11.1. Физическое растворение

При попадании какого-либо вещества в воду оно может:
а) раствориться в воде, то есть перемешаться с ней на атомно-молекулярном уровне;
б) вступить с водой в химическую реакцию;
в) не раствориться и не прореагировать.
От чего же зависит результат взаимодействия вещества с водой? Естественно, от характеристик вещества и от характеристик воды.
Начнем с растворения и рассмотрим, какие характеристики воды и взаимодействующих с ней веществ имеют наибольшее значение в этих процессах.
Поместим в две пробирки по небольшой порции нафталина С 10 Н 8 . Нальем в одну из пробирок воду, а в другую – гептан С 7 Н 16 (можно вместо чистого гептана использовать бензин). Нафталин в гептане растворится, а в воде – нет. Проверим, действительно ли нафталин растворился в гептане или прореагировал с ним. Для этого поместим несколько капель раствора на стекло и подождем, пока гептан испарится – на стекле образуются бесцветные пластинчатые кристаллики. В том, что это нафталин, можно убедиться по характерному запаху.

Одно из отличий гептана от воды в том, что его молекулы неполярны, а молекулы воды полярны. Кроме того, между молекулами воды есть водородные связи, а между молекулами гептана их нет.

Для растворения нафталина в гептане требуется разорвать слабые межмолекулярные связи между молекулами нафталина и слабые межмолекулярные связи между молекулами гептана. При растворении образуются столь же слабые межмолекулярные связи между молекулами нафталина и гептана. Тепловой эффект такого процесса практически равен нулю.
За счет чего же нафталин растворяется в гептане? Только за счет энтропийного фактора (растет беспорядок в системе нафталин – гептан).

Для растворения нафталина в воде необходимо, кроме слабых связей между его молекулами, разорвать водородные связи между молекулами воды. При этом водородные связи между молекулами нафталина и воды не образуются. Процесс получается эндотермическим и настолько энергетически невыгодным, что энтропийный фактор здесь помочь не в силах.
А если вместо нафталина взять другое вещество, молекулы которого способны образовывать водородные связи с молекулами воды, то будет ли такое вещество растворяться в воде?
Если нет других препятствий, то будет. Например, вы знаете, что сахар (сахароза С 12 Н 22 О 11) прекрасно растворим в воде. Посмотрев на структурную формулу сахарозы, вы увидите, что в ее молекуле есть группы –О–Н, способные образовывать водородные связи с молекулами воды.
Убедитесь экспериментально, что сахароза малорастворима в гептане, и попробуйте самостоятельно объяснить, почему так различаются свойства нафталина и сахарозы.
Растворение нафталина в гептане и сахарозы в воде называют физическим растворением .

Физически растворяться могут только молекулярные вещества.

Другие компоненты раствора называются растворенными веществами .

Выявленные нами закономерности относятся и к случаям растворения в воде (да и в большинстве других растворителей) жидких и газообразных веществ. Если все вещества, образующие раствор, до растворения находились в одном агрегатном состоянии, то растворителем обычно называют то вещество, которого в растворе больше. Исключение из этого правила – вода: ее обычно называют растворителем, даже если ее меньше, чем растворенного вещества.
Причиной физического растворения вещества в воде может быть не только образование водородных связей между молекулами растворяемого вещества и воды, но и образование других видов межмолекулярных связей. Так бывает прежде всего в случае растворения в воде газообразных веществ (например, углекислого газа или хлора), в которых молекулы вообще не связаны друг с другом, а также некоторых жидкостей с очень слабыми межмолекулярными связями (например, брома). Выигрыш в энергии достигается здесь за счет ориентации диполей (молекул воды) вокруг полярных молекул или полярных связей в растворяемом веществе, а в случае хлора или брома –вызван склонностью к присоединению электронов атомов хлора и брома, сохраняющейся и в молекулах этих простых веществ (подробнее –в § 11.4).
Во всех этих случаях вещества значительно хуже растворяются в воде, чем при образовании водородных связей.
Если из раствора удалить растворитель (например так, как вы это делали в случае раствора нафталина в гептане), то растворенное вещество выделится в химически неизменном виде.

ФИЗИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ, РАСТВОРИТЕЛЬ.
1.Объясните, почему гептан нерастворим в воде
2.Подскажите знак теплового эффекта растворения в воде этилового спирта (этанола).
3.Почему аммиак хорошо растворим в воде, а кислород – плохо?
4.Какое вещество лучше растворимо в воде – аммиак или фосфин (PH 3)?
5.Объясните причину лучшей растворимости в воде озона, чем кислорода.
6.Определите массовую долю глюкозы (виноградного сахара, С 6 Н 12 О 6) в водном растворе, если для его приготовления использовали 120 мл воды и 30 г глюкозы (плотность воды примите равной 1 г/мл). Какова концентрация глюкозы в этом растворе, если плотность раствора равна 1,15 г/мл?
7.Сколько сахара (сахарозы) можно выделить из 250 г сиропа с массовой долей воды, равной 35 %?.

