Склад води і будова молекули

Основний зміст

Питання 1.

Вода – єдиний на Землі мінерал, який в термодинамічних умовах земної поверхні здатний знаходиться в трьох фізичних станах: твердому, рідкому і газоподібному і швидко переходити з одного стану в інший.

Температура, при якій рідка вода, пара і лід знаходяться в рівновазі дорівнює + 0,010С. Зміна стану води супроводжується виділенням енергії.

У важкій воді не живуть живі організми, насіння, змочені такою водою не проростають. Виняткове значення в природі мають особливості поведінки води при замерзанні. Температура замерзання дистильованої води прийнята за 0 ° С, а температура кипіння при нормальному тиску – за 100 ° С. Вода має максимальну щільність при температурі + 40С, при зниженні температури нижче 40С зменшується її щільність, а при замерзанні об’єм збільшується на 9%. Аномальне зміна щільності води пояснюється особливостями її будови.

Під щільністю води r (г / см3) розуміється відношення її маси m до обсягу V, займаному нею при даній температурі, т. Е. r = m / V За одиницю щільності прийнята щільність дистильованої води при 4 ° С. Величина, зворотна щільності, т. Е. Ставлення одиниці об’єму до одиниці маси, називається питомим об’ємом (см3 / г): v = V / m. Щільність води залежить від її температури, мінералізації, тиску, кількості зважених часток і розчинених газів. Рідка вода в тонких шарах безбарвна, в товстих має голубувато-зелений відтінок. Чиста вода, без домішок, майже не проводить електричний струм. Вода має велике поверхневий натяг і може підніматися по тонких капілярах на кілька метрів вгору, що забезпечує живлення рослин і є важливим фактором грунтоутворення. Вода – універсальний розчинник. Тому всі природні води – розчини.

Навіть у самій чистої природної воді – дощової містяться солі. Універсальна растворітельних здатність води забезпечує перенесення речовин в географічній оболонці, в тому числі сольовий обмін. Ця здатність води лежить в основі обміну речовинами між організмом і середовищем, в основі харчування живих організмів. Вода підтримує розчинені в ній речовини в іонізованому стані.

Питання 2.

Біохімічні реакції відбуваються між іонами. Ця властивість робить воду носієм життя, всі життєво важливі процеси протікають в живих організмах тільки у водних розчинах. Водяні пари добре пропускають короткохвильове випромінювання Сонця, але майже повністю поглинають зустрічне довгохвильове випромінювання земної поверхні. Це забезпечує поглинання великої кількості тепла водоймами і отепляющее вплив на клімат. Вода самоочищається. При проходженні через грунт вода фільтрується; випаровується тільки чиста вода, всі домішки залишаються на місці. У процесі течії в ріках, динаміки в озерах і морях вода очищається. Але тільки до відомого переділу, забруднення води особливо промисловими відходами, нерідко перевершує межа самоочищення. Основні поняття: гідроліт, дігідроль, трігідроль, щільність, питома обсяг води, важка вода.
Найважливіше, унікальне за властивостями і складом речовина нашої планети - це, звичайно, вода. Адже саме завдяки їй на Землі життя є, в той час як на інших відомих сьогодні об'єктах Сонячної системи її немає. Тверда, рідка, у вигляді пари - вона потрібна і важлива будь-яка. Вода і її властивості складають предмет вивчення цілої наукової дисципліни - гідрології.

Кількість води на планеті

Якщо розглядати показник кількості даного оксиду у всіх агрегатних станах, то його на планеті близько 75% від загальної маси. При цьому слід враховувати зв'язану воду в органічних сполуках, живих істотах, мінералах та інших елементах.

Склад води і будова молекули

Якщо розглянути ці показники, то відразу стануть зрозумілі і властивості, які проявляє це дивовижне речовина. Так, молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню, тому має емпіричну формулу Н₂О. Крім того, при побудові самої молекули велику роль відіграють електрони обох елементів. Подивимося, що собою являють структура води та її властивості.

Очевидно, що кожна молекула орієнтована навколо іншої, і всі разом вони формують загальну кристалічну решітку. Цікаво те, що оксид побудований у формі тетраедра - атом кисню в центрі, а дві пари електронів його і два атоми водню навколо асиметрично. Якщо провести через центри ядер атомів лінії і з'єднати їх, то вийде саме тетраедричних геометрична форма.

