Тема 1.4. Свойства и применение воды. Растворы
план-конспект урока

 Тема урока: «Вода. Свойства воды. Водные растворы»

Физические свойства воды

Чистая вода — прозрачная жидкость, без цвета, вкуса и запаха, плотность 1 кг/л, температура кипения 100 °С при 1 атм, температура плавления 0°С. У воды высокая удельная теплоемкость — 4,12 кДж/кг К), поэтому она долго нагревается и медленно остывает. У воды большая теплота испарения. На испарение 1 г воды требуется 2,25 кДж теплоты.

Атомы Н и О в молекуле воды соединены полярными ковалентными связями. На атоме водорода в молекуле Н2О имеется небольшой положительный заряд δ+, а на атоме кислорода — небольшой отрицательный δ-. Поскольку молекула воды имеет уголковое строение, она представляет собой двухполюсную частицу — диполь: . Между молекулами воды существует межмолекулярная водородная связь: Н2O ··· Н2O.

Химические свойства воды

Вода реагирует со многими металлами по типу реакций замещения.

С наиболее активными металлами — от Li по Аl в ряду активности металлов при комнатной температуре протекают реакции замещения одного атома Н в молекуле Н2O. С магнием реакция идет при нагревании, с алюминием — после снятия защитной оксидной пленки. В реакции образуются гидроксиды металлов — соединения, содержащие гидроксогруппу ОН, и водород:

2Li + 2Н2O = 2LiOH + Н2↑,
Са + 2Н2O = Са(ОН)2 + Н2↑.

Менее активные металлы — Zn, Mo, W, Fe — взаимодействуют с водой при высокой температуре (400-600 °С). В этих реакциях образуются оксиды металлов и водород:

Zn + Н2O = ZnO + Н2↑,
3Fe + 4Н2O = Fe3O4 + 4Н2↑

Вода реагирует с оксидами активных металлов (реакция гидратации). При этом получаются растворимые в воде гидроксиды металлов — щелочи:

Na2O + Н2O = 2NaOH,
СаО + Н2O = Са(ОН)2.

Вода соединяется с оксидами многих неметаллов. При этом получаются растворимые в воде гидроксиды неметаллов — кислоты:

СO2 + Н2O = Н2СO3,
SO3 + Н2O = H2SO4.

Гидролиз — это обратимая реакция обмена, например соли с водой. При этом происходит расщепление молекул воды на Н и ОН, которые входят в состав двух новых веществ:

К2СO3 + Н2O = КНСО3 + КОН,
РСl3 + ЗН2O = Н3РО3 + ЗНСl.

Вода в жизнедеятельности человека. Водные растворы

Вода — жизненная среда всех живых организмов. Человек живет на суше, но его организм на 65-70% состоит из воды. Все процессы в живой клетке осуществляются в водной среде. В сутки человеку необходимо 2 л питьевой воды. Кроме того, вода нужна, чтобы варить пищу, стирать белье, умываться. Большие количества пресной воды расходуются в промышленности и сельском хозяйстве (растворитель). Отметим, что соленая вода морей и океанов для этих целей непригодна. Доля пресной воды в общих запасах воды на Земле составляет менее 3% от всех водных ресурсов.

Вода — химический реагент. Соединяясь с оксидами активных металлов, вода образует щелочи, а в реакциях с оксидами неметаллов дает кислоты — два больших и важных в деятельности человека класса веществ. Один из способов синтеза этилового спирта (этанола) C2H5OH — реакция этилена С2Н4 с водой:

С2Н4 + Н2O = С2Н5ОН.

Жесткость воды — это свойства воды, обусловленные содержанием в ней ионов Са2+, Mg2+, Fe2+. Если концентрация этих ионов велика, то воду называют жесткой, если мала — мягкой. При стирке с мылом в жесткой воде образуются осадки, часть мыла уходит в осадок и ухудшается качество ткани. Такая вода непригодна для охлаждения в радиаторах автомобилей, в паровых котлах и стиральных машинах. При нагревании жесткой воды образуется накипь, которая забивает трубы и ускоряет изнашивание механизмов. Различают временную и постоянную жесткость воды.

Временная или карбонатная жесткость вызвана присутствием растворенных гидрокарбонатов кальция Са(НСО3)2, магния Mg(HCO3)2 и железа Fe(HCO3)2. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка карбоната, и жесткость воды снижается:

Са(НСO3)2 = СаСО3↓ + СO2↓ + Н2O,
Fe(HCO3)2 = FeCO3↓ + CO2↓ + Н2O.

Другой способ устранения временной жесткости — действие известкового молока или соды:

Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в ней хлоридов, сульфатов и других растворимых солей кальция, магния и железа. Ее устраняют действием соды:

СаСl2 + Na2CO3 = СаСO3↓ + 2NaCl.

