Свойства воды как растворителя

Охарактеризуйте свойства воды как растворителя.

Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. Вследствие своих аномальных свойств вода – уникальный растворитель, прекрасно приспособленный для жизнедеятельности.

Прежде всего вода хорошо растворяет ионные и многие полярные соединения. Такое свойство воды связано в значительной мере с ее высокой диэлектрической проницаемостью (78,5).

Другой 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.

Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов обмена в организме.

Необходимо отметить, что вода является конечным продуктом биологического окисления веществ, в частности глюкозы. Образование воды в результате этих процессов сопровождается выделением большого количества энергии – приблизительно 29 кДж/моль.

Важны и другие аномальные свойства воды: высо–кое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Для воды характерно наличие ассоциатов – групп молекул, соединенных водородными связями.

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

При растворении дифильных веществ происходит изменение структуры воды как результат взаимодействия с гидрофобными группами. Степень упорядочения молекул воды, близко расположенных к гидрофобным группам, увеличивается, и контакт молекул воды с гидрофобными группами сводится к минимуму. Гидрофобные группы, ассоциируясь, выталкивают молекулы воды из области своего расположения.

Влияние на растворимость природы компонентов. Полярные и неполярные растворители.

Если в ковалентную жидкость В ввести однотипные молекулы А, то энергия взаимодействия частиц А и В не будет существенно отличаться от энергий взаимодействия между частицами А и А или частицами В и В. Поэтому, подобно тому как смешиваются любые количества одного и того же вещества, будут неограниченно растворяться друг в друге также и различные ковалентные жидкости (вещества). Из сказанного становится понятной справедливость старинного многовекового правила: «подобное растворяется в подобном». И, наоборот, если энергия взаимодействия молекул А и А или В и В больше, чем А и В, то одинаковые молекулы каждого компонента предпочтительно будут связываться между собой и растворимость будет низкой. Это часто наблюдается при значительной полярности одного из компонентов раствора. Этим, например, можно объяснить плохую растворимость полярных молекул HCl в бензоле.

Полярные растворители: вода, спирты низшие, кетоны, жидкий аммиак.

Неполярные растворители: эфиры, бензин, керосин, жидкие углеводороды, тетрахлорметан.

Растворение жидкостей в жидкостях. Критическая температура растворения.

Растворимость жидкости в жидкости обычно увеличивается с повышением температуры и почти не зависит от давления. При смешивании жидкостей, между молекулами которых проявляются различные силы взаимодействия, возможны три случая: – неограниченная растворимость (например, растворимость этилового спирта в воде неограничена); – ограниченная растворимость. В этом случае наблюдается расслаивание жидкостей. При повышении температуры растворимость возрастает и, при некоторой температуре, происходит полное взаимное растворение. Эта температура называется критической температурой растворения. Выше этой температуры имеет место неограниченная взаимная смешиваемость обоих компонентов, например, анилин – вода, эфир – вода; – полная нерастворимость. Примером практически нерастворимых жидкостей служит смесь масла и воды.

Дата добавления: 2020-04-25 ; просмотров: 258 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Вода как растворитель

Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. Тело среднего человека массой 70 кг содержит примерно 40 кг воды. При этом около 25 кг воды приходится на жидкость внутри клеток, а 15 кг составляет внеклеточная жидкость, в которую входят плазма крови, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость, внутриглазная жидкость и жидкое содержимое желудочно-кишечного тракта. У животных и растительных организмов вода составляет обычно более 50%, а в ряде случаев содержание воды достигает 90—95%.

Вследствие своих аномальных свойств вода уникальный растворитель, прекрасно приспособленный для жизнедеятельности.

Прежде всего вода хорошо растворяет ионные и многие полярные соединения. Такое свойство воды связано в значительной мере с ее высокой диэлектрической проницаемостью (78,5).

Другой 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.

Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов обмена в организме.

