43. Вода. Клатраты. Вода как растворитель. Вода в природе и ее роль в жизнедеятельности организмов. Пероксид водорода.

Вода (оксид водорода, гидроксид водорода) — бинарное неорганическое соединение с химической формулой H₂O: молекула воды состоит из двух атомов водорода и од.ного — 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).

Взаимодействие воды с простыми веществами

С щелочными и щелочноземельными металлами взаимодействие происходит довольно бурно с выделением тепла, а иногда даже света, например, натрий, калий, кальций способны двигаться и даже “прыгать” по воде.

2Na + 2H₂O = H₂ + 2NaOH.

Менее активные металлы реагируют либо при нагревании, либо не реагируют совсем, например железо:

3Fe + 4H₂O = 4H₂+ Fe₃O₄ (только при нагревании)

Эти реакции в естественной среде не происходят, а вот реакция коррозии, когда к воде присоединяется воздух, очень даже распространена:

4Fe + 3O₂ + 6H₂O ➝ 4Fe(OH)₃.

Это уравнение описывает формирование ржавчины на железных поверхностях. Подобные процессы могут происходить также с медью, цинком и их сплавами.

Очень часто вода в природе встречается с углекислым газом, а также оксидами серы и азота, которые являются компонентами выхлопных газов, по такому механизму:

SO₂ + H₂O = H₂SO₄.

В результате именно этих процессов образуются кислотные дожди.

Клатраты (от лат. clathratus — обрешеченный, закрытый решеткой) — соединения включения. Клатраты образуются путём включения молекул вещества — «гостя», в полости кристаллической решётки, составленной из молекул другого типа — «хозяев» (решётчатые клатраты), либо в полость одной большой молекулы-хозяина (молекулярные клатраты).

Среди решётчатых клатратов в зависимости от формы полости различают:

• клеточные (криптатоклатраты), напр. клатраты гидрохинона;

• газовые гидраты;

• канальные (тубулатоклатраты), напр. клатраты мочевины, тиомочевины;

• слоистые (интеркалаты), напр. соединения графита;

• кристаллоструктурные, напр. интерметаллиды.

Молекулярные клатраты подразделяют на:

• кавитаты, имеющие полость в виде канала или клетки, напр. соединения циклодекстрина или амилозы с иодом (I₂);

• адикулаты, у которых полость напоминает корзину.

Образование клатраты может быть использовано при синтезе стереорегулярных полимеров (полимеризация в каналах клатраты), в хроматографии, для хранения газов и высокотоксичных веществ, защиты легкоокисляющихся на воздухе соединений, опреснения морской воды, разделения соединений, близких по свойствам, но отличающихся геометрией молекул (включая оптич. изомеры), и др.

Вода как растворитель. Благодаря своей способности растворять достаточно широкий спектр веществ, воду иногда называют «универсальным растворителем». Однако это название не совсем точное, так как есть некоторые вещества (например, масла), которые плохо растворяются в воде. Вообще, вода хорошо растворяет полярные молекулы и вещества с их дальнейшим распадом на ионы, но плохо растворяет неполярные молекулы. (Полярная молекула - это молекула, которая является нейтральной или незаряженной, но имеет асимметричное внутреннее распределение заряда, приводящее к формированию частично положительной и частично отрицательной частей молекулы.)

Вода взаимодействует по-разному с заряженными (и полярными) веществами — и с неполярными, поскольку молекулы самой воды — полярны. Во-первых, на атомах водорода образуется частичный положительный заряд, а на атоме кислорода — частичный отрицательный, во-вторых, молекула воды имеет изогнутую структуру. Неравномерное распределение заряда в молекуле воды обусловливается большей электроотрицательностью кислорода по сравнению с водородом: общие электроны в связях O-H больше времени проводят у атома O, чем у двух атомов H. На иллюстрации ниже частичный положительный и частичный отрицательный заряды обозначены символами δ^++start superscript, plus, end superscript и δ^-−start superscript, minus, end superscript соответственно.

Благодаря полярности молекулы воды, возникает электростатическое взаимодействие молекул (притяжение, вызванное зарядами) как между собой, так и с другими молекулами и ионами. Полярные молекулы и ионы взаимодействуют с частичными положительными и частично отрицательными концами молекулы воды, при этом положительные и отрицательные заряды притягиваются (точно так же, как разные полюса магнита). Когда молекул воды гораздо больше, чем молекул растворённого вещества, тогда в водном растворе вокруг частиц растворённого вещества образуется объёмная сфера из молекул воды — так называемая гидратационная оболочка. Такая оболочка позволяет частицам равномерно распределяться в толще воды.

Частично положительные концы молекул воды притягиваются к отрицательному иону Cl-, а частично отрицательные концы молекул воды притягиваются к положительному иону Na +.

