Химические свойства воды

Очень многие химические реакции протекают только в присутствии воды. Так, окисление кислородом не происходит в сухих газах, металлы не реагируют с хлором и т.д.

Многие соединения всегда содержат определенное число молекул воды и называются поэтому гидратами. Природа образующихся при этом связей может быть разной. Например, в пентагидрате сульфата меди, или медном купоросе CuSO₄×5H₂O, четыре молекулы воды образуют координационные связи с ионом сульфата, разрушающиеся при 125° С; пятая же молекула воды связана так прочно, что отрывается лишь при температуре 250° С. Еще один стабильный гидрат – серная кислота; она существует в двух гидратных формах, SO₃×H₂O и SO₂(OH)₂, между которыми устанавливается равновесие. Ионы в водных растворах тоже часто бывают гидратированы. Так, Н⁺ всегда находится в виде иона гидроксония Н₃О⁺ или Н₅О₂⁺; ион лития – в виде Li (H₂O)₆⁺ и т.д.

Элементы как таковые редко находятся в гидратированной форме. Исключение составляют бром и хлор, которые образуют гидраты Br₂×10 H₂O и Cl₂×6H₂О. Некоторые обычные гидраты содержат кристаллизационную воду, например хлорид бария BaCl₂×2H₂O, английская соль (сульфат магния) MgSO₄×7H₂O, питьевая сода (карбонат натрия) Na₂CO₃×10H₂O, глауберова соль (сульфат натрия) Na₂SO₄×10H₂O. Соли могут образовывать несколько гидратов; так, сульфат меди существует в видеCuSO₄×5H₂O, CuSO₄×3H₂O и CuSO₄×H₂O. Если давление насыщенного пара гидрата больше, чем атмосферное давление, то соль будет терять воду. Этот процесс называется выцветанием (выветриванием). Процесс, при котором соль поглощает воду, называется расплыванием.

Гидролиз – это реакция двойного разложения, в которой одним из реагентов является вода; трихлорид фосфора PCl₃ легко вступает в реакцию с водой:

PCl₃ + 3H₂O = P(OH)₃ + 3HCl

Аналогичным образом гидролизуются жиры с образованием жирных кислот и глицерина.

Вода – полярное соединение, а потому охотно вступает в электростатическое взаимодействие с частицами (ионами или молекулами) растворенных в ней веществ. Образовавшиеся в результате сольватации молекулярные группы называются сольватами. Слой молекул воды, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения, составляет сольватную оболочку. Впервые понятие сольватации было введено в 1891 И.А.Каблуковым.

Вода – весьма активное в химическом отношении вещество.

1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH (бурно)

2K + 2H2O = H2 + 2KOH (бурно)

3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4 (только при нагревании)

Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.

Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

C + H₂O = H₂ + CO (при сильном нагревании)

CH₄ + 2H₂O = 4H₂ + CO₂ (при сильном нагревании)

2) Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем:

3) Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой. Примеры таких реакций мы уже встречали:

Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Мы уже встречались с такими оксидами. Это ZnO, TiO2, Cr2O3, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней.

5) Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемыегидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом. Например:

Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.

6) Особая реакция воды – фотосинтез - синтез растениями крахмала (C6H10O5)n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

6n CO₂ + 5n H₂O = (C₆H₁₀O₅)n + 6n O₂ (при действии света)

ХИМИЯ ВОЗДУХА

Та часть атмосферы, которая прилегает к Земле и которой соответственно дышит все живое, называется тропосферой. Тропосфера имеет высоту от девяти до одиннадцати километров и представляет собой механическую смесь разнообразных газов.

Состав воздуха не обладает постоянством. Однако принято считать стандартным следующий состав воздуха в процентах: - азот – 78,9 процента; - кислород – 20,95 процента; - двуокись углерода – 0,3 процента. Кроме того, в атмосфере присутствуют другие газы (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, водород, радон, озон), а также закись азота и водяные пары. Сумма их составляет чуть меньше одного процента. Также стоит указать на наличие в воздухе некоторых постоянных примесей природного происхождения, в частности, некоторых газообразных продуктов, которые образуются в результате как биологических, так и химических процессов. Специального упоминания среди них заслуживает аммиак (состав воздуха вдали от населенных мест включает в себя порядка трех-пяти тысячных миллиграмма на кубический метр), метан (его уровень равен в среднем двум десятитысячным миллиграмма на кубический метр), окислы азота (в атмосфере их концентрация достигает приблизительно пятнадцать десятитысячных миллиграмма на метр кубический), сероводорода и других газообразных продуктов.

