В молекуле воды атом кислорода находится в состоянии sp 3 –гибридизации, поскольку в образовании гибридных орбиталей участвуют не только валентные электроны, но и неподеленные электронные пары. Гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра:
Вследствие большой разницы электроотрицательностей кислорода и водорода связи в молекуле сильно поляризованы, и происходит смещение электрон ной плотности в сторону кислорода. Молекула воды обладает большим дипольным моментом, поскольку полярные связи расположены несимметрично.
С сильной поляризацией связи О – Н связано образование водородных связей между молекулами воды. Каждая молекула воды может образовывать до четырёх водородных связей – две из них образует атом кислорода, а еще две – атомы водорода:
Образование водородных связей определяет более высокую температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение воды по сравнению с гидридами аналогов (серы селена и теллура).
Изотопные модификации воды
В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в состав молекулы, выделяют следующие изотопные модификации воды:
Название
Формула
Легкая вода (основной компонент природной воды)
Источник
ВОДА — ИМЕЕТ ФОРМУЛУ CH2O?
Начну с простого утверждения: наука говорит нам, что весь органический мир, включая как растения, так и животных, на 80-90% состоят из воды, и все процессы в них происходят опять же при непосредственном участии той же воды. Один лишь этот факт как бы подсказывает нам, что и сама вода должна быть и организованная вода.
В самом деле, не нужно быть семи пядей во лбу, чтобы видеть, что для любого живого организма вода является не только непременным, но и главным составным компонентом. Количество ее в живых организмах, за исключением разве что спор, колеблется от 70 до 99,7 % по весу. Только из одного этого факта, не говоря о других, еще более значимых, очевидно, что вода играет не просто большую роль в жизнедеятельности организмов, как это признают все без исключения, а роль решающую, определяющую, основополагающую. Но чтобы играть такую роль, вода сама должна быть органическим веществом.
Странная, однако, получается штука: в принципе, никто не оспаривает первейшую роль воды в жизни всех без исключения живых существ, и, тем не менее, в вопиющем противоречии к такой ее роли стоит тоже признаваемый всеми химический состав воды, выраженный формулой H2O. Но тем самым, вольно или невольно, признается совершенно абсурдный факт, а именно, что вода — эта безусловная основа всей органической жизни, — сама есть вещество неорганическое, иными словами — мертвая субстанция.
Отсюда с самого же начала напрашивается жесткая альтернатива: либо ошибочно представление о воде как основе всего живого, либо ошибочны существующие ныне представления о химическом составе воды. Первое «либо» мы сразу же отбрасываем как не имеющее под собой никакой почвы. Остается второе «либо», а именно, что формула воды H2O ошибочна. Никакого третьего варианта в данном случае не дано, да и его не может быть в принципе. И здесь уже априорно, т.е. до всякого опыта, есть все основания утверждать, что вода сама является веществом органическим.
Прежде чем перейти к этому главному вопросу, хотел бы обратить внимание еще на один примечательный во всех отношениях факт, который, как мы увидим дальше, имеет прямое отношение к воде. Факт этот таков: в химическом отношении основу любого живого вещества, без всякого притом исключения, составляют углеводородные соединения. Известно, что живой организм состоит из сочетаний достаточно ограниченного числа химических элементов. Так, скажем, 96% массы человеческого тела составляют такие распространенные элементы, как углерод (С), водород (Н), азот (N) и кислород (О).
Итак, для начала запомним: помимо воды, другой основой всех органических соединений на Земле являются углеводы. Они представляют собой простые соединения, состоящие, повторяю, из углерода (С), водорода (Н) и кислорода (О) в разных отношениях, и обычно выражаются общей формулой СnН2nОn. На этот момент я обращаю специальное внимание. Сопоставляя два эти момента, можно уже априорно, то есть до всякого опыта, притом со стопроцентной долей уверенности утверждать, что и вода, как основа жизни, также должна представлять собой углеводородное соединение. И в своей книге «Извечные загадки науки», опираясь на имеющиеся в науке данные, я последовательно доказываю, что вода и в самом деле имеет формулу не H2O, а CH2O, или, другими словами, является углеводородным соединением, а тем самым веществом органическим. Только в этом качестве, и ни каком другом, она может служить основой всего живого на Земле.
