Вода в хімії та її елементний склад, молекулярна будова, формула та молярна маса з прикладами

Вода - одна з найважливіших хімічних сполук, поширена на земній кулі.

Вода - це складна речовина, що складається з двох атомів водню та одного атома кисню (рис. 29).

Молекулярна формула води

Відносна молекулярна маса води дорівнює сумі відносних атомних мас водню та кисню:

Отже, маса 1 моля води - 18 г, а молярна маса води - 18 г/моль.

Вода та її фізичні властивості

Чиста вода - прозора рідина без кольору, смаку та запаху. Смак і запах воді надають розчинені у ній домішки. Багато фізичних властивостей води дуже своєрідні. За відповідних обставин є аномальними, тобто. відхиляються від звичних. Наприклад, щільність води при переході з твердого стану (лід) в рідке не зменшується, як у більшості речовин, а збільшується (рис. 30). Щільність зростає і при нагріванні води від 0 до + 4°С, досягаючи свого максимуму - або 1 г/мл.

Ще одна властивість води - це її висока теплоємність (4,18 Дж/кг) (для порівняння: у піску -

0,79; вапняку - 0,88; кухонної солі - 0,88; гліцерину - 2,43; етилового спирту - 2,85). Тому вода в нічний час або при переході від літнього сезону до зимового повільно остигає, а вдень і при зміні зими влітку так само повільно нагрівається.

Вода замерзає при 0°С (за цієї температури лід починає танути) і перетворюється на пару (кипить) при 100°С.

Вода, будучи універсальним розчинником, розчиняє багато органічних та неорганічних речовин.

Вода та її хімічні властивості

Молекули води дуже стійкі до нагрівання, але при температурі вище 1000°С пари води починають розкладатися на водень та кисень:

Реакційна здатність води дуже велика.

Активні метали, взаємодіючи з водою, виділяють із неї водень:

Мал. 30. Вода та лід

При взаємодії з водою оксидів багатьох металів та неметалів утворюються основи та кислоти:

Деякі солі утворюють з водою сполуки, які називають кристалогідратами:

Нагріте залізо входить у реакцію з парами води:

Вода каталізує ряд хімічних процесів: за її відсутності «гримучий газ» не вибухає навіть при високій температурі, чадний газ не горить у кисні, натрій і фосфор не окислюються на повітрі, не взаємодіють із хлором і не відбувається травлення скла фтористим воднем.

Поширення води у природі

Три чверті поверхні земної кулі покрито водою як океанів, морів, озер, річок. Вода поширена в атмосфері у вигляді парів, на гірських вершинах та полюсах – у вигляді льодовиків та снігу. Існують також підземні води, що зволожують ґрунт та гірські породи.

Обсяг Світового океану становить. На нього припадає 97,2% усієї води на Землі. Вода у вигляді льодовиків на полюсах та гірських вершинах становить 2,1%, підземні ґрунтові води та прісна вода річок та озер – 0,6%, колодязна та солона вода – 0,1%.

Вода має значення у житті рослин, тварин і людей. За сучасними уявленнями, походження та розвиток життя Землі було з морем. Вода - це середовище, яке забезпечує життєдіяльність кожного організму за допомогою хімічних процесів, що в ній протікають. Крім того, вода сама бере участь у низці біохімічних процесів.

Аномальні фізичні властивості води мають важливе значення у забезпеченні життєвих процесів. Якби щільність води при переході з рідкого стану в твердий змінювалася так само, як і в інших речовин, то з приходом зими поверхня води, замерзаючи при 0°С, осідала б нижче і поступалася б місцем більш теплому шару, який також замерзав би і осідав на дно. Таким чином, вся вода перетворилася б на лід і багато форм життя припинили б своє існування.

Але те, що вода при +4°С має максимальну щільність, не дає відбуватися подібному явищу, оскільки лід, що володіє меншою щільністю, залишається на поверхні води і оберігає від замерзання більш глибокі теплі шари.