Неполярные молекулы, такие как жиры и масла, не взаимодействуют с водой, вокруг них не образуются гидратационные оболочки. У таких молекул нет областей с частично положительными и частично отрицательными зарядами, поэтому между ними и молекулами воды не возникает электростатического взаимодействия. Таким образом, вместо того, чтобы раствориться, неполярные вещества (например, масла) держатся обособленно и образуют в воде слои или капли.

В природе вода играет важнейшую роль. При этом она оказывается задействованной в самых разных механизмах и жизненных циклах на земле. Вот лишь несколько фактов, которые наглядно демонстрируют ее значимость для нашей планеты:

• Значение круговорота воды в природе просто огромно. Именно этот процесс позволяет животным и растениям получать столь необходимую для их жизни и существования влагу.

• Моря и океаны, реки и озера — все водоемы играют важнейшую роль в создании климата той или иной местности. А высокая теплоемкость воды обеспечивает комфортный температурный режим на нашей планете.

• Вода играет одну из ключевых ролей в процессе фотосинтеза. Не будь воды, растения не могли бы перерабатывать углекислый газ в кислород, а значит — воздух был бы непригоден для дыхания.

Значение же воды в жизни человека просто огромное.

• Тело человека тоже состоит из воды. В теле новорожденного — до 75% воды, в теле пожилого человека — более 50%. При этом известно, что без воды человек не выживет. Так, когда у нас исчезает хотя бы 2% воды из организма, начинается мучительная жажда. При потере более 12% воды человеку уже не восстановится без помощи врачей. А потеряв 20% воды из организма, человек умирает.

• Вода является для человека исключительно важным источником питания. По статистике человек за месяц в норме потребляет 60 литров воды (2 литра в день).

• Именно вода доставляет к каждой клеточке нашего организма кислород и питательные вещества.

• Благодаря наличию воды наш организм может регулировать температуру тела.

• Вода также позволяет перерабатывать пищу в энергию, помогает клеткам усваивать питательные вещества. А еще вода выводит шлаки и отходы из нашего тела.

• Человек повсеместно использует воду для своих нужд: для питания, в сельском хозяйстве, для различного производства, для выработки электроэнергии.

Перокси́д водоро́да (пе́рекись водорóда), H₂O₂ — простейший представитель пероксидов. Бесцветная жидкость с «металлическим» вкусом, неограниченно растворимая в воде, спирте и эфире. Концентрированные водные растворы взрывоопасны. Пероксид водорода является хорошим растворителем. Из воды выделяется в виде неустойчивого кристаллогидрата H₂O₂∙2H₂O.

Молекула пероксида водорода имеет следующее строение:

Вследствие несимметричности молекула H₂O₂. Относительно высокая вязкость жидкого пероксида водорода обусловлена развитой системой водородных связей. Поскольку атомы кислорода имеют неподелённые электронные пары, молекула H₂O₂ также способна образовывать донорно-акцепторные связи.

Молекула пероксида водорода сильно полярна, что приводит к возникновению водородных связей между молекулами. Связь O—O непрочна, поэтому H₂O₂ — неустойчивое соединение, легко разлагается.

Пероксид водорода проявляет свойства очень слабой кислоты (слабее угольной):

Окислительные свойства перекиси водорода	Восстановительные свойства перекиси водорода
В кислой среде H2O2 восстанавливается до H2O: H2O2 +2H(+) +2e(-) = 2H2O KNO2 + H2O2 = KNO3 + H2O В щелочной или нейтральной — до OH-: H2O2 +2e(-)= 2OH(-) 2KI + H2O2 = I2 + 2KOH Если реакция идет с сильными окислителями, то образуется кислород: H2O2-2e(-) = O2 + 2H(+)	H2O2 + Ag2O -> 2Ag + O2 + H2O Если реакция идет с сильными окислителями, то образуется кислород: H2O2 -2e(-)-> O2 + 2H(+) H2O2 +2OH(-) -2e(-) ->O2 + 2H2O 2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5O2 + K2SO4 + 8H2O 3H2O2 + 2KMnO4 = 2MnO2 + 2KOH + 3O2 + 2H2O
Благодаря своим сильным окислительным свойствам пероксид водорода нашёл широкое применение в быту и в промышленности, где используется, например, как отбеливатель, в аналитической химии, в медицине — как антисептик, в производстве дезинфицирующих и отбеливающих средств. Перекись водорода применяется также для обесцвечивания волос (пергидроль) и отбеливания зубов, однако эффект в обоих случаях основан на окислении, а следовательно, разрушении тканей, и потому такое применение (особенно в отношении зубов) не рекомендуется специалистами.