Необходимо отметить, что вода является конечным продуктом биологического окисления веществ, в частности глюкозы. Образование воды в результате этих процессов сопровождается выделением большого количества энергии приблизительно 29 кДж/моль.

Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Для воды характерно наличие ассоциатов групп молекул, соединенных водородными связями.

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

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

При растворении дифильных веществ происходит изменение структуры воды как результат взаимодействия с гидрофобными группами. Степень упорядочения молекул воды, близко расположенных к гидрофобным группам, увеличивается, и контакт молекул воды с гидрофобными группами сводится к минимуму. Гидрофобные группы, ассоциируясь, выталкивают молекулы воды из области своего расположения.

Процесс растворения

Природа процесса растворения сложна. Естественно, возникает вопрос, почему некоторые вещества легко растворяются в одних растворителях и плохо растворимы или практически нерастворимы в других.

Образование растворов всегда связано с теми или иными физическими процессами. Одним из таких процессов является диффузия растворенного вещества и растворителя. Благодаря диффузии частицы (молекулы, ионы) удаляются с поверхности растворяющегося вещества и равномерно распределяются по всему объему растворителя. Именно поэтому в отсутствие перемешивания скорость растворения зависит от скорости диффузии. Однако нельзя лишь физическими процессами объяснить неодинаковую растворимость веществ в различных растворителях.

Великий русский химик Д. И. Менделеев (1834—1907) считал, что важную роль при растворении играют химические процессы. Он доказал существование гидратов серной кислоты H₂SО_4*H₂O, H₂SО_4*2H₂O, H₂SО_4*4H₂О и некоторых других веществ, например, С₂Н₅ОН*3Н₂О. В этих случаях растворение сопровождается образованием химических связей частиц растворяемого вещества и растворителя. Этот процесс называется сольватацией, в частном случае, когда растворителем является вода, гидратацией.

Как установлено, в зависимости от природы растворенного вещества сольваты (гидраты) могут образовываться в результате физических взаимодействий: иондипольного взаимодействия (например, при растворении веществ с ионной структурой (NaCI и др.); дипольдипольного взаимодействия при растворении веществ с молекулярной структурой (органические вещества)).

Химические взаимодействия осуществляются за счет донорноакцепторных связей. Здесь ионы растворенного вещества являются акцепторами электронов, а растворители (Н₂О, NН₃) донорами электронов (например, образование аквакомплексов), а также в результате образования водородных связей (например, растворение спирта в воде).

Доказательствами химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем являются тепловые эффекты и изменение окраски, сопровождающие растворение.

Например, при растворении гидроксида калия в воде выделяется теплота:

А при растворении хлорида натрия теплота поглощается:

Теплота, выделяемая или поглощаемая при растворении 1 моля вещества, называется теплотой растворения Q_раств

В соответствии с первым началом термодинамики

где ΔН_раств изменение энтальпии при растворении данного количества вещества.

Растворение в воде безводного сульфата меди белого цвета приводит к появлению интенсивной голубой окраски. Образование сольватов, изменение окраски, тепловые эффекты, как и ряд других факторов, свидетельствуют об изменении химической природы компонентов раствора при его образовании.

Таким образом, в соответствии с современными представлениями, растворение физико-химический процесс, в котором играют роль как физические, так и химические виды взаимодействия.

Источник

СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВОДЫ КАК РАСТВОРИТЕЛЯ

Состав воды

Изотопная разновидность воды, в которой протий замещен дейтерием, называется тяжелой водой. Однако в природе до сих пор не открыта ни собственно легкая, ни тяжелая вода.

Тяжелую воду для технических целей в настоящее время готовят искусственно. Она отличается от обычной не только физическими свойствами, но и физиологическим воздействием на организм.

Одной из главных причин, создающих дифференциацию изотопов в природных водах, является процесс испарения. Упругость паров тяжелой воды несколько ниже упругости паров обычной, а так как процесс испарения является основным фактором круговорота воды, то обогащение вод тяжелыми изотопами в местах испарения и обеднение ими в местах конденсации может вызвать заметную разницу в плотности воды.

Установлена следующая закономерность распределения изотопов водорода в поверхностных и атмосферных водах:

— пресные поверхностные воды рек, озер и других водоемов, пополняющихся главным образом за счет атмосферных осадков, содержат дейтерия и кислорода-18 меньше, чем океанические воды;

— изотопный состав пресных поверхностных вод определяется физико-географическими условиями их нахождения.

Аномальные свойства воды

Изучению внутреннего строения воды посвящены исследования фундаментального характера. По степени изученности некоторых свойств вода значительно превосходит другие вещества. Однако многие существенные особенности строения и свойства воды остаются еще невыясненными. Выявляются все новые свойства воды. Они не были известны раньше и не находят пока объяснения на основе прежних представлений о внутреннем ее строении.

Таким образом, для молекулы воды характерно дипольное строение (диполи). Их изображают в виде овалов, полюса которых имеют противоположные по знаку электрические заряды. При достаточном сближении молекулы воды начинают действовать друг на друга своими силовыми полями. При этом положительно заряженный полюс одной молекулы притягивает отрицательно заряженный другой. В результате могут получиться агрегаты из двух, трех и более молекул (рис. 2).

Такие группировки молекул воды называются дигидролями и тригидролями. Следовательно, в воде одновременно присутствуют одиночные (моногидроли), двойные и тройные молекулы. Содержание их меняется в зависимости от температуры. Во льду доминируют тройные молекулы, обладающие наибольшим объемом. При повышении температуры скорость движения молекул возрастает, и силы притяжения между молекулами оказываются недостаточными для удержания их друг около друга. В жидком состоянии вода представляет смесь дигидролей, тригидролей и моногидролей. С увеличением температуры тройные и двойные молекулы распадаются, при 100 °С вода состоит главным образом из моногидролей.

Хотя изложенные представления о строении воды были пересмотрены (рис. 3), основные выводы об известном соответствии структур, возникающих из связанных между собой молекул в жидкой воде и во льду, получили подтверждение и при последующих исследованиях. В дальнейшем разными исследователями на основе результатов, полученных с помощью экспериментальных методов, были разработаны различные теории жидкого состояния воды, но ни одна из них не находится еще в достаточном согласии со всей совокупностью экспериментальных данных о свойствах воды. Можно считать, что в жидкой воде находятся в динамическом равновесии образования из тетраэдрически связанных молекул и частично или полностью свободных молекул. Химически чистая вода обладает рядом аномальных свойств:

1) при нагревании воды от 0 до 4°С ее объем не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность ее достигается не в точке замерзания (0°С), а при 4°С (точнее 3,98 °С);

2) вода при замерзании расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается;

3) температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как этого следовало бы ожидать;

4) удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с теплоемкостью других тел;

5) вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью, чем другие жидкости;

6) вода обладает самым большим поверхностным натяжением из всех жидкостей, за исключением ртути;

Поверхностное натяжение и плотность определяют высоту, на которую может подняться жидкость в капиллярной системе при фильтрации через пористые среды.

Причина перечисленных аномальных свойств воды заключается в особенностях строения ее молекул.

Вода как растворитель

Если поместить воду во внешнее электрическое поле, то молекулы ее под действием поля стремятся расположиться в пространстве так, как показано на рис. 4. Это явление называется ориентационной поляризацией, ею обладают вещества с полярными молекулами. Высокая полярность молекул воды является одной из важнейших причин ее высокой активности при многих химических взаимодействиях. Она же служит причиной и электролитической диссоциации в воде солей, кислот и оснований. С нею связана также и растворимость электролитов в воде.