Висока теплоємність води також має велике значення для життя на Землі. На нагрівання води потрібно витратити більше енергії, ніж нагрівання будь-якого іншого речовини, тобто. вода, що поглинула тепло, нагрівається за нижчої температури, ніж будь-яка інша рідина. Одна третина поглинається енергії Сонця витрачається на випаровування води Світового океану та інших водних басейнів.

Вода виконує специфічну роль терморегулятора і цим забезпечує нормальну життєдіяльність лежить на Землі. Водні ресурси земної кулі можуть бути як солоними, так і прісними, але вони мають важливе значення для промисловості.

Промисловість пристосована для споживання переважно прісної води. За наявними даними, на рік на одного жителя планети припадає в середньому 8000 л води. Ця кількість води використовується як у побутових, так і в сільськогосподарських та промислових цілях.

Тільки 10% витрачається води припадає на побутові витрати, а решта витрачається на промисловість та сільське господарство.Для отримання 1 кг цукру потрібно 400 л води, для обробки 1 кг зерна — 1500 л, а для отримання 1 кг синтетичної гуми потрібно приблизно 2500 л води.

У промисловості вода в основному використовується як розчинник, охолоджувач та очищувач.

Прісна вода широко використовується в сільському господарстві для поливу полів та пиття у тваринництві.

Повсюдне використання води у промисловості пов'язані з проблемами виникнення стічних вод і забруднення довкілля. Для вирішення цих проблем потрібний комплексний підхід.

Не забувайте, що вода є безцінним багатством!

Заходи щодо збереження водних ресурсів від забруднення

Для життєдіяльності (тобто для побутових потреб, сільського господарства та промисловості) використовують води озер, річок, підземні води та води штучних водойм. Для водозабезпечення велике значення має збереження чистоти води, яка забруднюється, проходячи через систему каналізаційних мереж, промислових підприємств, піддаючись обробці шляхом змиву хімічних засобів з полів.

Стічні води, що повертаються у водойми, повинні проходити відповідне очищення, оскільки вони можуть бути забруднені викидами ферм, сміттєзбірників, міською каналізацією, дренажними водами, залишками мінеральних добрив, інсектицидами, гербіцидами, відходами лікарень, торгових підприємств, громадського харчування, заводів. Такі води повинні бути піддані багатоступеневому очищенню. Спочатку вода пропускається через механічні фільтри, у яких затримуються пісок та інші частки. Дрібні ж частинки та багато бактерій осаджуються шляхом додавання у воду спочатку вапна, а потім сульфату алюмінію.При пропущенні повітря через таку воду у ній посилюється розкладання органічних речовин. На останній стадії, щоб очистити воду від бактерій, її обробляють озоном чи хлором. Після такої стерилізації воду можна використовуватиме споживання.

При застосуванні цього методу очищення вода очищається від шкідливих речовин. Але в деяких випадках з'являється необхідність її очищення від іонів кальцію та магнію, що підвищують жорсткість води. Ці іони у поєднанні з милом утворюють у воді нерозчинні сполуки, що негативно впливають на ефективність синтетичних миючих речовин. Така вода при кип'ятінні дає накип. Багато підземних вод піддаються такому очищенню, тому що в результаті взаємодії вапняку, а також інших сполук магнію і кальцію вміст їх іонів у воді зростає. Ця вода обробляється гашеним або негашеним вапном, а також содою. Потім проводять її обробку галуном. Така вода повністю готова до вживання.

Для очищення стічних вод існує особливий спосіб, що складається з трьох стадій. На першій стадії очищення проходять 30% води, на другій 60%, 10% води не піддаються очищенню. При цьому на першій стадії фільтруванням відокремлюються великі тверді частинки, 60% яких можуть випасти в осад. Якщо не піддавати таку воду вторинному очищенню, слід провести її знезараження хлором і відправити у водойму.

При вторинному очищенні повітря розкладаються органічні речовини, збільшується кількість аеробних бактерій, які, харчуючись залишками органічних речовин, очищають воду. Потім вони осаджуються, а вода піддається обробці хлором і зливається у водойму. На цій стадії можна осадити до 90% твердих частинок.

