Какое свойство воды делает ее хорошим растворителем для полярных веществ

Руководитель проекта: 

Нурслу Кубашевна Идигишева

Учреждение: 

МБОУ «Лицей № 1» г. Бугуруслан»

В готовой индивидуальной исследовательской работе по химии на тему «Вода – универсальный растворитель» кратко пересказаны результаты исследований, направленных на определение основных свойств воды – физических и химических, приведено описание строения молекулы воды.

Подробнее о проекте:

В ходе работы над ученическим проектом по химии на тему «Вода – универсальный растворитель» были рассмотрены варианты практического применения воды в технической промышленности, химической сфере и повседневной жизни, а также установлено, какую роль играет вода в организме человека и в окружающем нас мире.

В рамках научно-исследовательской работы о свойствах кофе «Вода – универсальный растворитель» автором проекта были проведены практические опыты, в процессе которых он исследовал, насколько точно можно считать воду универсальным растворителем. Для этого ученик провел эксперименты по растворению в воде элементов органической и неорганической химии, результаты которых можно увидеть в заключении к этому проекту.

Оглавление

Введение
1. Теоретические исследования свойств воды.
1.1 Физические свойства воды.
1.2 Строение молекулы.
1.3 Химические свойства воды.
2. Практическое применение воды в разных сферах.
2.1 Применение воды в технической промышленности.
2.2 Применение воды в повседневной жизни.
2.3 Применение воды в химической сфере.
3. Вода – универсальный растворитель.
3.1 Вода как растворитель в неорганической химии.
3.2 Вода как растворитель в органической химии.
Заключение
Список литературы

Введение

Вода – удивительное вещество, без которого не возможно течение жизни. Все знают, что вода – жизненно необходима человеку, и что без еды человек может прожить дни-недели и даже месяца, а вот без воды смерть может наступить уже спустя пару дней.

С помощью воды организм человека может осуществлять проведение биохимических реакций, окислительно-восстановительные процессы, обмен веществ и энергии, вывод из организма токсических веществ и продуктов метаболизма. Все эти и многие другие реакции возможны лишь при наличии воды.

Вода так же является отличным растворителем но об этом мы поговорим позже…

Физические свойства воды

Вода – при н.у. – это жидкость без цвета, запаха и вкуса;

• вода обладает высокой теплоёмкостью и
• низкой электропроводностью;
• температура плавления 0°C;
• температура кипения 100°C;
• максимальная плотность воды при 4°C равна 1 г/см3;
• вода – хороший растворитель.

Строение молекулы воды

Молекула воды состоит из одного атома кислорода, который соединен с двумя атомами водорода, при этом связи O-H образуют угол в 104,5°, при этом общие электронные пары смещены к атому кислорода, который более электроотрицателен по сравнению с атомами водорода, поэтому, на атоме кислорода формируется частичный отрицательный заряд, соответственно, на атомах водорода – положительный. Таким образом, молекулу воды можно рассматривать, как диполь.

Молекулы воды могут между собой образовывать водородные связи, притягиваясь противоположно заряженными частями (на рисунке водородные связи показаны пунктиром): водородные связи в молекуле воды.

Формирование водородных связей объясняет высокую плотность воды, температуру ее кипения и плавления.

Количество водородных связей зависит от температуры – чем выше температура, тем меньшее кол-во связей образуется: в парах воды присутствуют только отдельные ее молекулы; в жидком состоянии – образуются ассоциаты (H2O)n, в кристаллическом состоянии каждая молекула воды связана с соседними молекулами четырьмя водородными связями.

Химические свойства воды

Вода “охотно” вступает в реакции с другими веществами:

с щелочными и щелочноземельными металлами вода реагирует при н.у.:

2Na+2H2O = 2NaOH+H2↑

с менее активными металлами и неметаллами вода реагирует только при высокой температуре:

3Fe+4H2O=FeO → Fe2O3+4H2↑

C+2H2O → CO2+2H2↑

с основными оксидами при н.у. вода реагирует с образованием оснований:

CaO+H2O = Ca(OH)2

с кислотными оксидами при н.у. вода реагирует с образованием кислот:

CO2+H2O = H2CO3

• вода является главным участником реакций гидролиза (подробнее см. Гидролиз солей);
• вода участвует в реакциях гидратации, присоединяясь к органическим веществам с двойными и тройными связями.