Кислород (О₂) по биологической роли - самая важная составная часть воздуха. Он необходим для окислительных процессов и находится в крови, в основном, в связанном состоянии - в виде оксигемоглобина, который переносится эритроцитами к клеткам организма. В покое потребность человека в кислороде составляет 12-17 л/час. При физической работе потребление кислорода увеличивается в несколько раз.

Кислород расходуется на:

- дыхание людей, животных и растений;

- окисление органических веществ;

- сгорание топлива и др.

Восстановление содержания кислорода в атмосфере происходит за счет выделения его частями растений, содержащими хлорофилл.

Растения поглощают углекислый газ, расщепляя его, усваивают углерод, а освободившейся кислород выделяют в атмосферу.

Кислород один из важнейших компонентов чистого воздуха. Уровень кислорода у поверхности Земли прибли­зительно одинаков: 20,7-20,9%. Живой о рганизм очень чувствителен к недостатку кислорода. Однако кислород в чистом виде обладает токсическим дейст­вием. Так, в экспериментах на животных показано, что при дыхании чистым кислородом у животных через 1­-2 часа обнаруживаются ателектазы в легких (спадение всего легкого или его части), через 3-6 ча­сов - нарушение проницаемости капилляров в легких, через 24 часа - явления отека легких.

Углекислый газ (диоксид углерода, СО₂) в природе находится в свободном и связанном состоянии. Благодаря процессам образования и ассимиляции содержание углекислого газа в атмосферном воздухе относительно постоянно и составляет 0,03%-0,04%. В природе непрерывно происходят процессы выделения и поглощения углекислого газа.

Поступает углекислый газв атмосферу в резуль­тате:

- жизнедеятельности живых организмов,

- процессов го­рения,

- гниения и брожения

- и за счет сгорания топлива на промышленных предприятиях.

Поглощение углекислого газа осуществляется:

- растениями в процессе фотосинтеза;

- водные поверхности регулируют содержание СО₂ (океан);

- из воздуха угле­кислый газ вымывается осадками;

- распределение СО₂ при таянии ледников.

Углекислый газ является физиологическим возбудителем дыхательного центра. При вдыхании больших концентраций углекислого газа нарушается окислительно-восстановительные процессы. Чем больше углекислого газа во вдыхаемом воздухе, тем меньше его может выделить организм. Повышение концентрации СО₂ не безраз­лично для организма. Диоксид углерода может способствовать отравлению: если содержание его в атмосферном воздухе достигает 1%. Нарушается кислотно-щелочной баланс, что приводит к ацидозу - сдвиг рН крови в кислую сторону. При концентрации диоксида углерода 1,5 – 3-4% возникают симптомы интоксикации:

- одышка, возбужденное состояние

- головная боль, шум в ушах

- головокружение, рвота.

Если диоксид углерода в воздухе содержится в концентрации 6% то наступает критический уровень для жизнедеятельности. При повышении концентрации углекислого газа в воздухе до 8 % возникает тяжелое отравление, потеря сознания. Повышенное содержание углекислого газа в воздухе от 8% - 12 % приводит к параличу сосудов мозгового центра и смерти. Накопление угликислого газа в воздухе закрытых помещений, в том числе животноводческих, указывает на санитарное неблагополучие помещения.

Азот (N₂) является разбавителем кислорода, так как дыхание чистым кислородом приводит к необратимым последстви­ям. При концентрациях азота, превышающих допустимые 90-93%, наступает смерть. При повышении содержания азота в воздухе снижается парциальное давление кислорода, что может ока­зывать наркотическое действие, и развитие кессоной болезни.

К инертным газам, содержащимся в ат­мосферном воздухе, относятся аргон, неон, гелий, ксенон в химическом отношении они инертны, а их опасное воздействие на организм связано с их радиоактивностью. В природных условиях они определяют естественную радиоактивность атмосферы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: