Ее роль в аккумуляторных электролитах, лекарственных формах, напитках, буферных растворах огромна. Из природных растворов методом выпаривания получают чистые химические вещества. Однако и в природном состоянии их применяют в ходе физиотерапевтических процедур, при водолечении, бальнеолечении и т.п. Проведение таких процедур позволяет ускорить выздоровление больных.
Говоря о роли воды в природе, нельзя не упомянуть о ее влиянии на формирование климата. Будучи веществом с высокой теплоемкостью, она в составе океанов поглощает тепло, которое в последующем отдает обратно, в атмосферу, что делает климат на планете более мягким. Важную роль играют холодные и теплые течения, например, Гольфстрим. Из-за него климат в Англии, Мурманске теплее и мягче, чем на континентальной части.
Воду в виде пара содержит атмосфера. Именно эта влага способна задерживать тепло, которое излучает Земля. Ученые считают, что, благодаря такому эффекту (парниковый эффект), наша планета сохраняет практически постоянную температуру и сохраняет жизнь во всех формах ее сегодняшнего проявления.
Что определяет физические и химические свойства воды
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.
Содержание
Виды воды
Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях — жидком, газообразном и твёрдом и приобретать различные формы, которые могут одновременно соседствовать друг с другом: водяной пар и облака в небе, морская вода и айсберги, ледники и реки на поверхности земли, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе множество органических и неорганических веществ. Из-за важности воды, «как источника жизни», её нередко подразделяют на типы по различным принципам.
По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:
Химические названия воды
С формальной точки зрения вода имеет несколько различных корректных химических названий:
Свойства
Физические свойства
| Температура °С | Удельная теплоёмкость воды кДж/(кг*К) |
|---|---|
| -60 (лёд) | 1,64 |
| -20 (лёд) | 2,01 |
| -10 (лёд) | 2,22 |
| 0 (лёд) | 2,11 |
| 0 (чистая вода) | 4,218 |
| 10 | 4,192 |
| 20 | 4,182 |
| 40 | 4,178 |
| 60 | 4,184 |
| 80 | 4,196 |
| 100 | 4,216 |
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Чистая вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O + ) и гидроксильных ионов HO − составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.