Водный раствор — разновидность раствора, в котором растворителем служит вода. Будучи превосходным растворителем, именно вода используется для приготовления большинства растворов в химии.

Вещества, которые плохо растворяются в воде, называют гидрофобными (‘боящимися воды’), а хорошо в ней растворяющиеся — гидрофильными (‘любящими воду’). Примером типичного гидрофильного соединения может служить хлорид натрия (поваренная соль).

Если вещество образует водный раствор, который хорошо проводит электрический ток, то он называется сильным электролитом; в противном случае — слабым.

Кроссворд «Вода. Свойства воды»

1. Высоко над землёй они образуются из капелек и льдинок.
2. Процесс, когда вода испаряется с поверхности земли, образует облака, затем в виде дождя или снега возвращается на землю.
3. Вода в твёрдом состоянии.
4. Состояние воды в виде пара.
5. Вещество, входящее в состав любого организма.

Вода - окисел водорода, содержащий 88.6% кислорода и 11,4% водорода, что отвечает простейшей формуле H²O. Эта формула знакома всем - даже людям, знающим о химии только понаслышке.

Вода

Вода (оксид водорода, гидроксид водорода) — бинарное неорганическое соединение с химической формулой H2O: молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном — водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях).

 Что вы знаете о воде? Где она встречается? Для чего нужна вода? Как можно получить чистую воду?

Вода – химическое вещество, с которым вы знакомы с рождения.

Вода  –  основа  жизни,  самое  распространенное на  Земле  вещество.  Вода  занимает  3/4  поверхности земного  шара.  Организмы  человека  и  животных  на 65–70% состоят из воды, а в растениях ее содержание достигает  90%.  В  зависимости  от  давления  и  температуры  вода  может  находиться  в  жидком,  твердом  и газообразном состоянии в виде тумана, облака, дождя, росы, льда и т. д.

Химическая формула воды –  (рис. 74); структурная формула Н – О – Н, молярная масса – 18 г/моль.

Химический состав воды

•  качественно: Н и О – атомы водорода и кислорода;
•  количественно: m (H) : m (O) = 1 : 8;
 = 2 : 1 два атома водорода и один атом кислорода.

Физические свойства воды

Чистая  вода  –  бесцветная  жидкость  без запаха и вкуса. При нормальном давлении кипит при 100°C и замерзает при 0°C, превращаясь в лед ( = 0,92 г/см3) и увеличиваясь в объеме на 9%. Лед всплывает на поверхность, так как  = 1 г/см3 при 4°C.

Если глубина слоя воды превышает 5 м, то она кажется голубой.

Теплоемкость  воды  очень  высокая,  поэтому  в  знойный  летний  день возле водоемов всегда прохладно. Поглощенное за летний период тепло вода постепенно  отдает  в  зимнее  время  в  окружающее  пространство,  смягчая климат Земли; задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не давая ей охлаждаться. По этой причине над поверхностью озер и рек в 
холодное зимнее время стоит туман.

Природная вода всегда содержит нерастворимые и растворимые примеси. В  морской  воде  примерно  3,5%  растворенных  солей,  а  в  проточной  и подземной воде – большое количество солей магния и кальция. В дождевой и талой воде примеси в основном представлены растворенными газами   и пылью.

Способы  очистки  воды

Они  зависят  от  того,  какими  примесями  и насколько она загрязнена. От нерастворимых примесей воду очищают с помощью отстаивания и фильтрования. От растворимых примесей – способом перегонки.  Чистая,  без  примесей,  вода  называется  дистиллированной (рис. 75). 

Питьевую  воду  получают  путем  очистки  природной  воды.  Очистка природных вод – основная проблема водоснабжения мегаполисов. Для этого отфильтрованную воду направляют в отстойники, где происходит оседание неотфильтрованных частиц. Затем вода направляется на вторичную очистку. Ее  обрабатывают  хлором,  иногда  озоном  для  уничтожения  бактерий.  Все эти  операции  выполняются  на  специально  оборудованных  площадках водоочистительных станций (рис. 76).

Сточные воды крупных промышленных предприятий, отходы сельскохозяйственных  комплексов  также  требуют  дополнительной  очистки.  Их нельзя сбрасывать в водоемы, и за этим строго следят органы экологического контроля.

Дистиллированная  вода  по  составу  близка  к  дождевой  воде.  Она используется при изготовлении лекарственных препаратов, а также в научно-исследовательских целях.

Вода – обыкновенное чудо

Главное из природных богатств – это вода.

Вода вездесуща. Это единственное вещество, которое существует на Земле в трех агрегатных состояниях. Она находится во всех земных сферах, не только в гидросфере, т. е. в океанах, морях, озерах, болотах, реках, ледниках, подземных водах, но и в атмосфере – на поверхности суши и в воздухе, в литосфере – в почве и в земной коре и в биосфере – в организмах всех животных и растений.

