Repetitor_po_Khimii

Вода — наиболее универсальный растворитель. Молекулы воды представляют собой диполи, поэтому вода является полярным растворителем. Она хорошо растворяет ионные соединения и вещества, состоящие из полярных молекул. Значительно хуже растворяются в воде вещества, состоящие из неполярных молекул. В этом смысл давно установленного правила: «Подобное растворяется в подобном».

III. Вода в природе

Вода — самое распространенное на Земле вещество. Поверхность земного шара на 3/4 покрыта водой (океаны, моря, озера, ледники). В больших количествах вода также находится в атмосфере и земной коре. Наша планета буквально пропитана водой и окутана водяным паром. Общие запасы свободной воды на Земле составляют 1,4 млрд км3. Почти столько же воды находится в физически и химически связанном состоянии, например в природных кристаллогидратах: глауберовой соли Na2SO4 · 10Н2О, бокситах

Аl2О3 · nН2О и др.

Однако запасы пресной воды, пригодной для питья и бытовых нужд, весьма ограничены. Поэтому в настоящее время охрана водных ресурсов и очистка сточных вод стали наиболее актуальными экологическими проблемами, стоящими перед человечеством.

Организмы животных и растений содержат от 50 до 90 % воды. В организме человека она составляет около 65 % от массы тела. Бо@льшая часть воды в организме находится внутри клеток (70 %), около 23 % составляет межклеточная вода, а остальная (7 %) находится внутри кровеносных сосудов и в составе плазмы крови. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. При продолжительности жизни 70 лет человек потребляет около 25 т воды.

IV. Химические свойства

Вода — одно из наиболее реакционноспособных веществ. Изучая свойства неорганических и органических веществ, мы рассматривали множество реакций с участием воды. Систематизируем эти сведения.

730

1.Окислительно-восстановительные свойства

Вмолекуле воды и водород, и кислород находятся в устойчивых степенях окисления соответственно +1 и –2.

Поэтому вода не обладает сколько-нибудь ярко выраженными окислительно-восстановительными свойствами. Окисли- тельно-восстановительные реакции возможны при взаимодействии воды только с очень активными восстановителями или очень активными окислителями.

Так, вода при обычной температуре взаимодействует с такими сильнейшими восстановителями, как щелочные и щелочноземельные металлы:

+1

2Na + 2Н2О = 2NaOH + Н02

Окислитель

+1

Са + 2Н2О = Ca(OH)2 + Н02

При нагревании возможно взаимодействие воды или водяного пара и с менее активными металлами:

+1 t°

Mg + 2Н2О = Mg(OH)2 + Н02

+1 t°

3Fe + 4H2O = Fе3О4 + 4Н02

В роли окислителя вода выступает также при взаимодействии с гидридами щелочных и щелочноземельных металлов, являющихся очень сильными восстановителями:

–1 +1

NaH + Н2О = NaOH + Н02

При взаимодействии с таким сильнейшим окислителем, как фтор, вода выступает в роли восстановителя:

–2

2F2 + 2Н2О = 4HF + О02

Восстановитель

При температуре выше 1000 °С водяной пар разлагается на водород и кислород, т. е. происходит внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс:

+1 –2 t°

2Н2О 2Н02 + О02

731

2. Кислотно-основные свойства

Для жидкой воды характерна самоионизация. Молекулы ее взаимно влияют друг на друга. Тепловое движение частиц вызывает ослабление и гетеролитический разрыв связей О— Н в отдельных молекулах воды. При этом протон присоединяется к атому кислорода соседней молекулы воды по донор- но-акцепторному механизму:

или:

Н2О + Н2О H3О+ + ОН–

Ион Гидрогидроксидксония ион

В сущности ион гидроксония является гидратированным ионом водорода Н+ · Н2О, поэтому упрощенно процесс ионизации воды обычно выражают следующим уравнением:

Н2О Н+ + ОН–

Таким образом, при ионизации одновременно образуются ионы Н+ и ОН–, т. е. вода является амфотерным элект-

ролитом. Но степень ионизации воды незначительна. При комнатной температуре примерно лишь одна из 108 молекул воды находится в диссоциированной форме, что подтвержда-

ется весьма низкой электропроводностью чистой воды. Вода — очень слабый электролит, ее константа диссоциации

и ионное произведение при 25 °С равны:

[H+] • [OH–]

Kд = ————————= 1,8 · 10–16

[H2O]

KH2O = [H+] · [OH–] = 10–14

Концентрации ионов Н+ и ОН– в воде равны 10–7 моль/л. Поэтому вода не проявляет сколько-нибудь выраженных кислотных или основных свойств.