Растворение есть не только физический, но и химический процесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя. Вода обладает способностью растворять многие вещества, т. е. давать с ними однородные физико-химические системы переменного состава (растворы). Растворенные в природных водах соли находятся в диссоциированном состоянии, в виде ионов. В твердом кристаллическом состоянии ионные соединения состоят из закономерно расположенных положительных и отрицательных ионов. Молекулы в этом случае отсутствуют. Так, например, в галите, как это определено рентгеновским структурным анализом, каждый ион Na+ окружен шестью ионами Сl-, а также ион Сl- шестью ионами натрия. Ионы взаимодействуют между собой, притягивая друг друга (ионная связь).

Если при этом энергия гидратации будет по сравнению с энергией кристаллической решетки достаточно велика, ионы будут оторваны от последней и перейдут в раствор.

В зависимости от природы вещества при его растворении обычно происходит выделение или поглощение тепла. Ионы растворенного вещества притягивают и удерживают вокруг себя определенное число молекул воды, которые образуют оболочку, называемую гидратной. Таким образом, в водном растворе ионы являются гидратированными, т. е. химически связанными с молекулами воды (рис. 6). При кристаллизации многих солей часть гидратной воды захватывается кристаллическими решетками. Подобную кристаллизационную воду содержит гипс CaSO₄*2H2O, мирабилит Na₂S0₄*10H₂0, сода Na₂CO₃*10Н₂О. Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами.

Растворимость солей

Как видим, растворимость многих солей очень высокая, за исключением сульфата и карбоната кальция. Однако при изучении природных вод относить CaSO₄ к слаборастворимым солям никак нельзя. Эту соль все же следует считать сравнительно высоко растворимой и некоторые почвоведы, не без основания, называют гипс хорошо растворимой солью.

Растворимость твердых веществ в воде зависит не только от их химической природы, но и от температуры (рис. 7), давления, измельченности (дисперсности) и от наличия в воде газов и примесей.

Как видно из табл. 1, растворимость хлористого натрия мало изменяется при повышении температуры от 0 до 60 °С. Растворимость же карбоната и сульфата натрия сильно возрастает.

К числу солей, понижающих свою растворимость с ростом температуры, относится CaSO₄. По мере возрастания давления растворимость в общем повышается, хотя и не намного. Поскольку в природных условиях давление меняется незначительно, влияние этого фактора на растворимость солей, за несколькими исключениями, сказывается слабо.

Как известно, растворимость данной соли уменьшается в присутствии другой соли, имеющей с ней одноименный ион, и, наоборот, повышается, если в растворе находятся неодноименные ионы. Например, пределы растворимости CaSO₄ в присутствии различных солей сильно меняются. При наличии в растворе большого количества хлористого натрия (порядка 100 г/л) растворимость CaSO₄ достигает 5-6 г/л.

Из главнейших солей минимальной растворимостью обладают карбонаты щелочных земель, но она увеличивается в несколько разнесли вода содержит двуокись углерода (СО₂).

Реакции эти носят обратимый характер и протекают до наступления определенного равновесия. В результате указанных реакций в воде появляются гидрокарбонаты кальция и магния. Следует отметить, что ни гидрокарбонаты кальция, ни гидрокарбонаты магния в твердом виде не существуют. Минерализация широко распространенных в природе гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод обычно достигает 500-600 мг/л. В присутствии больших количеств СО₂ растворимость Са(НСО₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ может превосходить 1 г/л (углекислые минеральные воды).

С ростом температуры растворимость гидрокарбонатов кальция и магния в значительной степени уменьшается и при 100°С падает практически до 0. При высокой температуре эти соли разлагаются с выделением СО₂ и выпадением карбонатов в осадок.

Отсюда следует, что гидрокарбонатные кальциевые и магниевые воды на глубинах, характеризующихся большими значениями температуры, существовать не могут.

Растворимость газов

Газы находятся в водах в виде молекулярных растворов. Природные газы представляют собой, как правило, газовые смеси, в которых можно различать главные и второстепенные компоненты. Растворимость газов в воде зависит от природы газа, температуры, давления и минерализации воды. Большой растворимостью в воде обладают сероводород и углекислый газ.