1. Опыты по растворению различных веществ в различных растворителях.
2. Приготовление растворов.

11.2. Химическое растворение

В первом параграфе мы рассмотрели случаи растворения веществ, при которых химические связи оставались неизменными. Но так бывает далеко не всегда.
Поместим в пробирку несколько кристаллов хлорида натрия и добавим воду. Через некоторое время кристаллы растворятся. Что произошло?
Хлорид натрия – вещество немолекулярное. Кристалл NaCl состоит из ионов Na и Cl . При попадании такого кристалла в воду в нее переходят эти ионы. При этом рвутся ионные связи в кристалле и водородные связи между молекулами воды. Попавшие в воду ионы вступают во взаимодействие с молекулами воды. В случае хлорид-ионов это взаимодействие ограничивается электростатическим притяжением дипольных молекул воды к аниону, а в случае катионов натрия оно приближается по своей природе к донорно-акцепторному. Так или иначе, ионы покрываются гидратной оболочкой (рис. 11.1).

В виде уравнения реакции это можно записать так:

NaCl кр + (n + m )H 2 O = + A

или сокращенно , где индекс aq означает, что ион гидратирован . Такое уравнение называют ионным уравнением .

Можно записать и "молекулярное" уравнение этого процесса:(такое название сохранилось с тех пор, когда предполагалось, что все вещества состоят из молекул)

Гидратированные ионы слабее притягиваются друг к другу, и энергии теплового движения оказывается достаточно для того, чтобы эти ионы не слипались в кристалл.

Практически наличие ионов в растворе легко подтвердить, изучив электропроводность хлорида натрия, воды и получившегося раствора. Вы уже знаете, что кристаллы хлорида натрия электрический ток не проводят, потому что в них хоть и есть заряженные частицы – ионы, но они " закреплены" в кристалле и не могут двигаться. Вода проводит электрический ток очень плохо, потому что в ней хоть и образуются за счет автопротолиза ионы оксония и гидроксид-ионы, но их очень мало. Раствор хлорида натрия, наоборот, хорошо проводит электрический ток, потому что в нем много ионов, и они могут свободно двигаться, в том числе под действием электрического напряжения.
Для разрыва ионных связей в кристалле и водородных связей в воде необходимо затратить энергию. При гидратации ионов энергия выделяется. Если затраты энергии на разрыв связей превышают энергию, выделяющуюся при гидратации ионов, то растворение эндотермическое , а если наоборот, то – экзотермическое.
Хлорид натрия растворяется в воде с практически нулевым тепловым эффектом, следовательно, растворение этой соли происходит только за счет увеличения энтропии. Но обычно растворение сопровождается заметным выделением теплоты (Na 2 CO 3 , CaCl 2 , NaOH и др.) или ее поглощением (KNO 3 , NH 4 Cl и др.), например:

При выпаривании воды из растворов, получившихся при химическом растворении, из них вновь выделяются растворенные вещества в химически неизменном виде.

Химическое растворение – растворение, при котором происходит разрыв химических связей.

И при физическом, и при химическом растворении образуется раствор того вещества, которое мы растворяли, например, раствор сахара в воде или раствор хлорида натрия в воде. Иными словами, растворенное вещество может быть выделено из раствора при удалении воды.

ГИДРАТНАЯ ОБОЛОЧКА, ГИДРАТАЦИЯ, ХИМИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ.
Приведите по три примера хорошо известных вам веществ а) растворимых в воде или с ней реагирующих, б) не растворимых в воде и не реагирующих с ней.
2.Что является растворителем, а что растворенным веществом (или веществами) в следующих растворах: а) мыльная вода, б) столовый уксус, в) водка г) соляная кислота, д) горючее для мотоцикла, е) аптечная "перекись водорода" , ж) газированная вода, и) " зеленка" , к) одеколон?
В случае затруднения проконсультируйтесь с родителями.
3.Перечислите способы, с помощью которых можно удалить растворитель из жидкого раствора.
4.Как вы понимаете выражение " в химически неизменном виде" в последнем абзаце первого параграфа этой главы? Какие изменения могут произойти с веществом в результате его растворения и последующего выделения из раствора?
5.Известно, что жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в бензине. Исходя из этого, что можно сказать о строении молекул жиров?
6.Запишите уравнения химического растворения в воде следующих ионных веществ:
а) нитрата серебра, б) гидроксида кальция, в) йодида цезия, г) карбоната калия, д) нитрита натрия, е) сульфата аммония.
7.Запишите уравнения кристаллизации веществ из растворов, перечисленных в задании 6, при удалении воды.
8.Чем отличаются растворы, полученные при физическом растворении веществ, от растворов, полученных при химическом растворении? Что общего у этих растворов?
9.Определите массу соли, которую надо растворить в 300 мл воды, чтобы получить раствор с массовой долей этой соли, равной 0,1. Плотность воды равна 1 г/мл, а плотность раствора – 1,05 г/мл. Какова концентрация соли в полученном растворе, если ее формульная масса равна 101 Дн?
10.Сколько нужно взять воды и нитрата бария, чтобы приготовить 0,5 л 0,1 М раствора этого вещества (плотность раствора 1,02 г/мл)?
Опыты по растворению ионных веществ в воде.