Источник
Вода в химии и её элементный состав, молекулярное строение, формула и молярная масса с примерами
Содержание:
Вода ее элементный состав, молекулярное строение, формула и молярная масса:
Вода — одно из важнейших химических соединений, широко распространенное на земном шаре.
Вода — это сложное вещество, состоящее из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 29).
Молекулярная формула воды —
Относительная молекулярная масса воды равна сумме относительных атомных масс водорода и кислорода:
Следовательно, масса 1 моля воды — 18 г, а молярная масса воды — 18 г/моль.
Вода и её физические свойства
Чистая вода — прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха. Вкус и запах воде придают растворенные в ней примеси. Многие физические свойства воды очень своеобразны. При соответствующих обстоятельствах они являются аномальными, т.е. отклоняются от привычных. Например, плотность воды при переходе из твердого состояния (лед) в жидкое не уменьшается, как у большинства веществ, а увеличивается (рис. 30). Плотность растет и при нагревании воды от 0°С до + 4°С, достигая своего максимума — или 1 г/мл.
Еще одно свойство воды — это ее высокая теплоемкость (4,18 Дж/кг) (для сравнения: у песка —
0,79; известняка — 0,88; поваренной соли — 0,88; глицерина — 2,43; этилового спирта — 2,85). Поэтому вода в ночное время или при переходе от летнего сезона к зимнему медленно остывает, а в дневное время и при смене зимы летом так же медленно нагревается.
Вода замерзает при 0°С (при этой же температуре лед начинает таять) и превращается в пар (кипит) при 100°С.
Вода, являясь универсальным растворителем, растворяет многие органические и неорганические вещества.
Вода и её химические свойства
Молекулы воды очень устойчивы к нагреванию, но при температуре выше 1000°С пары воды начинают разлагаться на водород и кислород:
Реакционная способность воды очень велика.
Активные металлы, взаимодействуя с водой, выделяют из нее водород:
Рис. 30. Вода и лед
При взаимодействии с водой оксидов многих металлов и неметаллов образуются основания и кислоты:
Некоторые соли образуют с водой соединения, называемые кристаллогидратами:
Нагретое железо вступает в реакцию с парами воды:
Вода катализирует ряд химических процессов: при ее отсутствии «гремучий газ» не взрывается даже при высокой температуре, угарный газ не горит в кислороде, натрий и фосфор не окисляются на воздухе, не взаимодействуют с хлором и не происходит травления стекла фтористым водородом.
Распространение воды в природе
Три четверти поверхности земного шара покрыто водой в виде океанов, морей, озер, рек. Вода распространена в атмосфере в виде паров, на горных вершинах и полюсах — в виде ледников и снега. Существуют также подземные воды, увлажняющие почву и горные породы.
Объем Мирового океана составляет . На него приходится 97,2% всей воды на Земле. Вода в виде ледников на полюсах и горных вершинах составляет 2,1%, подземные грунтовые воды и пресная вода рек и озер — 0,6%, колодезная и соленая вода — 0,1%.
Вода имеет огромное значение в жизни растений, животных и людей. По современным представлениям, происхождение и развитие жизни на Земле было связано с морем. Вода — это среда, которая обеспечивает жизнедеятельность каждого организма посредством химических процессов, в ней протекающих. Кроме того, вода сама участвует в ряде биохимических процессов.
Аномальные физические свойства воды имеют важное значение в обеспечении жизненных процессов. Если бы плотность воды при переходе из жидкого состояния в твердое изменялась так же, как и у других веществ, то с приходом зимы поверхность воды, замерзая при 0°С, оседала бы ниже и уступала бы свое место более теплому слою, который также замерзал бы и оседал на дно. Таким образом вся вода превратилась бы в лед и многие формы жизни прекратили бы свое существование.
Но то, что вода при +4°С обладает максимальной плотностью, не дает происходить подобному явлению, так как обладающий меньшей плотностью лед остается на поверхности воды и предохраняет от замерзания более глубокие теплые слои.