Кут між центром атома кисню і ядрами відрядив становить 104,5 ⁰С. Довжина зв'язку О-Н = 0,0957 нм. Наявність електронних пар кисню, а також його більшу в порівнянні з воднем спорідненість до електрона забезпечують формування в молекулі негативно зарядженого поля. На противагу йому ядра відрядив утворюють позитивно заряджену частину з'єднання. Таким чином, виходить, що молекула води - диполь. Це визначає те, якою може бути вода, і її фізичні властивості також залежать від будови молекули. Для живих істот ці особливості відіграють життєво важливу роль.

 

Питання 3.

Основні фізичні властивості води

До таких прийнято відносити кристалічну решітку, температури кипіння і плавлення, особливі індивідуальні характеристики. Всі їх і розглянемо.

1. Будова кристалічної решітки оксиду водню залежить від агрегатного стану. Воно може бути твердим - лід, рідким - основна вода при звичайних умовах, газоподібним - пар при підвищенні температури води понад 100 ⁰С. Красиві візерункові кристали формує лід. Решітка в цілому пухка, але з'єднання дуже міцне, щільність низька. Бачити її можна на прикладі сніжинок або морозних візерунків на склі. У звичайної води решітка не має постійної форми, вона змінюється і переходить з одного стану в інший.

2. Молекула води в космічному просторі має правильну форму кулі. Однак під дією земної сили тяжіння вона спотворюється і в рідкому стані приймає форму судини.

3. Те, що за структурою оксид водню - диполь, обумовлює такі властивості: висока теплопровідність і теплоємність, яка простежується у швидкому нагріванні і боргом охолодженні речовини, здатність орієнтувати навколо себе як іони, так і окремі електрони, з'єднання. Це робить воду універсальним розчинником (як полярним, так і нейтральним).

4. Склад води і будова молекули пояснюють здатність цього з'єднання утворювати множинні водневі зв'язки, в тому числі з іншими сполуками, що мають неподіленого електронні пари (аміак, спирт та інші).

5. Температура кипіння рідкої води - 100⁰С, кристалізація настає при +4⁰С. Нижче цього показника - лід. Якщо ж збільшувати тиск, то температура кипіння води різко зросте. Так, при високих атмосферах в ній можна розтопити свинець, але вона при цьому навіть не закипить (понад 300⁰С).

6. Властивості води дуже значимі для живих істот. Наприклад, одне з найважливіших - поверхневий натяг. Це формування найтоншої захисної плівки на поверхні оксиду водню. Мова йде про воду в рідкому стані. Цю плівку розірвати механічним впливом дуже складно. Вченими встановлено, що знадобиться сила, рівна вазі в 100 тонн. Як її помітити? Плівка очевидна, коли вода капає з крана повільно. Видно, що вона немов в якійсь оболонці, яка розтягується до певної межі і ваги і відривається у вигляді круглої крапельки, злегка спотвореної силою тяжіння. Завдяки поверхневому натягу багато предметів можуть перебувати на поверхні води. Комахи, які мають особливі пристосування, можуть вільно пересуватися по ній.

7. Електропровідність оксиду водню в рідкому стані залежить від того, скільки і яких солей в ньому розчинені. Дистильована вода, яка не містить ніяких домішок, електричний струм не проводить.

Лід - це особливий стан води. У структурі цього її стану молекули пов'язані один з одним водневими зв'язками і формують красиву кристалічну решітку. Але вона досить нестійка і легко може розколотися, розтанути, тобто деформуватися. Між молекулами зберігається безліч порожнеч, розміри яких перевищують розміри самих частинок. Завдяки цьому щільність льоду менше, ніж рідкого оксиду водню.

Це має велике значення для річок, озер та інших прісних водойм. Адже в зимовий період вода в них не замерзає повністю, а лише покривається щільною кіркою більш легкого льоду, спливаючого наверх. Якби ця властивість не було характерно для твердого стану оксиду водню, то водойми промерзали б наскрізь. Життя під водою була б неможлива. Крім того, твердий стан води має велике значення як джерело величезної кількості питних прісних запасів. Це льодовики.

Показник прозорості води варіюється залежно від сторонніх домішок. Рідина може бути повністю прозорою, опалесцентной, каламутною. Поглинаються хвилі жовтого і червоного кольорів, глибоко проникають промені фіолетові.