11.3. Насыщенные растворы. Растворимость

Любая порция помещенного в воду хлорида натрия (или другого подобного вещества) всегда растворялась бы полностью, если бы кроме процесса растворения

не протекал бы обратный процесс – процесс кристаллизации исходного вещества из раствора:

В момент помещения кристалла в воду скорость процесса кристаллизации равна нулю, но, по мере увеличения концентрации ионов в растворе, она увеличивается и в какой-то момент становится равной скорости растворения. Наступает состояние равновесия:

образовавшийся при этом раствор называется насыщенным.

В качестве такой характеристики может быть использована массовая доля растворенного вещества, его концентрация или другая физическая величина, характеризующая состав раствора.
По растворимости в данном растворителе все вещества делятся на растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые. Обычно практически нерастворимые вещества называют просто нерастворимыми. За условную границу между растворимыми и малорастворимыми веществами принята растворимость, равная 1 г в 100 г Н 2 О (w 1 %), а за условную границу между малорастворимыми и нерастворимыми веществами – растворимость, равная 0,1 г в 100 г Н 2 О (w 0,1%).
Растворимость вещества зависит от температуры. Так как растворимость – характеристика равновесия, то ее изменение с изменением температуры происходит в полном соответствии с принципом Ле Шателье, то есть при экзотермическом растворении вещества его растворимость с увеличением температуры уменьшается, а при эндотермическом – увеличивается.
Растворы, в которых при тех же условиях растворенного вещества меньше, чем в насыщенных, называются ненасыщенными .

НАСЫЩЕННЫЙ РАСТВОР; НЕНАСЫЩЕННЫЙ РАСТВОР; РАСТВОРИМОСТЬ ВЕЩЕСТВА; РАСТВОРИМЫЕ, МАЛОРАСТВОРИМЫЕ И НЕРАСТВОРИМЫЕ ВЕЩЕСТВА.

1.Запишите уравнения равновесия в системе насыщенный раствор – осадок для а) карбоната калия, б) нитрата серебра и в) гидроксида кальция.
2.Определите массовую долю нитрата калия в насыщенном при 20 °С водном растворе этой соли, если при приготовлении такого раствора к 200 г воды прибавили 100 г нитрата калия, и при этом после окончания приготовления раствора 36,8 г нитрата калия не растворилось.
3.Можно ли при 20 °С приготовить водный раствор хромата калия K 2 CrO 4 с массовой долей растворенного вещества, равной 45 %, если при этой температуре в 100 г воды растворяется не более 63,9 г этой соли.
4.Массовая доля бромида калия в насыщенном водном растворе при 0 °С равна 34,5 %, а при 80 °С – 48,8 %. Определите массу бромида калия, выделившегося при охлаждении до 0 °С 250 г насыщенного при 80°С водного раствора этой соли.
5.Массовая доля гидроксида кальция в насыщенном водном растворе при 20 °С равна 0,12 %. Сколько литров насыщенного при этой температуре раствора гидроксида кальция (известковой воды) можно получить, имея в своем распоряжении 100 г гидроксида кальция? Плотность раствора примите равной 1 г/мл.
6.При 25 °C массовая доля сульфата бария в насыщенном водном растворе составляет 2,33·10 –2 %. Определите минимальный объем воды, необходимой для полного растворения 1 г этой соли.
приготовление насыщенных растворов.

11.4. Химические реакции веществ с водой

Многие вещества при соприкосновении с водой вступают с ней в химические реакции. В результате такого взаимодействия при избытке воды, как и при растворении, получается раствор. Но если из этого раствора удалить воду, исходного вещества мы не получим.

Какие продукты образуются при химической реакции вещества с водой? Это зависит от типа химической связи в веществе; если связи ковалентные, то от степени полярности этих связей. Кроме этого, влияние оказывают и другие факторы, с некоторыми из которых мы познакомимся.