Высокая теплоемкость воды также имеет большое значение для жизни на Земле. На нагревание воды необходимо затратить больше энергии, чем на нагревание любого другого вещества, т.е. вода, поглотившая тепло, нагревается при более низкой температуре, чем любая другая жидкость. Одна третья часть поглощаемой энергии Солнца расходуется на испарение воды Мирового океана и других водных бассейнов.
Вода выполняет специфическую роль терморегулятора и тем самым обеспечивает нормальную жизнедеятельность на поверхности Земли. Водные ресурсы земного шара могут быть как солеными, так и пресными, но все они имеют важное значение для промышленности.
Промышленность приспособлена для потребления в основном пресной воды. По имеющимся сведениям, в год на одного жителя планеты приходится в среднем 8000 л воды. Это количество воды используется как в бытовых, так в сельскохозяйственных и промышленных целях.
Только 10% расходуемой воды приходится на бытовые расходы, а остальное количество затрачивается на промышленность и сельское хозяйство. Для получения 1 кг сахара необходимо 400 л воды, для обработки 1 кг зерна — 1500 л, а для получения 1 кг синтетической резины необходимо примерно 2500 л воды.
В промышленности вода в основном используется как растворитель, охладитель и очиститель.
Пресная вода широко используется в сельском хозяйстве для полива полей и питья в животноводстве.
Повсеместное использование воды в промышленности связано с проблемами возникновения сточных вод и загрязнения окружающей среды. Для решения этих проблем необходим комплексный подход.
Не забывайте, что вода является бесценным богатством!
Меры по сохранению водных ресурсов от загрязнения
Для жизнедеятельности (т.е. для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности) используют воды озер, рек, подземные воды и воды искусственных водоемов. Для водообеспечения большое значение имеет сохранение чистоты воды, которая загрязняется, проходя через систему канализационных сетей, промышленных предприятий, подвергаясь «обработке» путем смыва химических средств с полей.
Возвращаемые в водоемы сточные воды должны проходить соответствующую очистку, поскольку они могут быть загрязнены выбросами ферм, мусоросборников, городской канализацией, дренажными водами, остатками минеральных удобрений, инсектицидами, гербицидами, отходами больниц, торговых предприятий, общественного питания, заводов, фабрик и лабораторий. Такие воды должны быть подвергнуты многоступенчатой очистке. Сначала вода пропускается через механические фильтры, на которых задерживаются песок и другие частицы. Мелкие же частицы и многие бактерии осаждаются путем добавления в воду сначала извести, а затем сульфата алюминия. При пропускании воздуха через такую воду в ней усиливается разложение органических веществ. На последней стадии, чтобы очистить воду от бактерий, ее обрабатывают озоном или хлором. После такой стерилизации воду можно использовать для потребления.
При применении данного метода очистки вода очищается от вредных веществ. Но в некоторых случаях появляется необходимость ее очистки от ионов кальция и магния, повышающих жесткость воды. Эти ионы в сочетании с мылом образуют в воде нерастворимые соединения, отрицательно влияющие на эффективность синтетических моющих веществ. Такая вода при кипячении дает накипь. Многие подземные воды подвергаются такой очистке, потому что в результате взаимодействия известняка, а также других соединений магния и кальция содержание их ионов в воде возрастает. Эта вода обрабатывается гашеной или негашеной известью, а также содой. Потом проводят ее обработку квасцами. Такая вода полностью готова к употреблению.
Для очистки сточных вод существует особый способ, состоящий из трех стадий. На первой стадии очистку проходят 30% воды, на второй 60%, 10% воды не подвергаются очистке. При этом на первой стадии фильтрованием отделяются крупные твердые частицы, 60% которых могут выпасть в осадок. Если не подвергать такую воду вторичной очистке, то следует провести ее обеззараживание хлором и отправить в водоем.
При вторичной очистке посредством воздуха разлагаются органические вещества, увеличивается количество аэробных бактерий, которые, питаясь остатками органических веществ, очищают воду. Затем они осаждаются, а вода подвергается обработке хлором и сливается в водоем. На этой стадии можно осадить до 90% твердых частиц.