Применение воды в технической промышленности

Техническая вода широко применяется в самых различных сферах деятельности человека. Обработка и орошение сельскохозяйственных угодий происходит за счет технической воды. Фермеры получают техническую воду из различных водоемов, озер и артезианских скважин, ее не нужно подвергать фильтрации и после получения сразу используют по назначению.

Использовать воду для орошения земель можно только с водоемов, которые прошли лабораторную проверку и получили разрешение на эксплуатацию в специальных службах.

Промышленные предприятия используют самое большое количество технической воды, по сравнению с другими сферами человеческой жизнедеятельности. Применяется вода на промышленных предприятиях для охлаждения оборудования, продуктов и другого вида сырья. После использования воды для охлаждения, она нагревается, но не загрязняется, что дает возможность использовать ее в будущем.

Тех вода стоит недорого, используют ее для мытья продуктов, очистки дорог. Для каждого вида деятельности нужно выбирать соответствующего качества сырье, если ваша фирма изготавливает продукты питание, то следует тщательно проверять техническую воду на различные примеси тяжелых металлов и вредоносных бактерий, чтобы не навредить потребителям.

Техническая вода не используется для питья, ей можно умываться, что позволяет использовать тех. воду в пищевой промышленности. Широко применяют воду заводы, производящие напитки, для мытья тары. Предприятия закупают техническую воду в том числу и для влажной уборки.

Еще одним направлением использования тех воды считается отопления домов, тушение пожаров. Парковые зоны поливаются все той же технической водой. Примечательно, что тепличные угодья также можно поливать тех водой, экономя средства, который бы вы затратили, используя бытовую воду. Стоимость бытовой воды намного выше технической.

Строительные организации используют воду в самых больших количествах, она в строительстве незаменимая. Применяют строители воду различного профиля как теплую так и холодную, в зависимости от типа проводимых работ.

Применение воды в повседневной жизни

Вода – самый постоянный и абсолютно незаменимый компонент нашей повседневной жизни. Нет ни одной бытовой операции, которую можно было бы осуществить без воды.

Еда и напитки:

• питье
• приготовление пищи и напитков
• приготовление льда
• консервирование
• пища и еда для домашних питомцев
• полив комнатных растений

Гигиена:

• купание
• стирка
• мытье посуды
• мытье продуктов для приготовления пищи

Технические цели:

• уборка
• смыв унитаза.

Применение воды в химической промышленности

Для химической промышленности. H2O используется и в качестве сырьевой базы для получения ценнейших компонентов.

1. Для технологических целей в качестве:

• растворителя, среды для проведения некоторых физических и механических процессов;
• промывной жидкости для газов;
• экстрагента и абсорбента.

2. В качестве теплоносителя в виде горячей воды и перегретого водяного пара и хладоагента.

3. В качестве сырья или реагента для производства разнообразной химической продукции (водорода, ацетилена, минеральных кислот и т.д.).

Масштабы потребления воды химическим производством зависят от типа производимой продукции и колеблются в широких пределах. Так для производства азотной кислоты требуется 200 т воды / т продукции, вискозного волокна – 1200 т / т, аммиака – 1500 т / т, капронового волокна – 2500 т / т.

Колоссальный расход технологической воды с учетом большого объема загрязненных сточных вод требует рационального подхода к ее использованию в химической промышленности.

Эти задачи решают следующими способами:

• разработкой научно обоснованных норм расхода на технологические нужды;
• максимально полного использования отходов;
• заменой, где возможно, водяного охлаждения на воздушное охлаждение;
• организацией замкнутых бессточных производств и водооборотных циклов.

Вода как растворитель в неорганической химии

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.

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.

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.

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.

Например, при растворении гидроксида калия в воде выделяется теплота:

КОН + хН2О = КОН(Н2О)х; ΔН°раств = 55 кДж/моль.