а) Соединения с ионной связью

Большинство ионных соединений либо химически растворяются в воде, либо не растворяются. Особняком стоят ионные гидриды и оксиды, то есть соединения, содержащие те же элементы, что и сама вода, и некоторые другие вещества. Поведение ионных оксидов при контакте с водой рассмотрим на примере оксида кальция.
Оксид кальция, будучи ионным веществом, мог бы химически растворяться в воде. При этом в раствор переходили бы ионы кальция и оксид-ионы. Но двухзарядный анион – не самое устойчивое валентное состояние атома кислорода (хотя бы потому, что энергия сродства ко второму электрону всегда отрицательна, да и радиус оксид-иона сравнительно мал). Поэтому атомы кислорода стремятся понизить свой формальный заряд. В присутствии воды это оказывается возможным. Оказавшиеся на поверхности кристалла оксид-ионы взаимодействуют с молекулами воды. Эту реакцию можно представить в виде схемы, показывающей ее механизм (схемы механизма ).

Для лучшего понимания происходящего условно разделим этот процесс на этапы:
1. Молекула воды поворачивается к оксидному иону атомом водорода (противоположно заряжены).
2. Оксид-ион делится с атомом водорода неподеленной парой электронов; между ними образуется ковалентная связь (образуется по донорно-акцепторному механизму).
3. У атома водорода на единственной валентной орбитали (1s ) оказывается четыре электрона (два "старых" и два "новых"), что противоречит принципу Паули. Поэтому атом водорода отдает пару электронов связи ("старых" электронов) атому кислорода, входящему в состав молекулы воды, тем более что эта пара электронов и так была в значительной степени смещена к атому кислорода. Связь между атомом водорода и атомом кислорода разрывается.
4. За счет образования связи по донорно-акцепторному механизму формальный заряд на бывшем оксидном ионе становится равным –1 е ; на атоме кислорода, входившем прежде в состав молекулы воды, появляется заряд, также равный –1 е . Таким образом образуются два гидроксидных иона.
5. Не связанные теперь ионной связью с оксид-ионами ионы кальция переходят в раствор и гидратируются:

Положительный заряд ионов кальция как бы "размывается" по всему гидратированному иону.
6. Образовавшиеся гидроксид-ионы тоже гидратируются:

Отрицательный заряд гидроксид-иона при этом тоже "размывается".
Суммарное ионное уравнение реакции оксида кальция с водой
CaO кр + H 2 O Ca 2 aq + 2OH aq .

В растворе появляются ионы кальция и гидроксид-ионы в соотношении 1:2. То же самое получилось бы при растворении в воде гидроксида кальция. И действительно, выпарив воду и высушив остаток, мы можем получить из этого раствора кристаллический гидроксид кальция (но отнюдь не оксид!). Поэтому часто уравнение этой реакции записывают так:

CaO кр + H 2 O = Ca(OH) 2р

и называют " молекулярным " уравнением этой реакции. И в тех, и в других уравнениях буквенные индексы иногда не приводят, что часто сильно затрудняет понимание происходящих процессов, а то и просто вводит в заблуждение. Вместе с тем, отсутствие буквенных индексов в уравнениях допустимо, например, при решении расчетных задач
Кроме оксида кальция, точно также взаимодействуют с водой следующие оксиды: Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, SrO, BaO – то есть оксиды тех металлов, которые и сами реагируют с водой. Все эти оксиды относятся к основным оксидам. Остальные ионные оксиды с водой не реагируют.
Совершенно аналогично реагируют с водой и ионные гидриды, например, гидрид натрия NaH. Ион натрия только гидратируется, а гидрид-ион реагирует с молекулой воды:

В результате в растворе остается гидроксид натрия.
Ионное уравнение этой реакции

NaH кр + H 2 O = Na aq + OH aq + H 2 ,

а " молекулярное" уравнение – NaH кр + H 2 O = NaOH р + H 2 .

б) Вещества с металлической связью

В качестве примера рассмотрим взаимодействие с водой натрия.

На схемах кривая полустрелка означает передачу или перемещение о д н о г о э л е к т р о н а

Атом натрия склонен к отдаче своего единственного валентного электрона. Оказавшись в воде, он легко отдает его атому водорода молекулы воды (на нем есть значительный +) и превращается в катион натрия (Na ). Атом водорода, получив электрон, становится нейтральным (Н· ) и больше не может удержать пару электронов, связывающую его с атомом кислорода (вспомните принцип Паули). Эта пара электронов полностью переходит к атому кислорода (в молекуле воды она уже была смещена в его сторону, но только частично). Атом кислорода приобретает формальный заряд A, связь между атомами водорода и кислорода рвется, и образуется гидроксид-ион ( О– Н).
Судьба получившихся частиц различна: ион натрия взаимодействует с другими молекулами воды и, естественно, гидратируется

так же, как и ион натрия, гидратируется гидроксид-ион , а атом водорода, " дождавшись" появления другого такого же атома водорода, образует с ним молекулу водорода 2Н· = Н 2 .
Из-за неполярности своих молекул водород в воде практически нерастворим и выделяется из раствора в виде газа. Ионное уравнение этой реакции

2Na кр + 2H 2 O = 2Na aq + 2OH aq + H 2

a " молекулярное" –

2Na кр + 2H 2 O = 2NaOH р + H 2­

Так же, как натрий, при комнатной температуре с водой бурно реагируют Li, К, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba. При нагревании с ней реагирует и Mg, а также некоторые другие металлы.