Вода – среда жизни. Одно из удивительных физико-химических свойств воды – это  высокая  растворяющая  способность.  Вода  является  инертным  растворителем, т. е. химически не изменяющимся под воздействием тех веществ, которые растворяет.  Поэтому  вещества,  необходимые  для  живых  тканей,  попадают  в организм с водой в малоизмененном виде.

Вода  –  основной  источник  кислорода,  входящего  в  состав  атмосферного воздуха. Растения выделяют кислород в процессе фотосинтеза.

Вода регулирует климат. Исключительно высокая теплоемкость воды привела к тому, что океан стал регулировать климат Земли.

Вода формирует поверхность Земли. Реки, ручьи размывают горы, образуя широкие долины или глубокие ущелья, меняя таким образом ландшафт.

Вода – источник электрической энергии. Гидроэлектростанции превращают механическую энергию водного потока в электрическую.

Главное преимущество ГЭС перед тепловыми электростанциями (ТЭС), в которых используется энергия сжигаемого топлива, – это постоянное самовозобновление источника энергии, поэтому стоимость эксплуатации дешевле.

Вода – самая оживленная «трасса» для мореходных судов и танкеров.

Вода – целитель. Из-за высокой теплоемкости и большой теплопроводности она хорошо растворяет соли и газы и при купании благотворно влияет на кожный покров, улучшает кровообращение.

Вода – «землекоп». Гидромеханизация – подача воды под большим давлением. Под давлением в 6–12 атм вода легко размывает рыхлые горные породы, а при давлении 15–20 атм – более твердые. Гидромеханизация широко применяется на золотых приисках и угольных шахтах.

Вода  измеряет.  Человек  выбрал  воду  в  качестве  эталона  для  измерения температуры, массы, количества тепла, времени, высоты местности.

В  Древней  Греции  для  измерения  времени  использовали  водяные  часы. Наверное, там и родилось выражение «ваше время истекло».

Вода тушит пожары. Вода не горит, потому что является продуктом сгорания водорода. При тушении пожара вода охлаждает горящие предметы, преграждает доступ кислорода из воздуха к очагу возгорания.

Вода – разрушитель. При замерзании вода расширяется. Превращаясь в лед, вода «рвет» даже гранитные валуны на части. Отсюда и пословица: «Вода камень точит».

Вода  и  магия.  С  древних  времен  воде  приписывали  магические  свойства. Это  отразилось,  например,  в  христианском  обряде  крещения,  совершаемом  в знак приобщения к религии Христа. Мусульмане перед пятикратным намазом совершают омовение.

Погружению в воду или обливанию во многих религиях придают значение не только физического, но и нравственного очищения.

Иногда о человеке, предугадавшем события, говорят: «Как в воду глядел».

Вода угрожает. Если воды оказывается катастрофически много или мало, то происходит стихийное бедствие (наводнение, засуха).

В  настоящее  время  человек  мужественно  и  умело  борется  со  стихией, возводя плотины и дамбы, строя водохранилища. В Казахстане множество водохранилищ, самые крупные: Буктармин ское, Капшагайское, Шардаринское и Коксараинское.

Вода является для человека более ценным природным богатством, чем нефть и газ, железо и уголь и т. д., ибо она незаменима.

Что такое «мертвая вода»? Это D.,0 или Т.,О. Цвет, вкус и запах у них, как у воды, но они тормозят процесс обмена веществ, в клетке происходят необратимые процессы, что способствует быстрому старению организма. У «мертвой воды» температура плавления и кипения, а также плотность выше, чем у обыкновенной воды, а растворимость ниже.

Химические свойства воды

Водород, кислород, растворитель.

Под  действием  электрического  тока  или  при  температуре  2000°С происходит разложение воды. Эта реакция, как вы уже знаете, – один из способов получения водорода: 

Разложение  соединения  на  составные  части  называется  анализом. Реакция получения сложных молекул (воды) из простых веществ называется синтезом:

Взаимодействие воды с простыми веществами

1. Взаимодействие воды с активными металлами также рассматривалось нами как один из способов получения водорода в лабораторных условиях. При этом протекают реакции замещения:

При  взаимодействии  металлов  средней  активности  при  нагревании  с водой образуются оксид металла и водород:

Малоактивные металлы с водой не реагируют.

2. При определенных условиях вода реагирует с некоторыми неметаллами. При пропускании паров воды над раскаленным углем происходит реакция: 

В результате реакции образуется смесь двух газов, которые способны гореть. Такая газовая смесь называется водяным газом. 