Питання 4.

Хімічні властивості

Вода і її властивості - важливий інструмент в розумінні багатьох процесів життєдіяльності. Тому вони вивчені дуже добре. Так, гідрохімію цікавлять вода та її хімічні властивості. Серед них можна назвати наступні:

1. Жорсткість. Це така властивість, яке пояснюється наявністю солей кальцію і магнію, їх іонів у розчині. Підрозділяється на постійну (солі названих металів: хлоридів, сульфатів, сульфітів, нітратів), тимчасову (гідрокарбонати), яка усувається кип'ятінням. У Росії воду перед використанням пом'якшують хімічним шляхом для кращої якості.

2. Мінералізація. Властивість, заснована на дипольному моменті оксиду водню. Завдяки його наявності молекули здатні приєднувати до себе безліч інших речовин, іонів і утримувати їх. Так формуються асоціати, клатрати та інші об'єднання.

3. Окислювально-відновні властивості. Як універсальний розчинник, каталізатор, ассоциат, вода здатна взаємодіяти з безліччю простих і складних сполук. З одними вона виступає в ролі окислювача, з іншими - навпаки. Як відновник реагує з галогенами, солями, деякими менш активними металами, з багатьма органічними речовинами. Останні перетворення вивчає органічна хімія. Вода і її властивості, зокрема, хімічні, показують, наскільки вона універсальна і унікальна. Як окислювач вона вступає в реакції з активними металами, деякими бінарними солями, багатьма органічними сполуками, вуглецем, метаном. Взагалі хімічні реакції за участю даної речовини потребують підборі певних умов. Саме від них і буде залежати результат реакції.

4. Біохімічні властивості. Вода є невід'ємною частиною всіх біохімічних процесів організму, будучи розчинником, каталізатором і середовищем.

5. Взаємодія з газами з утворенням клатратов. Звичайна рідка вода може поглинати навіть неактивні хімічно гази і розташовувати їх всередині порожнин між молекулами внутрішньої структури. Такі сполуки прийнято називати клатратами.

6. З багатьма металами оксид водню формує кристалогідрати, в які він включений в незмінному вигляді. Наприклад, мідний купорос (CuSO₄* 5H₂O), а також звичайні гідрати (NaOH * H₂O та інші).

7. Для води характерні реакції з'єднання, при яких відбувається утворення нових класів речовин (кислот, лугів, підстав). Вони не є окислювально-відновними.

8. Електроліз. Під дією електричного струму молекула розкладається на складові гази - водень і кисень. Один із способів отримання їх в лабораторії та промисловості.

З точки зору теорії Льюїса вода - це слабка кислота і слабка основа одночасно (амфоліт). Тобто можна сказати про таку собі амфотерности в хімічних властивостях.

Складно переоцінити те значення, яке має оксид водню для всього живого. Адже вода і є сама джерело життя. Відомо, що без неї людина не змогла б прожити і тижня. Вода, її властивості і значення просто колосальні.

1. Це універсальний, тобто здатний розчиняти і органічні, і неорганічні сполуки, розчинник, діючий в живих системах. Саме тому вода - джерело і середовище для протікання всіх каталітичних біохімічних перетворень, з формуванням складних життєво важливих комплексних сполук.

2. Здатність утворювати водневі зв'язки робить дану речовину універсальним в витримуванні температур без зміни агрегатного стану. Якби це було не так, то при найменшому зниженні градусів вона перетворювалася б у лід всередині живих істот, викликаючи загибель клітин.

3. Для людини вода - джерело всіх основних побутових благ і потреб: приготування їжі, прання, прибирання, прийняття ванни, купання і плавання та інше.

4. Промислові заводи (хімічні, текстильні, машинобудівні, харчові, нафтопереробні та інші) не зуміли б здійснювати свою роботу без участі оксиду водню.

5. Здавна вважалося, що вода - це джерело здоров'я. Вона застосовувалася і застосовується сьогодні як лікувальну речовину.

6. Рослини використовують її як основне джерело живлення, за рахунок чого вони продукують кисень - газ, завдяки якому існує життя на нашій планеті.

Питання для самостійної роботи:

1. Розрахувати щільнісь води для спортсменів різних груп.

2. Хімічний склад очищеної води.

3. Будова молекул води при 100 С.