в) Вещества с ковалентными связями

Из веществ с ковалентными связями с водой могут реагировать только те вещества
а) связи в которых сильно полярны, что придает этим веществам некоторое сходство с ионными соединениями, или
б) в состав которых входят атомы, обладающие очень высокой склонностью к присоединению электронов.
Таким образом, не реагируют с водой и в ней нерастворимы (или очень мало растворимы):
а) алмаз, графит, кремний, красный фосфор и другие простые немолекулярные вещества;
б) диоксид кремния, карбид кремния и другие сложные немолекулярные вещества;
в) метан, гептан и другие молекулярные вещества с малополярными связями;
г) водород, сера, белый фосфор и другие простые молекулярные вещества, атомы которых не очень склонны присоединять электроны, а также азот, молекулы которого очень прочны.
Наибольшее значение имеет взаимодействие с водой молекулярных оксидов, гидридов и гидроксидов, а из простых веществ – галогенов.
Как реагируют с водой молекулярные оксиды, мы рассмотрим на примере триоксида серы:

Молекула воды за счет одной из неподеленных пар электронов атома кислорода атакует положительно заряженный атом серы ( +) и присоединяется к нему связью O– S, на атоме кислорода при этом возникает формальный заряд B. Получив лишние электроны, атом серы перестает удерживать электронную пару одной из -связей, которая полностью переходит к соответствующему атому кислорода, на котором за счет этого возникает формальный заряд A. Затем неподеленная пара электронов этого атома кислорода акцептируется одним из атомов водорода, входившего в состав молекулы воды, который таким образом переходит от одного атома кислорода к другому. В итоге образуется молекула серной кислоты. Уравнение реакции:

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 .

Аналогично, но несколько более сложно с водой реагирует N 2 O 5 , P 4 O 10 и некоторые другие молекулярные оксиды. Все они – кислотные оксиды.
N 2 O 5 + H 2 O = 2HNO 3 ;
P 4 O 10 + 6H 2 O = 4H 3 PO 4 .

Во всех этих реакциях образуются кислоты, которые при наличии избытка воды с ней реагируют. Но, прежде чем рассмотреть механизм этих реакций, посмотрим, как реагирует с водой хлороводород – молекулярное вещество с сильно полярными ковалентными связями между атомами водорода и хлора:

Полярная молекула хлороводорода, попав в воду, ориентируется так, как это показано на схеме (разноименные заряды диполей притягиваются). Разреженная из-за поляризации электронная оболочка (1s -ЭО) атома водорода акцептирует неподеленную пару sp 3 -гибридных электронов атома кислорода, и водород присоединяется к молекуле воды, полностью отдав атому хлора пару электронов, которая связывала эти атомы в молекуле хлороводорода. В результате атом хлора превращается в хлорид-ион, а молекула воды – в ион оксония. Уравнение реакции:

HCl г + H 2 O = H 3 O aq + Cl aq .

При низких температурах из такого раствора может быть выделен кристаллический хлорид оксония (H 3 O)Cl (t пл = –15 °С).

Взаимодействие HCl и H 2 O можно представить себе и по-другому:

то есть как результат передачи протона от молекулы хлороводорода к молекуле воды. Следовательно, это кислотно-основная реакция.
Аналогично происходит взаимодействие с водой азотной кислоты

что тоже можно представит как передачу протона:

Кислоты, в молекулах которых несколько гидроксилов (OH-групп), реагируют с водой в несколько стадий (ступенчато). Пример – серная кислота.

Второй протон отщепляется значительно труднее, чем первый, поэтому вторая стадия этого процесса обратима. Сравнив величину и распределение зарядов в молекуле серной кислоты и в гидросульфат-ионе, попробуйте самостоятельно объяснить это явление.
При охлаждении из растворов серной кислоты могут быть выделены индивидуальные вещества: (H 3 O)HSO 4 (t пл = 8,5 °С) и (H 3 O) 2 SO 4 (t пл = – 40 °С).
Анионы, образующиеся из молекул кислот после отрыва одного или нескольких протонов, называются кислотными остатками.
Из молекулярных простых веществ с водой при обычных условиях реагируют только F 2 , Cl 2 , Br 2 и, в крайне незначительной степени, I 2 . Фтор бурно реагирует с водой, полностью ее окисляя:

2F 2 + H 2 O = 2HF + OF 2 .

