Вода как растворитель примеры

Вода как растворитель — свойства, значение и примеры

Вода как растворитель играет предельно важную роль далеко не только в плане нашего быта. Исследователи давно говорят, что данное волшебное соединение является основой для образования жизни вообще. И именно поэтому его наличие выступает обязательным условием для существования чего-то более сложного, нежели неживая природа.

Растворимость тех или иных химических элементов напрямую связана с существованием воды, так как она чаще всего выступает той средой, которая преобразует все вокруг себя и создает новые формы органической и неорганической материи.

Человек примерно на 70% состоит из воды (имеется ввиду кровь, межклеточная жидкость, плазма крови и прочие вещества), у большинства других существ этот показатель колеблется от 50 до 95%. Очевидно, что свойства данного соединения оказывают решающую роль на происходящие вокруг нас и внутри нас процессы синтеза, регенерации и многие другие.

Это универсальный растворитель, который буквально формирует окружающий мир, постоянно преображает и обновляет его!

Свойства воды как растворителя

Вода – сложное вещество, отличающееся многими уникальными характеристиками, которые нельзя встретить больше нигде.

Она способна растворить большую часть существующих в природе комплексных соединений, содержащих в своей структуре молекулы как с положительными, так и отрицательными ионами одновременно.

При проведении так называемых кинетических исследований все растворы также изготавливаются на основе H2O.

Яркий пример особенности воды – при схожести по своей структуре с метаном CH4, она имеет температуру кипения выше на целых 250 0 С!

Важную роль играет также ее способность выступать одновременно либо донором, либо акцептором частиц водорода, благодаря чему проходят многие химические процессы. Химия говорит нам еще и о том, что вода выступает идеальным растворителем для диссоциирующих соединений.

Интересно отметить, что по причине высокого уровня диэлектрической проницаемости, вода отлично экранирует электрические поля ионов друг от друга. Благодаря этому притяжение противоположно заряженных частиц в воде снижается примерно в 80 раз.

Какие вещества растворяются в воде

Даже если школьник ходит только в 3 класс, он наверняка может привести примеры материалов, которые боятся контакта с водой, или, другими словами, растворяются в ней и теряют свои свойства.

Вот перечень только некоторых веществ такого типа:

К хорошо растворимым относятся: соль, сахар, сода, хлориды, щелочные металлы и нитраты, а также бромиды. Воздух также претерпевает изменения при контакте с жидкой средой. Крахмал полностью растворим, спирт тоже.

К средней степени взаимодействия относятся: бертолетова соль, метан, гипс, кислород, азот, другие химические элементы, например, сульфаты, некоторые газообразные вещества.

Есть и такие материалы, которые являются нерастворимыми: сульфид меди, стекло, золото, керосин, серебро, растительный жир и многие другие. Правда, при некоторых условиях даже они не способны устоять от такого мощного воздействия.

В организме человека есть целая группа витаминов (С, В1, 2, 3(РР), В12 и другие), которые способны оказывать свое положительное воздействие на здоровье только в контакте с H2O. Это касается также и фолиевой кислоты, биотина и т. д.

Что не растворяется в воде

Существуют такие химические образования, которые не воспринимают воздействия воды в качестве растворителя совсем.

Хороший пример: углерод С, который находится в простом карандаше, многие металлы и сплавы, типа алюминия, а также золото, серебро, медь.

Такая ситуация складывается благодаря тому, что между молекулами и атомами нерастворимых веществ действуют сильные связи, которые водород разрушить не в состоянии. Полярное состояние молекулы также способствует большей прочности материала, который состоит из таких частиц.

Многие вещи, которые мы видим вокруг себя в быту, также являются нерастворимыми. Очень популярный пример – пластик.

В мировом океане плавает огромное пятно из пластикового мусора, которое ежегодно растет, и количество пластмассы там совершенно не желает уменьшаться естественным путем. Его не могут никак переработать, что очень плохо для всей экосистемы.

Именно поэтому экологи бьют тревогу и в ЕС уже сейчас планируется отказ от целлофановых пакетов, пластиковых стаканчиков и трубочек и тому подобные меры.

Значение воды как растворителя

Как уже упоминалось в начале статьи, рассматриваемые свойства воды являются ключевыми для всей живой и неживой природы нашей планеты.

Если бы она не обладала этими характеристиками, то большинство химических процессов на Земле, в живых организмах, в органической природе бы просто остановилось. Картинка такого мира была бы очень неутешительна – темная пустыня без признаков жизни.

Роль воды настолько огромна, что именно ее определение в далеких планетах и галактиках является для астрономов основным занятием в надежде когда-то отыскать там если не разумное существование, то хотя бы зачатки жизни.

Источник

Общеклинические исследования

1. Вода — универсальный биологический растворитель

Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H 2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями. Чтобы понять, почему это важно и на что это влияет, нам придется ввести несколько дополнительных понятий из общей химии.

Электроотрицательность — сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.

Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.

Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной — это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.

Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).

Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) — всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.

При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).

Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды — конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) — образец чисто ионного вещества.

Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества — углеводороды. Типичные гидрофильные вещества — спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.

Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, двуокись углерода (CO 2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).

Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке — художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.

На крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH 4), этана (C 2H 6) и пропана (C 3H 8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине — пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.

Аммиак (NH 3) — гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.

Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.

Можно придумать и другие экзотические варианты — например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она — не единственная теоретически возможная.

Источник

Конспект лекции по теме «Вода как растворитель. Растворы. Растворимость веществ» дисциплины ОУД.10 Химия, специальности 33.02.01 Фармация, СПО

Тема: Вода, как растворитель. Растворы. Растворимость веществ

1. Вода, как растворитель. Растворы, их виды.

2. Процессы, протекающие при растворении веществ (физический и химический).

3. Растворимость веществ, виды растворов (насыщенные, ненасыщенные, пересыщенные) и виды веществ по растворимости.

4. Зависимость растворимости газов, жидкостей и твердых веществ от различных факторов.

5. Массовая доля растворенного вещества.

1. Вода, как растворитель. Растворы

Раствор – это гомогенная (однофазная: газ +газ, жидкость + жидкость) система, состоящая из двух или более компонентов.

Растворы бывают : газообразные (воздух – смесь газов), жидкие , растворы могут быть как водными ( растворитель-вода ), так и неводными (растворители – спирт, эфир, бензин и др.), твердые ( сплавы металлов – бронза, мельхиор и др.).

На практике чаще применяют водные растворы , так как в воде растворяются многие твердые ( вода + твердое ), жидкие (вода + жидкие ), газообразные ( вода +газообразные ) вещества.

Жидкие растворы, как правило, прозрачные и устойчивые системы, не осаждаются и не расслаиваются при длительном стоянии, растворенные частицы фильтрами не задерживаются.

2. Процессы, протекающие при растворении веществ

(физический и химический)

При растворении веществ протекают два основных процесса.

Первый – разрушение химических и молекулярных связей между ионами, атомами или молекулами растворяющегося вещества (например, разрушение связей в кристаллической решетке хлорида натрия) и равномерное распределение (диффузия) образовавшихся частиц между молекулами воды, что связано с затратой энергии — эндотермические процессы ( — Q ₁ ).

Второй процесс – взаимодействие частиц растворяемого вещества с растворителем, что сопровождается выделением энергии — это экзотермический процесс ( + Q ₂ ).

Общий тепловой эффект процесса растворения зависит от отношения выделяемой и поглощаемой энергии. Если Q _{1 /} Q ₂ , то процесс растворения сопровождается поглощением теплоты, а если Q ₁ / Q ₂ , — ее выделением. Растворение большинства твердых веществ в воде протекает с поглощением теплоты (эндотермические процессы), что связано с затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решетки, а растворение газов сопровождается выделением теплоты (экзотермические процессы), что объясняется незначительной затратой энергии на разрыв межмолекулярных связей. Отсюда следует, что тепловой эффект растворения зависит от природы растворяемого вещества .

Продуктами взаимодействия растворенного вещества с растворителем являются соединения, которые называют сольватами, а процесс их образования – сольватацией.

Если растворителем является вода, то соединения называют гидратами , а процесс образования – гидратацией. Гидраты – непрочные соединения и разлагаются при попытке выделить их в свободном виде. Но в ряде случаев образуются довольно прочные соединения с водой, которые можно выделить из раствора в кристаллическом состоянии – кристаллогидраты: это доказывает наличие в воде гидратов, а воду, входящую в их состав называют кристаллизационной. Состав кристаллогидратов выражают формулами, показывающими, какое количество вещества воды содержит 1 моль кристаллогидрата:

FeSO ₄ * 7 H ₂ O (железный купорос), CuSO ₄ * 5 H ₂ O (медный купорос).

Вывод: Таким образом, при растворении протекают как физические, так и химические процессы, поэтому растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями постоянного состава и механическими смесями.

Как химические соединения, растворы однородны, их образование сопровождается тепловыми явлениями.

Как и механические смеси, они не имеют постоянного состава, их можно разделить на составные части.

3. Растворимость веществ,

виды растворов и веществ по растворимости

Растворимость – это способность вещества растворяться в воде или другом растворителе.

Количественно растворимость характеризуется коэффициентом растворимости, или просто растворимостью вещества.

Растворимость (коэффициент растворимости) – масса вещества, которое может раствориться при данной температуре в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора:

А). По растворимости растворы бывают.

Насыщенный раствор – это раствор, который находится в динамическом равновесии с растворяющимся веществом. Насыщенный раствор содержит максимальную массу растворенного вещества при данной температуре (в нем нельзя растворить добавочно вещество, оно выпадает в осадок).

Например, при температуре 20 градусов в 100 г воды растворяется 35,86г хлорида натрия. Это значит, что его растворимость при данной температуре равна 35,86г. Если сверх этой массы при той же температуре добавить еще хлорид натрия, то соль не растворяется, а осаждается в виде осадка.