Вода, прошедшая первичную и вторичную обработку, может содержать значительное количество соединений фосфора и азота, что приводит к размножению водорослей в водоемах. Помимо этого, многие химические вещества, содержащиеся в сточных водах, пройдя эти стадии очистки, могут снова загрязнять окружающую среду и водные бассейны.
Однако полная очистка воды от многих металлов и органических веществ — очень дорогостоящая процедура. Поэтому вода в незначительных количествах подвергается третичной обработке, при которой с помощью специальных средств такие примеси ликвидируются.
Вода — один из лучших растворителей
Вода имеет огромное значение в жизни и практической деятельности человека. Процесс усвоения пищи связан с переводом питательных веществ в растворимые формы посредством воды. Все физиологически важные жидкости (кровь, лимфа и др.) — водные растворы. В основе многих сфер производственной деятельности лежат процессы, в которых используются водные растворы.
Жидкие растворы — это жидкие гомогенные (однородные) системы, состоящие из двух или более компонентов.
Общая поверхность Земли составляет 510100000, 375000000 из них покрыто водой. Масса океанических и морских вод составляет (не учитывая растворенные в них соли) 1,4-1018 т, пресной воды суши и ледников — 4-1015 т; воды, входящей в состав живых организмов, почвы и горных пород, — 1017 т. В теле человека весом 70 кг содержится 49 кг воды, тела некоторых медуз содержат 98% воды.
В природе вода широко распространена в виде растворенных в ней солей. Такие реки, как Ганг или Миссисипи, растворяют до 100 млн т солей в год, а все реки мира — 2,735 млрд т солей.
Почти все вещества растворяются в воде (рис. 31): некоторые — очень хорошо, другие — средне, а остальные — плохо.
Проходя через нижние слои атмосферы, дождевая вода может растворить значительное количество различных веществ. При выпаривании 1000 г дождевой воды остается 3—5 г твердого осадка.
Растворенные и попавшие в почву вещества, химически взаимодействуя с компонентами почвы и горных пород, активно участвуют в непрерывном процессе образования почвы и минералов, разрушения горных пород.
Вода — универсальный растворитель, который может растворять и газы (кислород, водород, углекислый газ и др.), и жидкости (спирт, кислоты и др.), и твердые вещества (соли, минералы и др.).
В воде растворяются в небольшом количестве даже те вещества, которые, казалось бы, совсем не растворяются в ней. К.В. Шееле, кипятя в течение 12 дней в колбе дистиллированную снеговую воду, отметил небольшое разъедание стенок колбы. А. Лавуазье, кипятя определенное количество воды в колбе в течение 101 дня, заметил, что масса сосуда уменьшилась на определенное число, а масса осадка, полученного после выпаривания воды, равняется этому числу. Следовательно, даже стекло незначительно растворяется в воде.
Способность вещества растворяться называется растворимостью.
Например, понаблюдаем растворение сахара в воде (рис. 32). При комнатной температуре (20°С) в 100 г воды может раствориться 200 г сахара. Большее количество сахара при этой температуре не растворится. Такой раствор называется насыщенным.
Мера растворимости определяется количеством вещества в насыщенном растворе при определенных условиях.
Растворимость определяется растворением вещества в 100 г растворителя. Если в растворителе растворяется больше 10 г вещества, то оно считается хорошо растворимым, если меньше 1 г — малорастворимым, если меньше 0,01 г — практически нерастворимым.
Растворимость многих твердых веществ возрастает с повышением температуры. Эту зависимость можно представить в виде графика (рис. 33).
Растворимость газов при повышении температуры уменьшается (при кипячении воды растворенные в ней газы выделяются).
Рис. 33. Кривые растворимости различных солей
Но повышение давления приводит к возрастанию их растворимости (открывая бутылку минеральной воды, мы уменьшаем давление внутри сосуда, и поэтому растворенный в ней углекислый газ начинает интенсивно выделяться).
Понятие о растворах и их концентрациях
Раствор — это однородная система, состоящая из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.