При этом протекают также и другие реакции.
Значительно важнее реакция хлора с водой. Обладая высокой склонностью к присоединению электронов (молярная энергия сродства к электрону атома хлора равна 349 кДж/моль), атомы хлора частично сохраняют ее и в молекуле (молярная энергия сродства к электрону молекулы хлора равна 230 кДж/моль). Поэтому, растворяясь, молекулы хлора гидратируются, притягивая к себе атомы кислорода молекул воды. У некоторых из этих атомов кислорода атомы хлора могут акцептировать неподеленную пару электронов. Дальнейшее показано на схеме механизма:

Суммарное уравнение этой реакции

Cl 2 + 2H 2 O = HClO + H 3 O + Cl .

Но реакция обратима, поэтому устанавливается равновесие:

Cl 2 + 2H 2 O HClO + H 3 O + Cl .

Получившийся раствор называют " хлорной водой" . За счет присутствия в нем хлорноватистой кислоты он обладает сильными окислительными свойствами и используется в качестве отбеливающего и дезинфицирующего средства.
Вспомнив, что Cl и Н 3 О образуются при взаимодействии (" растворении") хлороводорода в воде, можно записать " молекулярное" уравнение:

Cl 2 + H 2 O HClO p + HCl p .

Аналогично с водой реагирует бром, только равновесие в этом случае сильно смещено влево. Йод же с водой практически не реагирует.

Чтобы представить себе, в какой степени хлор и бром физически растворяются в воде, а в какой – реагируют с ней, используем количественные характеристики растворимости и химического равновесия.

Мольная доля хлора в насыщенном при 20°С и атмосферном давлении водном растворе равна 0,0018, то есть на каждую 1000 молекул воды приходится примерно 2 молекулы хлора. Для сравнения, в насыщенном при тех же условиях растворе азота мольная доля азота равна 0,000012, то есть одна молекула азота приходится примерно на 100000 молекул воды. А для получения насыщенного при тех же условиях раствора хлороводорода на каждые 100 молекул воды нужно взять около 35 молекул хлороводорода. Отсюда можно сделать вывод, что хлор хоть и растворим в воде, но незначительно. Растворимость брома несколько больше – примерно 4 молекулы на 1000 молекул воды.

5.Приведите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

11.5. Кристаллогидраты

При химическом растворении ионных веществ происходит гидратация переходящих в раствор ионов. Гидратируются как катионы, так и анионы. Как правило, гидратированные катионы прочнее, чем анионы, а гидратированные простые катионы - прочнее, чем сложные. Это связано с тем, что у простых катионов есть свободные валентные орбитали, которые могут частично акцептировать неподеленные электронные пары атомов кислорода, входящих в молекулы воды.
При попытке выделить исходное вещество из раствора, удаляя воду, получить его часто не удается. Например, если мы растворим в воде бесцветный сульфат меди CuSO 4 , то получим раствор голубого цвета, который придают ему гидратированные ионы меди:

После упаривания раствора (удаления воды) и охлаждения из него выделятся кристаллы синего цвета, имеющие состав CuSO 4· 5H 2 O (точка между формулами сульфата меди и воды означает, что на каждую формульную единицу сульфата меди приходится указанное в формуле число молекул воды). Исходный сульфат меди можно получить из этого соединения, нагрев его до 250 ° С. При этом происходит реакция:

CuSO 4· 5H 2 O = CuSO 4 + 5H 2 O .

Исследование строения кристаллов CuSO 4· 5H 2 O показало, что в его формульной единице четыре молекулы воды связаны с атомом меди, а пятая – с сульфатными ионами. Таким образом, формула этого вещества – SO 4· H 2 O, а называется оно моногидрат сульфата тетрааквамеди(II), или просто " медный купорос" .
Четыре молекулы воды, связанные с атомом меди, – остаток гидратной оболочки иона Cu 2 aq , а пятая молекула воды – остаток гидратной оболочки сульфат-иона.
Аналогичное строение имеет соединение SO 4· H 2 O – моногидрат сульфата гексаакважелеза(II), или " железный купорос" .
Другие примеры:
Cl – хлорид гексааквакальция;
Cl 2 – хлорид гексааквамагния.
Эти и подобные им вещества называются кристаллогидратами , а содержащаяся в них вода – кристаллизационной водой .
Часто структура кристаллогидрата бывает неизвестна, или ее невозможно выразить обычными формулами. В этих случаях для кристаллогидратов используются упомянутые выше " формулы с точками" и упрощенные названия, например:
CuSO 4· 5H 2 O – пентагидрат сульфата меди;
Na 2 CO 3· 10H 2 O – декагидрат карбоната натрия;
AlCl 3· 6H 2 O – гексагидрат хлорида алюминия.

При образовании кристаллогидратов из исходных веществ и воды в молекулах воды не происходит разрыва связей О-Н.