Однако вода оказывает сильное ионизирующее действие на растворенные в ней электролиты. Под действием диполей

732

воды полярные ковалентные связи в молекулах растворенных веществ превращаются в ионные, в результате чего растворы многих веществ в воде проявляют кислотные свойства:

Присоединением протона молекулы воды к молекулам некоторых растворенных веществ обусловлены основные свойства водных растворов этих веществ:

NH3 + Н|ОН NH+4 + ОН–

Аммиак

CH3—NH2 + Н|ОН [CH3NH3]+ + ОН–

Метиламин

3. Реакции гидратации

Полярность и малые размеры молекулы воды определяют ее сильные гидратирующие свойства.

• Гидратация — это присоединение воды к веществу.

а) Гидратация ионов

При растворении в воде электролитов образующиеся в результате электролитической диссоциации ионы присоединяют определенное число молекул воды и существуют в растворе в виде гидратированных ионов. Прочность связей между ионом и молекулами воды зависит от природы иона, его заряда, размера, строения электронной оболочки, а также от концентрации и температуры раствора.

Некоторые ионы образуют столь прочные связи с молекулами воды, что их гидратированные ионы могут существовать не только в растворе, но и в твердом состоянии. Этим объясняется образование кристаллогидратов типа медного купороса CuSO4 · 5Н2О, железного купороса FeSO4 · 7Н2O, гипса CaSO4 · 2Н2О и др., а также большого числа аквокомплексов, например [Cr(Н2О)6]Сl3, [Рt(Н2O)4]Сl4 и др.

733

б) Гидратация оксидов

При гидратации кислотных оксидов образуются кислоты:

При гидратации основных оксидов образуются основания:

в) Гидратация органических соединений

Непредельные углеводороды (алкены и алкины) вступают в реакции гидратации, в результате которых образуются кислородсодержащие органические соединения. Присоединение воды к непредельным УВ подчиняется правилу Марковникова:

Н3РО4, t°, Р

Н2С=СН2 + Н—ОН ————— СН3—СН2ОН

Hg2+

НС С—CH3 + НОН —— СН3—С—СН3

Метилацетилен ||

О

Диметилкетон (ацетон)

4.Реакции гидролиза

•Гидролизом называется процесс разложения веществ

врезультате обменного взаимодействия между молекулами вещества и молекулами воды.

а) Гидролиз солей

Подробно гидролиз солей рассматривался при изложении соответствующей темы. Здесь ограничимся лишь несколькими примерами.

Гидролиз по аниону соли:

Na2CO3 + Н2О NaHCO3 + NaOH;

СО32– + Н2О НСО3– + ОН–; рН > 7 (щелочная среда)

734

Гидролиз по катиону соли: FеСl3 + Н2О FeOHCl2 + HCl;

Fe3+ + H2O FeOH2+ + Н+; рН < 7 (кислая среда) Гидролиз по катиону и аниону соли:

CH3COONH4 + Н2О CH3COOH + NH4OH; CH3COO– + NH4+ + H2O CH3COOH + NH4OH; рН 7 (среда, близкая к нейтральной). Необратимый (полный) гидролиз:

Al2S3 + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + 3H2S

б) Гидролиз карбидов металлов является одним из способов получения углеводородов:

Аl4С3 + 12Н2О 4Аl(ОН)3 + 3CH4

Карбид алюминия Метан

в) Гидролиз галогеналканов является одним из способов по-

г) Гидролиз алкоголятов металлов

Вприсутствии воды алкоголяты металлов разлагаются

собразованием спиртов и гидроксидов металлов:

735

C2H5ONa + Н2О C2H5OH + NaOH

д) Гидролиз галогенпроизводных бензола

Основным продуктом гидролиза этих веществ является фенол:

е) Гидролиз сложных эфиров

Гидролиз сложных эфиров — реакция, обратная реакции этерификации. Продуктами гидролиза сложных эфиров являются кислота и спирт:

t°, H+

CH3—O—NO2 + НОН HNO3 + СН3ОН

К этому же типу реакций относится гидролиз жиров, являющихся сложными эфирами трехатомного спирта — глицерина.

Гидролиз жиров в организме катализируется ферментами, называемыми липазами.

ж) Гидролиз ди- и полисахаридов

При гидролизе дисахарида образуются один или два моносахарида. Например, при гидролизе мальтозы образуется только α-глюкоза, так как молекула этого дисахарида состоит из остатков двух молекул α-глюкозы:

H+, t°

C12H22O11 + НОН —— 2C6H12O6

Молекула сахарозы состоит из остатков α-глюкозы и β- фруктозы, поэтому эти простые углеводы и образуются при гидролизе сахарозы:

C12H22O11 + НОН —— С6Н12O6 + С6Н12O6

736

Гидролиз полисахаридов обычно представляет собой многоступенчатый процесс, но конечным продуктом этого процесса является тот или иной моносахарид. Например, суммарное уравнение гидролиза крахмала можно записать так:

H+, t°

(С6Н10O5)n + nН2O —— nС6Н12O6

В организме гидролиз крахмала катализируется ферментами, называемыми амилазами.