Ненасыщенным называют раствор, в котором содержание растворенного вещества при данной температуре меньше, чем в насыщенном , В таком растворе можно растворить дополнительную массу вещества при той же температуре.

Насыщенные и ненасыщенные растворы устойчивы при хранении.

Можно приготовить раствор, в котором при данной температуре содержание растворенного вещества больше, чем в насыщенном. Например, если насыщенный раствор сульфата натрия, приготовленный при температуре 80 градусов, осторожно и медленно охладить, то избыток растворенного вещества не выделяется в виде осадка. В этом случае получается раствор, содержащий значительно больше растворенного вещества, чем это требуется для насыщения при данной температуре. Это явление было открыто и изучено российским химиком Т.Е. Ловицем, который назвал такие растворы пересыщенными.

Пересыщенные растворы при хранении, как правило, неустойчивы. Если пересыщенный раствор встряхнуть или бросить в него кристаллик растворенного вещества, то выпадает осадок и образуется насыщенный раствор. Легко образуют перенасыщенные растворы глауберова соль, бура, тиосульфат натрия.

Б). По растворимости в воде вещества подразделяются на:

— хорошо растворимые – в 100 г воды при температуре 20 градусов растворяется более 10 г вещества (сахар, гидроксид натрия, спирт, аммиак);

— мало растворимые – в 100 г воды при температуре 20 градусов растворяется менее 10 г вещества, но не более 0,01 г вещества (гипс, сульфат свинца, метан);

— практически нерастворимые – в 100 г воды при температуре 20 градусов растворяется менее 0,01 г вещества (хлорид серебра, стекло, керосин, благородные газы).

Это подразделение условно , так как в природе абсолютно нерастворимых веществ не существует. Например, если опустить в воду серебряную ложку, то серебро в ничтожно малых количествах все же растворяется в воде (ионы серебра уничтожают в воде микробы).

4. Факторы, от которых зависит растворимость веществ

Природа растворяемого вещества и растворителя определяются их строением. Так, вещества, состоящие из полярных молекул или ионов, лучше растворяются в полярных растворителях (хлороводород, этанол, хлорид натрия хорошо растворяются в воде, которая является полярным растворителем), а неполярные соединения – в неполярных растворителях (иод, бром хорошо растворяются в бензоле, который является неполярным растворителем). Следовательно, растворение вещества протекает согласно правилу : подобное растворяется в подобном.

Температура. Влияние температуры на растворимость веществ зависит от их агрегатного состояния. Растворимость твердого вещества определяется соотношением энергии, которая затрачивается на разрушение его кристаллической решетки, и энергии, которая выделяется при образовании гидратов (энергия гидратации).

Рассмотрим равновесие между твердым веществом и его насыщенным раствором:

кристалл + растворитель насыщенный раствор + Q

Согласно принципу Ле-Шателье, в тех случаях, когда вещества растворяются с поглощением энергии (эндотермические процессы), повышение температуры увеличивает их растворимость (нитраты калия, свинца, сульфата меди ( II ) и др.). Это характерно для большинства твердых веществ. Если же вещества растворяются с выделением энергии (экзотермические процессы), то повышение температуры уменьшает их растворимость . (некоторые соли лития, кальция, магния, алюминия, гашеная известь).

Растворение газов в воде – экзотермический процесс:

газ + растворитель —— насыщенный раствор + Q

Поэтому, согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газов в воде с повышением температуры уменьшается. Так, кипячением можно удалить из воды растворенный в ней воздух.

Некоторые жидкости неограниченно растворяются одна в другой (спирт и вода), другие – ограниченно (эфир и вода). В этом случае образуются двухслойные (гетерогенные) системы, как, например, система бензин – вода: верхний слой – насыщенный раствор воды в бензине, а нижний слой – насыщенный раствор бензина в воде. В большинстве случаев с повышением температуры растворимость жидкостей увеличивается.

Давление. Растворение твердых и жидких веществ в воде практически не сопровождается изменением объема, поэтому давление влияет только на растворимость газообразных веществ. При растворении газа в воде объем системы уменьшается, поэтому, согласно принципу Ле-Шателье, повышение давления увеличивает растворимость газа . На этом основано получение газированной воды.

Концентрация раствора определяется количеством вещества или массой растворенного вещества, содержащегося в определенном объеме или массе раствора (растворителя). Способы выражения состава раствора довольно разнообразны. Состав растворов выражают содержанием растворенного вещества в виде массовой доли.

5. Массовая доля растворенного вещества

w (раств. в-ва) – отношение массы растворенного вещества m (раств. в-ва) к общей массе раствора m (р-ра). Это безразмерная величина, ее выражают в долях единицы или в процентах:

w (раств. в-ва) = ———————— х 100% (в процентах)

Массу раствора можно выразить через его объем и плотность:

Источник