Если кристаллизационная вода удерживается в кристаллогидрате слабыми межмолекулярными связями, то она легко удаляется при нагревании:
Na 2 CO 3· 10H 2 O = Na 2 CO 3 + 10H 2 O (при 120 ° С);
K 2 SO 3· 2H 2 O = K 2 SO 3 + 2H 2 O (при 200 ° С);
CaCl 2· 6H 2 O = CaCl 2 + 6H 2 O (при 250 ° С).

Если же в кристаллогидрате связи между молекулами воды и другими частицами близки к химическим, то такой кристаллогидрат или дегидратируется (теряет воду) при более высокой температуре, например:
Al 2 (SO 4) 3· 18H 2 O = Al 2 (SO 4) 3 + 18H 2 O (при 420 ° С);
СoSO 4· 7H 2 O = CoSO 4 + 7H 2 O (при 410 ° С);

или при нагревании разлагается с образованием других химических веществ, например:
2{FeCl 3· 6H 2 O} = Fe 2 O 3 + 6HCl + 9H 2 O (выше 250 ° С);
2{AlCl 3· 6H 2 O} = Al 2 O 3 + 6HCl + 9H 2 O (200 – 450 ° С).

Таким образом, взаимодействие с водой безводных веществ, образующих кристаллогидраты, может быть как химическим растворением, так и химической реакцией.

КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ
Определите массовую долю воды в а) пентагидрате сульфата меди, б) дигидрате гидроксида натрия, в) KAl(SO 4) 2· 12H 2 O (алюмокалиевых квасцах).
2.Определите состав кристаллогидрата сульфата магния, если массовая доля воды в нем равна 51,2%. 3.Какова масса воды, выделившейся при прокаливании декагидрата сульфата натрия (Na 2 SO 4· 10H 2 O) массой 644 г?
4.Сколько безводного хлорида кальция можно получить, прокаливая 329 г гексагидрата хлорида кальция?
5.Дигидрат сульфата кальция CaSO 4· 2H 2 О при нагревании до 150° С теряет 3/4 своей воды. Составьте формулу образующегося кристаллогидрата (алебастра) и запишите уравнение превращения гипса в алебастр.
6.Определите массу медного купороса и воды, которые необходимо взять для приготовления 10 кг 5 %-го раствора сульфата меди.
7.Определите массовую долю сульфата железа(II) в растворе, полученном при смешении 100 г железного купороса (FeSO 4· 7H 2 O) с 9900 г воды.
Получение и разложение кристаллогидратов.

Вода участвует во множестве химических реакций в качестве растворителя, реагента либо продукта. Выше мы уже обсудили свойства воды как растворителя. Вода является продуктом многих неорганических и органических химический реакций. Например, она образуется при нейтрализации кислот и оснований. В органической химии многие реакции конденсации сопровождаются отщеплением (элиминированием) молекул воды. В данном разделе мы обсудим четыре типа важнейших химических реакций, в которых вода участвует в качестве реагента.

Кислотно-основные реакции. Вода обладает амфотерными свойствами. Это означает, что она может выступать как в роли кислоты, так и в роли основания. Ее амфотерные свойства обусловлены способностью воды к самоионизации:

Это позволяет воде быть, с одной стороны, акцептором протона:

а с другой стороны - донором протона:

Эти реакции подробно обсуждаются в гл. 8.

Окисление и восстановление. Вода обладает способностью выступать как в роли окислителя, так и в роли восстановителя. Она окисляет металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений выше олова (см. табл. 10.6). Например, в реакции между натрием и водой происходит следующий окислительный процесс:

В этой реакции вода играет роль восстановителя:

Другим примером подобной реакции является взаимодействие между магнием и водяным паром:

Вода действует как окислитель в процессах коррозии (см. разд. 10.4). Например, один из процессов, протекающих при ржавлении железа, заключается в следующем:

Вода является важным восстановителем в биохимических процессах. Например, некоторые стадии цикла лимонной кислоты (см. разд. 4.1) включают окисление воды:

Этот процесс электронного переноса имеет также большое значение в восстановлении органических фосфатных соединений при фотосинтезе. Цикл лимонной кислоты и фотосинтез представляют собой сложные процессы, включающие ряд последовательно протекающих химических реакций. В обоих случаях процессы электронного переноса, происходящие в них, еще не полностью выяснены.

Гидратация. Выше уже указывалось, что молекулы воды способны сольватировать как катионы, так и анионы. Этот процесс называется гидратацией. Гидратная вода в кристаллах солей называется кристаллизационной водой. Молекулы воды обычно связаны с сольватируемым ими катионом координационными связями.

Гидролиз. Гидролиз представляет собой реакцию какого-либо иона или молекулы с водой. Примером реакций этого типа может быть реакция между хлороводородом и водой с образованием соляной кислоты (см. выше). Другой пример - гидролиз хлорида

Гидролиз органических соединений также широко распространен. Один из наиболее известных примеров - гидролиз этилацетата (этилатаноата, этилового эфира уксусной кислоты).