Вода, що пройшла первинну та вторинну обробку, може містити значну кількість сполук фосфору та азоту, що призводить до розмноження водоростей у водоймах. Крім цього, багато хімічних речовин, що містяться в стічних водах, пройшовши ці стадії очищення, можуть знову забруднювати довкілля та водні басейни.

Однак повне очищення води від багатьох металів та органічних речовин – дуже дорога процедура. Тому вода в незначних кількостях піддається третинній обробці, коли за допомогою спеціальних засобів такі домішки ліквідуються.

Вода - один із найкращих розчинників

Вода має велике значення у житті та практичної діяльності людини. Процес засвоєння їжі пов'язаний з переведенням поживних речовин у розчинні форми за допомогою води. Усі фізіологічно важливі рідини (кров, лімфа та ін.) - Водні розчини. В основі багатьох сфер виробничої діяльності лежать процеси, у яких використовуються водні розчини.

Рідкі розчини - це рідкі гомогенні (однорідні) системи, що складаються з двох або більше компонентів.

Загальна поверхня Землі становить 510 100 000 , 375 000 000 з них покрито водою. Маса океанічних та морських вод становить (не враховуючи розчинені в них солі) 1,4-1018 т, прісної води суші та льодовиків - 4-1015 т; води, що входить до складу живих організмів, ґрунту та гірських порід, — 1017 т. У тілі людини вагою 70 кг міститься 49 кг води, тіла деяких медуз містять 98% води.

У природі вода поширена як розчинених у ній солей. Такі річки, як Ганг або Міссісіпі, розчиняють до 100 млн. т солей на рік, а всі річки світу — 2,735 млрд. т солей.

Майже всі речовини розчиняються у воді (мал.31): деякі – дуже добре, інші – середньо, а інші – погано.

Проходячи через нижні шари атмосфери, дощова вода може розчинити значну кількість різних речовин. При випаровуванні 1000 м дощової води залишається 3-5 м твердого осаду.

Розчинені та потрапили в ґрунт речовини, хімічно взаємодіючи з компонентами ґрунту та гірських порід, беруть активну участь у безперервному процесі утворення ґрунту та мінералів, руйнування гірських порід.

Мал. 31. Розчинення різних речовин у воді:

1 - хлорид кальцію; 2 - перманганат калію; 3 - харчова сіль; 4 - біхромат калію; 5 - карбонат натрію; 6 - бертолетова сіль

Мал. 32. Розчинення цукру у воді

Вода - універсальний розчинник, який може розчиняти і гази (кисень, водень, вуглекислий газ та ін), і рідини (спирт, кислоти та ін), і тверді речовини (солі, мінерали та ін).

У воді розчиняються в невеликій кількості навіть ті речовини, які, здавалося б, зовсім не розчиняються у ній. К.В. Шееле, кип'ятивши протягом 12 днів у колбі дистильовану снігову воду, відзначив невелике роз'їдання стінок колби. А. Лавуазьє, кип'ятивши певну кількість води в колбі протягом 101 дня, помітив, що маса судини зменшилася на певне число, а маса осаду, отриманого після випаровування води, дорівнює цьому числу. Отже, навіть скло трохи розчиняється у воді.

Здатність речовини розчинятися називається розчинністю.

Наприклад, спостерігаємо розчинення цукру у воді (рис. 32). При кімнатній температурі (20°С) 100 г води може розчинитися 200 г цукру. Більша кількість цукру за цієї температури не розчиниться. Такий розчин називається насиченим.

Міра розчинності визначається кількістю речовини в насиченому розчині за певних умов.

Розчинність визначається розчиненням речовини 100 г розчинника. Якщо в розчиннику розчиняється більше 10 г речовини, воно вважається добре розчинним, якщо менше 1 г — малорозчинним, якщо менше 0,01 г — практично нерозчинним.

Розчинність багатьох твердих речовин зростає із підвищенням температури. Цю залежність можна у вигляді графіка (рис. 33).

Розчинність газів у разі підвищення температури зменшується (при кип'ятінні води розчинені у ній гази виділяються).