Вещество в растворе измельчено до молекул, атомов или других частиц и равномерно распределено между молекулами растворителя, так как размеры частиц растворенного вещества составляют и меньше. Например, спиртовый раствор йода в аптеках представляет собой молекулы йода, распределенные между молекулами спирта. Это раствор, ничего не оставляющий на фильтре. Такие растворы называются истинными.
Растворы бывают жидкими, твердыми и газообразными. Примерами жидких растворов могут быть водные растворы соли, сахара, спирта; твердых растворов — золотометаллические изделия, сплавы типа дюралюминия; газообразных растворов — воздух или другие смеси газов.
При образовании растворов наблюдается выделение или поглощение тепла. Растворы могут хорошо проводить или не проводить электрический ток.
Растворы обладают свойствами как механических смесей, так и химических соединений (табл. 7).
При практическом применении растворов важное значение имеет точное определение количества вещества, растворенного в общей массе раствора.
Состав раствора (в частности, количество растворенного вещества) можно установить различными способами и выразить в размерных величинах (концентрациях).
Когда речь идет о компонентах раствора, под ними подразумеваются чистые вещества, при смешивании которых образуется раствор. При этом большее количество вещества принимается за растворитель, а меньшее — за растворенное вещество (рис. 34).
Эти термины были приняты для удобства, потому что при смешивании двух компонентов их нельзя строго разделять. При образовании раствора из чистой жидкости и твердого вещества обычно за растворитель принимается жидкий компонент. Независимо от того, что является растворенным веществом — газ, жидкость или твердое тело, — когда мы говорим о составе раствора, то обязаны учитывать отношение растворенного вещества к раствору. Это относительное количество называется концентрацией и выражается в различных величинах.
Обычно в химии концентрация выражается:
— в массовых долях вещества, растворенного в одной весовой части раствора;
— в процентах растворенного вещества, содержащегося в 100 г раствора;
— в молях или эквивалентах растворенного вещества, содержащегося в 1 л раствора.
Рис.34 Соли (а)и их растворы (б)
Массовая доля, процентная, молярная и нормальная концентрация вещества в растворе
Как уже было сказано при изучении предыдущей темы, при определении состава раствора необходимо учитывать природу и количество его компонентов.
Насыщенный раствор — это раствор, который при данной температуре не может растворить большего количества вещества.
Ненасыщенный раствор — это раствор, который при данной температуре продолжает растворять вещество.
Если количество растворенного вещества очень мало, то такой раствор называется разбавленным.
Если количество растворенного вещества будет достаточно высоким, то такой раствор называется концентрированным (рис. 35).
В химии в основном пользуются ненасыщенными растворами.
Рис. 35. Взаимодействие цинка с растворами серной кислоты различной концентрации
В химической практике для выражения количества растворенного вещества широко применяются следующие величины:
1. Массовая доля — отношение массы растворенного вещества к массе раствора , выражающееся обычно числами меньше 1:
2. Процентная концентрация (С%) — выражение в процентах отношения массы растворенного вещества ) к массе раствора . Здесь масса раствора принимается за 100%; следовательно, С%
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
или 1 г/мл.
. На него приходится 97,2% всей воды на Земле. Вода в виде ледников на полюсах и горных вершинах составляет 2,1%, подземные грунтовые воды и пресная вода рек и озер — 0,6%, колодезная и соленая вода — 0,1%.
, 375000000 
из них покрыто водой. Масса океанических и морских вод составляет (не учитывая растворенные в них соли) 1,4-1018 т, пресной воды суши и ледников — 4-1015 т; воды, входящей в состав живых организмов, почвы и горных пород, — 1017 т. В теле человека весом 70 кг содержится 49 кг воды, тела некоторых медуз содержат 98% воды.
и меньше. Например, спиртовый раствор йода в аптеках представляет собой молекулы йода, распределенные между молекулами спирта. Это раствор, ничего не оставляющий на фильтре. Такие растворы называются истинными.
— отношение массы растворенного вещества 
к массе раствора 
, выражающееся обычно числами меньше 1: 
) к массе раствора 