Прежде всего следует запомнить, что металлы делят в целом на три группы:

1) Активные металлы: к таким металлам относятся все щелочные металлы, щелочноземельные металлы, а также магний и алюминий.

2) Металлы средней активности: к таковым относят металлы, расположенные между алюминием и водородом в ряду активности.

3) Малоактивные металлы: металлы, расположенные в ряду активности правее водорода.

В первую очередь нужно запомнить, что малоактивные металлы (т.е. те, что расположены после водорода) с водой не реагируют ни при каких условиях.

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при любых условиях (даже при обычной температуре и на холоде), при этом реакция сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла. Например:

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2

Магний из-за того, что покрыт защитной оксидной пленкой, реагирует с водой только при кипячении. При нагревании в воде оксидная пленка, состоящая из MgO, разрушается и находящийся под ней магний начинает реагировать с водой. При этом реакция также сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла, который, однако, в случае магния нерастворим:

Mg + 2H 2 O = Mg(OH) 2 ↓ + H 2

Алюминий так же, как и магний, покрыт защитной оксидной пленкой, однако в этом случае кипячением ее разрушить нельзя. Для ее снятия требуются либо механическая чистка (каким-либо абразивом), либо ее химическое разрушение щелочью, растворами солей ртути или солей аммония:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2

Металлы средней активности реагируют с водой лишь тогда, когда она находится в состоянии перегретого водяного пара. Сам металл при этом должен быть нагрет до температуры красного каления (около 600-800 о С). В отличие от активных металлов, металлы средней активности при реакции с водой вместо гидроксидов образуют оксиды металлов. Продуктом восстановления и в этом случае является водород.

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит - и кислоту и основание одновременно (катион H + анион OH -). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония).

Вода химически довольно активное вещество. Она реагирует со многими веществами органической и неорганической химии.

1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2Na + 2H 2 O = H 2 + 2NaOH(бурно)

2K + 2H 2 O = H 2 + 2KOH(бурно)

3Fe + 4H 2 O = 4H 2 + Fe 3 O 4 (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 + H 2 O = H 2 + CO(при сильном нагревании)

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 (при сильном нагревании)

2) Электролиз. 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:

SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3

4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой:

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

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, TiO 2 , Cr 2 O 3 , 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 называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом . Например:

CuSO 4 +5H 2 O = CuSO 4 *5H 2 O (кристаллогидрат (медный купорос))

Приведем другие примеры образования гидратов:

H 2 SO 4 + H 2 O = H 2 SO 4 * H 2 O (гидрат серной кислоты)

NaOH + H 2 O = NaOH * H 2 O (гидрат едкого натра)

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

6) Фотосинтез. Особая реакция воды– синтез растениями крахмала (C 6 H 10 O 5) n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

6n CO 2 + 5n H 2 O = (C 6 H 10 O 5) n + 6n O 2 (при действии света)

7) Реакции гидротации в орагической химии.(присоединение воды к молекулам углеводородов.) Например:

С 2 Н 4 + Н 2 О = С 2 Н 5 ОН

Вода́ (оксид водорода) - прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, лёд на полюсах).

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.

Почти 70% поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров. На каждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод. Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода. Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0° С (1 г/см3). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода - хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды - диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н20 содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н20-Н2S - Н2Sе) аномально высокая теплоемкость . С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.

Вода - весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочно-земельными металлами. Вода образует многочисленные соединения - кристаллогидраты.

Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качестве осушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р205, СаО, ВаО, металлический Ма (они тоже химически взаимодействуют с водой), а также силикагель. К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролитического разложения.

Физические свойства воды.

Вода обладает рядом необычных особенностей:

1. При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/см³). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.

2. При нагревании от 0 °C до 4 °C (точнее, 3,98 °C) вода сжимается. Соответственно, при остывании - плотность падает. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.

3. Высокая температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг ), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.

4. Высокая теплоёмкость жидкой воды.

5. Высокая вязкость.

6. Высокое поверхностное натяжение.

7. Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Определенную роль играет протонное обменное взаимодействие между молекулами и внутри молекул воды. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода - каждый в одной, а атом кислорода - в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

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.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) 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.

Агрегатные состояния.

1. По состоянию различают:

2. Твёрдое - лёд

3. Жидкое - вода

4. Газообразное - водяной пар

Рис.1 «Типы снежинок»

При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C. При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения - падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.

При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды - падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Так же возможны метастабильные состояния - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Изотопные модификации воды.

И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

1. Лёгкая вода (просто вода).

2. Тяжёлая вода (дейтериевая).

3. Сверхтяжёлая вода (тритиевая).

Химические свойства воды.

Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит - и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH-). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ ок. 16.