Мал. 33. Криві розчинності різних солей

Але підвищення тиску призводить до зростання їх розчинності (відкриваючи пляшку мінеральної води, ми зменшуємо тиск усередині судини, і тому розчинений у ній вуглекислий газ починає інтенсивно виділятися).

Поняття про розчини та їх концентрації

Розчин - це однорідна система, що складається з розчинника, розчиненої речовини та продуктів їх взаємодії.

Речовина в розчині подрібнена до молекул, атомів або інших частинок і рівномірно розподілена між молекулами розчинника, оскільки розміри частинок розчиненої речовини становлять і менше. Наприклад, спиртовий розчин йоду в аптеках є молекулами йоду, розподілені між молекулами спирту. Це розчин, що нічого не залишає на фільтрі. Такі розчини називаються істинними.

Розчини бувають рідкими, твердими та газоподібними. Прикладами рідких розчинів можуть бути водні розчини солі, цукру, спирту; твердих розчинів – золотометалеві вироби, сплави типу дюралюмінію; газоподібних розчинів – повітря або інші суміші газів.

При утворенні розчинів спостерігається виділення чи поглинання тепла. Розчини можуть проводити або не проводити електричний струм.

Розчини мають властивості як механічних сумішей, так і хімічних сполук (табл. 7).

При практичному застосуванні розчинів важливе значення має точне визначення кількості речовини, розчиненої у загальній масі розчину.

Склад розчину (зокрема кількість розчиненої речовини) можна встановити різними способами і виразити в розмірних величинах (концентраціях).

Коли йдеться про компоненти розчину, під ними маються на увазі чисті речовини, при змішуванні яких утворюється розчин. При цьому більша кількість речовини приймається за розчинник, а менша — за розчинену речовину (рис. 34).

Ці терміни були прийняті для зручності, тому що при змішуванні двох компонентів їх не можна розділяти суворо. При утворенні розчину з чистої рідини та твердої речовини зазвичай розчинник приймається рідкий компонент. Незалежно від того, що є розчиненою речовиною - газ, рідина або тверде тіло, - коли ми говоримо про склад розчину, то повинні враховувати ставлення розчиненої речовини до розчину. Ця відносна кількість називається концентрацією і виражається у різних величинах.

Зазвичай у хімії концентрація виражається:

• - у масових частках речовини, розчиненої в одній ваговій частині розчину;
• - у відсотках розчиненої речовини, що міститься у 100 г розчину;
• - у молях або еквівалентах розчиненої речовини, що міститься в 1 л розчину.

Рис.34 Солі (а) та їх розчини (б)

Масова частка, відсоткова, молярна та нормальна концентрація речовини в розчині

Як було зазначено щодо попередньої теми, щодо складу розчину необхідно враховувати природу і його компонентів.

Насичений розчин - це розчин, який при даній температурі не може розчинити більшу кількість речовини.

Ненасичений розчин - це розчин, який за даної температури продовжує розчиняти речовину.

Якщо кількість розчиненої речовини дуже мала, такий розчин називається розведеним.

Якщо кількість розчиненої речовини буде достатньо високою, такий розчин називається концентрованим (рис. 35).

У хімії переважно користуються ненасиченими розчинами.

Мал. 35. Взаємодія цинку з розчинами сірчаної кислоти різної концентрації

У хімічній практиці для вираження кількості розчиненої речовини широко застосовують такі величини:

1. Масова частка - відношення маси розчиненої речовини до маси розчину, що виражається зазвичай числами менше 1:

2. Процентна концентрація (С%) - вираз у відсотках відношення маси розчиненої речовини) до маси розчину. Тут маса розчину приймається за 100%; отже, С%

При копіюванні будь-яких матеріалів із сайту evkova.org обов'язкове активне посилання на сайт www.evkova.org

Сайт створений колективом викладачів на некомерційній основі для додаткової освіти молоді

Сайт пишеться, підтримується та керується колективом викладачів

Telegram та логотип telegram є товарними знаками корпорації Telegram FZ-LLC.

Cайт носить інформаційний характер і за жодних умов не є публічною офертою, яка визначається положеннями статті 437 Цивільного кодексу РФ. Ганна Євкова не надає жодних послуг.