А при растворении хлорида натрия теплота поглощается:

NaCI + хН2О = NaCI(H2О)х; ΔН°раств = +3,8 кДж/моль.

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.

При попытке растворить в воде такие вещества,они как правило выпадают в осадок.

Вода как универсальный растворитель в органической химии

Многочисленный класс веществ, хорошо растворимых в воде, включает такие полярные органические соединения, как сахара, альдегиды, кетоны, спирты. Их растворимость в воде объясняется склонностью молекул воды к образованию полярных связей с полярными функциональными группами этих веществ, например с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом кислорода карбонильной группы альдегидов и кетонов.

Ниже приведены примеры водородных связей, важных для растворимости веществ в биологических системах. Вследствие высокой полярности вода вызывает гидролиз веществ.

В зависимости от сродства к воде функциональные группы растворяемых частиц подразделяются на гидрофильные (притягивающие воду), легко сольватируемые водой, гидрофобные (отталкивающие воду) и дифильные.

К гидрофильным группам относятся полярные функциональные группы: гидроксильная —ОН, амино —NH2 , тиольная —SH, карбоксильная —СООН.

К гидрофобным — неполярные группы, например углеводородные радикалы: СНз—(СН2)п —, С6Н5 —.

К дифильным относят вещества (аминокислоты, белки), молекулы которых содержат как гидрофильные группы (—ОН, —NH2 , —SH, —СООН), так и гидрофобные группы: (СН3, (СН2)п ,—С6Н5—).

Но воду как правило редко можно увидеть как растворитель в органике.

Первая и очень важная проблема – в воде почти не растворимо подавляющее большинство органических веществ, а реакции все же принято вести в растворах. Кто-нибудь обязательно возразит – в реальной химии полно гетерогенных реакций.

Да просто если обратить внимание на то, что мы делаем в практикуме, нельзя не заметить, что в каждой второй реакционной смеси что-нибудь валяется на дне или плавает, или два слоя в жидкости – ну явно это все не кристально прозрачные настоящие растворы! Но, уверяю вас, реакции идут только тогда, когда реагирующие молекулы могут встретиться, а встретиться молекулам проще всего, если они находятся в одной фазе, сохраняя при этом подвижность. Идеальный тип фазы для этого – жидкость.

В газовой фазе молекулы тоже носятся как угорелые, но их там мало и у них много проблем с тем, что в газовой фазе неоткуда взять необходимую энергию, а еще чаще некуда девать лишнюю энергию, поэтому мы не будем рассматривать реакции в газовой фазе. А в твердой фазе молекулы фактически неподвижны.

Поэтому реакции в подавляющем большинстве случаев (с нашей точки зрения это означает всегда) идут в жидком растворе, и газообразные или твердые вещества вначале обязательно растворяются. Очень часто растворение происходит не полностью (поэтому реагенты в химии часто берут в избытке), или происходит постепенно по мере расходования в реакции, поэтому мы и видим гетерогенные реакционные смеси.

Но какая-то растворимость быть должна, и не очень малая, так как в этом случае реакция будет очень медленной. Вот в воде растворимость очень многих органических соединений настолько мала, что реакции идут, если идут, очень медленно.

Заключение

В данной работе представлены уникальные свойства воды иллюстрирующие красоту этого совершенного вещества, значимость воды для всей живой природы. Вода – колыбель жизни, собственно воде наша планета Земля обязана возникновением и развитием всего живого. Будь вы хоть наиболее богатым человеком на свете все ваше состояние не сможет помочь вам, в том случае, когда вы окажетесь в пустыне и ваш запас воды иссякнет.

Вода – это источник жизни. Вода – это среда обитания для организмов, это пища и лекарство для человека, это движение и двигатель. Её не заменить ни одними сокровищами мира. Охраняя и оберегая воду мы заботимся о своем здоровье и здоровье будущего поколения. Воде дана волшебная сила – быть соком жизни на Земле.

Список литературы

1. Интернет-ресурсы.
2. Мосин О. В. Химическая природа воды и её память.