з) Гидролиз белков

Гидролиз белков также представляет собой многостадийный процесс, конечным продуктом которого являются аминокислоты. В организме этот процесс протекает с участием протеолитических ферментов (протеазы).

Задачи и упражнения для самостоятельной работы

1.С какими из следующих веществ взаимодействует вода: CuO, Na,

CaO, КОН, F2, SiO2, SO3, NH3, CH4, C2H4, C2H5Cl, Ag, C2H2? Напишите уравнения соответствующих реакций.

2.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

H2O

Н2 NaH NaOH Na2CO3 ——

H2O H2O O2 Na2O NaOH NH3 NH4Cl ——

3.При обработке 7,2 г гидридов калия и натрия водой образовалось 250 мл раствора тидроксидов. Определить состав смеси гидридов, если для нейтрализации 50 мл полученного раствора израсходовано 20 мл 2М раствора соляной кислоты.

4.Определите массу воды, в которой нужно растворить 426 г оксида фосфора (V), чтобы образовался 49 %-й раствор ортофосфорной кислоты.

5.В эвдиометре взорвали смесь, содержащую водород объемом 12 мл и кислород объемом 10 мл. Полностью ли израсходуются газы? Если нет, то какой из них и в каком объеме останется?

6.Напишите уравнения реакций гидролиза следующих веществ: а) силиката калия; б) мальтозы; в) хлорида меди (II); г) изопропилацетата. Назовите продукты гидролиза.

7.Имеется смесь обычной и тяжелой воды. Определите массовую долю тяжелой воды в смеси, если массовая доля кислорода в смеси равна

86 %. (Тяжелая вода D2O — вода, содержащая изотоп водорода — дейтерий D, т. е. 21Н.)

737

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Тривиальные и исторические названия некоторых химических веществ

Азофоска (минеральное удобрение) — смесь фосфатов аммония и нитрата калия

Алебастр — 2CaSO4 · Н2О

Алюмокалиевые квасцы — Аl2(SО4)3 · K2SO4 · 24Н2О Аммиачная селитра (минеральное удобрение) — NH4NO3

Аммофос (минеральное удобрение) — смесь NH4H2PO4 и (NH4)2HPO4 Ангидрит — CaSO4

Английская соль — MgSO4 · 7Н2О

Антихлор — тиосульфат натрия Na2S2O3 Асбест — 3MgO · 2SiO2 · 2Н2О

Барит — BaSO4

Баритовая вода — насыщенный водный раствор гидроксида бария Ва(ОН)2

Белая глина, см. каолин

Белильная известь — раствор хлора Сl2 в известковой воде; главным компонентом является СаОСl2

Берлинская лазурь — Fe4[Fe(CN)6]3

Благородные газы — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон Благородные металлы, см. металлы благородные

Боксит — Аl2О3 · хН2О Болотный газ — СН4

Бура — Na2B4O7 · 10Н2О

Бурый газ — NO2

Веселящий газ — N2O Водяной газ — смесь СО и Н2

Гашеная известь — Са(ОН)2 Гипосульфит натрия — Nа2S2О3 · 5Н2О

Гипс — CaSO4 · 2Н2О

Глауберова соль — Na2SO4 · 10Н2О Глинозем — Аl2О3

Горькая соль, см. английская соль Гремучая смесь, см. гремучий газ

738

Гремучий газ — смесь двух объемов Н2 и одного объема О2

Диаммофос (минеральное удобрение) — (NH4)2HPO4

Доломит — СаСО3 · MgCO3

Едкий барит — Ва(ОН)2- 8Н2О Едкий натр — NaOH

Едкое кали — КОН

Жавелевая вода — раствор хлора Сl2 в водном растворе гидроксида натрия или гидроксида калия; главный компонент — гипохлорит натрия NaClO или калия КСlО

Железные квасцы — Ме[Fе(SO4)2] · 12Н2О, где Me — ионы щелочных металлов или катион аммония NH4+

Железный колчедан — FeS2 Железный купорос — FeSO4 · 7Н2О

Желтая кровяная соль — K4[Fe(CN)6] Жженая известь — СаО Жженый гипс, см. алебастр

Жидкое стекло — водный раствор силиката натрия Na2SiO3

Известковая вода — насыщенный водный раствор гидроксида кальция

Известняк — СаСО3 Индийская селитра, см. калиевая селитра

Йодоформ — CHI3

Калиевая селитра (минеральное удобрение) — KNO3 Каломель — Hg2Cl2

Кальциевая селитра (минеральное удобрение) — Ca(NO3)2 Кальцит — СаСО3

Каменная соль — NaCl

Каолин — Al2O3 · 2SiO2 · 2Н2O

Карбамид — CO(NH2)2

Карбин — аллотропная модификация углерода, имеющая линейное строение

Карборунд — SiC Каустик — NaOH Кварц — SiO2 Киноварь — HgS

Кипелка, см. жженая известь Корунд — Аl2О3

739