4. Вода в природе. Значение воды. Гидраты и кристаллогидраты.

Вода́ (оксид водорода) — химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном — водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды).

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.

Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях — жидком, газообразном и твёрдом и приобретать различные формы, которые могут одновременно соседствовать друг с другом: водяной пар и облака в небе, морская вода и айсберги, ледники и реки на поверхности земли, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе много веществ, приобретая тот или иной вкус. Из-за важности воды, «как источника жизни», её нередко подразделяют на типы по различным принципам.

По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:

Мягкая вода и жёсткая вода — по содержанию катионов кальция и магния

По изотопам молекулы:

Лёгкая вода (по составу почти соответствует обычной)

Тяжёлая вода (дейтериевая)

Сверхтяжёлая вода (тритиевая)

Пресная вода

Дождевая вода

Морская вода

Подземные воды

Минеральная вода

Солоноватая вода (en:Brackish water)

Питьевая вода, Водопроводная вода

Дистиллированная вода и деионизированная вода

Сточные воды

Ливневая вода или поверхностные воды

Мёртвая вода и Живая вода — виды воды из сказок (со сказочными свойствами)

Лёд-девять (вымышленный материал)

Святая вода — особый вид воды согласно религиозным учениям

Поливода

Структурированная вода — термин, применяемый в различных неакадемических теориях.

[править]

Химические названия воды

С формальной точки зрения вода имеет несколько различных корректных химических названий:

Оксид водорода

Гидроксид водорода

Монооксид дигидрогена

Гидроксильная кислота

англ. hydroxic acid

Оксидан

Дигидромонооксид

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH−). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ 16.

Вода химически довольно активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Вода реагирует при комнатной температуре:

с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

с галогенами (фтором, хлором) и межгалоидными соединениями

с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз

с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот

с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метилнатрий и т. д.)

с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)

со многими солями, образуя гидраты

с боранами, силанами

с кетенами, недоокисью углерода

с фторидами благородных газов

Вода реагирует при нагревании:

с железом, магнием

с углем, метаном

с некоторыми алкилгалогенидами

Вода реагирует в присутствии катализатора:

с амидами, эфирами карбоновых кислот

с ацетиленом и другими алкинами

с алкенами

с нитрилами

[править]

Вода в природе

См. также: Роль воды в клетке

В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая криосферой. Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.

Мировой океан содержит более 96 % земной воды, подземные воды — около 2 %, ледники — около 2 %, реки, озёра, болота — 0,02 %

Гидраты – это нестойкие соединения, которые образуются при химическом взаимодействии молекул воды с частицами растворенного вещества.

Гидраты — продукты присоединения воды к неорганическим и органическим веществам.Этот термин раньше широко применялся для всех соединений, выделяющих воду при нагревании. Так NaOH называли гидратом окиси натрия. Однако сейчас гидратами называют только соединения, в которых молекула воды присутствует в виде отдельной структурной единицы. Джон Доу в своей книге «Гидраты природного газа» даёт следующее определение гидратов, которое применяется в нефтегазовой промышленности: «„Гидратами“ называют вещества, которые при комнатной температуре обычно находятся в газообразном состоянии. В число таких веществ входят метан, этан, двуокись углерода и сероводород. Отсюда возник термин „газовые гидраты“, а также одно из широко распространённых заблуждений, связанных с этим видом соединений. Многие ошибочно полагают, что неводные жидкости неспособны к гидратообразованию, однако на самом деле гидраты могут образовываться и другими жидкостями. В качестве примера вещества, которое при комнатных условиях находится в жидком состоянии, но всё же образует гидрат, можно назвать дихлордифторметан (фреон-12).» Причину образования гидратов Дж. Кэрролл объясняет так: «Способность воды образовывать гидраты объясняется наличием в ней водородных связей. Водородная связь заставляет молекулы воды выстраиваться в геометрически правильные структуры. В присутствии молекул некоторых веществ эта упорядоченная структура стабилизируется и образуется смесь, выделяемая в виде твёрдого осадка. Молекулы воды в таких соединениях называются „хозяевами“, а молекулы других веществ, стабилизирующие кристаллическую решётку — „гостями“ (гидратообразователями). Кристаллические решётки гидратов имеют сложное, трёхмерное строение, где молекулы воды образуют каркас, в полостях которого находятся заключённые молекулы-гости. Считается, что стабилизация кристаллической решётки в присутствии молекул-гостей обусловлена ван-дер-ваальсовыми силами, которые возникают из-за межмолекулярного притяжения, не связанного с электростатическим притяжением. Ещё одна интересная особенность газовых гидратов заключается в отсутствии связей между молекулами-гостями и хозяевами. Молекулы-гости могут свободно вращаться внутри решёток, образованных молекулами-хозяевами. Таким образом, данные соединения лучше всего описать как твёрдые растворы».

Процесс образования гидратов называют гидратацией.

Гидраты, как правило, разлагаются при выпаривании растворов.

Кристаллогидраты — кристаллы, содержащие молекулы воды и образующиеся, если в кристаллической решётке катионы образуют более прочную связь с молекулами воды, чем связь между катионами и анионами в кристалле безводной соли. При низких температурах вода в кристаллогидратах может быть связана как с катионами, так и с анионами солей. Многие соли, а также кислоты и основания выпадают из водных растворов в виде кристаллогидратов.

Формулы кристаллогидратов:

Кристаллогидрат сульфата меди(II) (медный купорос): CuSO4 · 5H2O.

Железный купорос: FeSO4 · 7H2O.

Гипс: CaSO4 · 2H2O.

Сода: Na2CO3 · 10H2O.

Растворы занимают промежуточное положение между смесями и химическими соединениями.

Сходства растворов с химическими соединениями:

- растворы однородны и устойчивы, не осаждаются и не расслаиваются при длительном стоянии;

- процесс растворения сопровождается тепловым эффектом.

Сходства растворов со смесями:

- растворы не имеют постоянного состава, он может изменяться в широких пределах;

- растворы сохраняют многие свойства растворителя и растворенного вещества. Они могут быть легко разделены на составные части, как и смеси.