При пропускании хлора через воду образуется смесь двух кислот хлора:

Взаимодействие воды со сложными веществами

1. С оксидами активных металлов вода реагирует  с  образованием  растворимых  оснований  – 
щелочей:

При взаимодействии оксида кальция (негашеная известь)  с  водой  реакция  протекает  бурно  с выделением большого количества тепла (рис. 78), и образуется гидроксид кальция (гашеная известь):

Отсюда можно сделать следующий вывод:

2. Гидриды активных металлов вступают во взаимодействие с водой по реакции:

В результате реакции образуются щелочи и водород.

3. Оксиды некоторых неметаллов взаимодействуют с водой с образованием кислот:

Следовательно:

4. Некоторые соли химически взаимодействуют с водой с образованием кристаллогидратов.  Кристаллогидратами  называют  кристаллические  гидраты определенного состава: 

При  расчете  молекулярных  масс  кристаллогидратов  масса  воды суммируется с массой соли: 

Применение воды

Вода – второй (после кислорода) по величине природный ресурс, используемый человеком. Применение ее в промышленности, сельском хозяйстве и в быту очень многообразно.

Основные области применения воды показаны на схеме 10.

• •    Содержание воды в костях достигает 31%.
• •    На вершине Эвереста вода кипит при 71 С.
• •    Жирафы могут обходиться без воды дольше, чем верблюды.

Сколько жидкости в нашем теле? 5 л крови; 2 л лимфы; 28 л внутриклеточной и межклеточной воды; 1,5 л слюны, 5 л желудочного сока; 1 л желчи; 0,7 л сока поджелудочной железы; 0,1-0,2 л воды в головном и спинном мозге. Конечно же, это не чистая вода, а растворенные в воде органические и неорганические вещества. Очень много воды в стекловидном теле глаза (99%), а меньше всего - в эмали зубов.

Жесткость воды способы ее устранения

Жесткость  воды  обусловлена  наличием  в  ней  ионов  и . Чем выше в природной воде содержание этих ионов, тем больше ее жесткость.

В жесткой воде мыло не пенится, поэтому используют синтетические моющие средства. Из-за жесткости воды на внутренних стенках трубопроводов и паровых котлов оседает 
накипь – твердые соли  Жесткая вода имеет плохую теплопроводность, поэтому вызывает местный перегрев (рис. 80).

Жесткость воды бывает двух видов: временная и постоянная (схема 11).

Временная жесткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов   и 
 Она устраняется кипячением воды,  поэтому  называется  карбонатной, 
устранимой.

Постоянная жесткость сохраняется при кипячении воды, она обусловлена содержанием 
 и  Для устранения постоянной жесткости к воде добавляют соду 
 известковую воду  фосфат натрия. Эти вещества добавляются для того, 
чтобы осадить ионы кальция и магния.

В настоящее время для устранения жесткости воды применяются ионообменные смолы.

 Жесткость  воды,  виды  жесткости  воды:  временная,  постоянная  и  общая; методы устранения жесткости.

Вода в природе

Вода—весьма распространенное па Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву н горные породы.

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1 % (масс.). Морская вода содержит 3,5 % (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).

Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь. Подробнее о жесткости воды см. § 212.

Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.

Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена (см. §212).

Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.

Перечень теоретических вопросов

1. ... – единственное вещество в природе, которое в земных условиях существует в трех агрегатных состояниях.

2. Вода – это ... , плотность равна ... , температура плавления равна ... , температура кипения равна ... , ... проводит электрический ток.

3. Вода – ... растворитель. Любая природная вода – ... .

4. Раствор – ... .

5. Вещества, образующие раствор, называются ... раствора. Один из них – растворитель.

6. Растворитель – ... .

7. Растворение – ... процесс.

8. Дробление растворяемого вещества до мелких частиц и их равномерное распределение между молекулами растворителя – ... .

9. Взаимодействие растворяемого вещества и растворителя – ... сторона процесса растворения.

10. Растворы – вещества ... состава. Состав растворов выражают через ... .

11. Массовая доля растворенного вещества – ... . Она выражается в ... или ... .

12. Рассчитайте массовую долю вещества в растворе, если в 200 г раствора содержится 10 г соли.

13. Сколько граммов растворенного вещества содержится в 500 г 10%-го раствора?

14. По содержанию растворенного вещества в растворе растворы бывают ..., ..., ... .

15. Раствор, находящийся в равновесии с растворенным веществом, – ................................ .

16. Растворимость вещества зависит от ... вещества и растворителя, ... , ... (для газов).

17. Химически взаимодействуют с водой металлы, стоящие в ряду активности ............ водорода.

18. Активные металлы взаимодействуют с водой с выделением ... и образованием ... металла.

19. Металлы средней активности взаимодействуют с водой с выделением ... и образованием ... металла.

20. Оксиды металлов и неметаллов взаимодействуют с водой, если им соответствуют ... гидроксиды.

21. Оксиды, которым соответствуют основания, – ... . Это оксиды ... .

22. Оксиды, которым соответствуют кислоты, – ... . Это оксиды – ... .