Зависимость растворимости газов от давления определяется законом Генри: растворимость газов в данном объеме жидкости (при постоянной температуре) прямо пропорциональна давлению газа

Ввиду различной растворимости составляющих газовую смесь компонентов химический состав свободного и находящегося с ним в равновесии растворенного газа неодинаков. Возьмем для примера атмосферный воздух. В нем содержится азота 78%, кислорода 21 % и отношение кислорода к азоту приблизительно составляет 1:4. При парциальном давлении кислорода 0,21, а азота 0,78 растворимость газов при t=0°C будет равна (в °/оо по объему):

Газы H₂S и H₂, парциальное давление которых в атмосферною воздухе близко к нулю, в нормальных условиях не могут накапли ваться в воде у поверхности водоемов.

Больше всего растворяется газов в пресных холодных водах, тогда как с увеличением минерализации растворимость газа уменьшается. Содержание газов в природных водах определяется также интенсивностью химических, биологических и гидрологических (перемешивание, вертикальная зимняя циркуляция и др.) процессов. Поэтому содержание многих газов (O₂, CO₂, N₂) часто выражают в процентах от их насыщающего количества. За насыщение принимают то количество газа, которое может растворяться в воде при данной температуре и минерализации (при сухом атмосферном воздухе и нормальном давлении).

Основные положения теории электролитической диссоциации. Ионное равновесие в растворе

Образовавшиеся при растворении солей ионные растворы обладают способностью проводить электрический ток, в то время как молекулярные растворы ток не проводят. Вещества, водные растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами. Процесс распада электролитов на ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией или ионизацией.

Сущность теории электролитической диссоциации сводится к следующим трем основным положениям:

а) все электролиты диссоциируют в растворах на положительно и отрицательно заряженные ионы;

Последнее обстоятельство заставляет в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставить знак обратимости. В растворах электролитов наряду с их ионами присутствуют молекулы.

Отношение числа диссоциированных молекул к общему числу растворенных молекул называется степенью диссоциации электролита. Не все электролиты обнаруживают одинаковую способность к диссоциации. Одни из них полностью распадаются на ионы, другие частично и в разной мере. Сильные электролиты при растворении в воде полностью диссоциируют на ионы. К ним относятся многие соли, минеральные кислоты, основания щелочных и щелочноземельных металлов. Слабые электролиты при растворении в воде лишь частично диссоциируют на ионы. К ним относятся почти все органические кислоты, некоторые минеральные кислоты, например Н₂СО₃, H₂S, H₂SiO₃, многие основания металлов. К слабым электролитам относится вода.

Кроме электролитов в растворе находятся и неэлектролиты, молекулы которых хотя и имеют гидратную оболочку, но настолько прочны, что не распадаются на ионы (0₂, N₂). Поскольку все реакции в водных растворах электролитов представляют собой взаимодействие ионов, уравнения этих реакций следует писать в ионной форме. В качестве примера можно привести уравнение реакции взаимодействия растворов хлорида бария BaCl₂ и сульфата натрия Na₂S0₄. Молекулярное уравнение этой реакции записывается так:

Несколько иначе записывается уравнение реакции между раствором хлорида калия КСl и раствором нитрата натрия NaNO₃. Так как эти вещества и продукты реакции хорошо растворимы в воде и не уходят из сферы реакции, то уравнение данной обратимой реакции записывается в молекулярной форме так:

Если сократить в обеих частях этого уравнения одинаковые ионы, то можно прийти к тождеству 0 = 0. Это говорит о том, что с точки зрения теории электролитической диссоциации данная реакция не протекает. Однако если выпарить такой раствор, то ионы соединятся в молекулы и будет получена смесь четырех солей.

Гидролизу подвержены соли слабых кислот и слабых оснований, слабых кислот и сильных оснований, сильных кислот и слабых оснований. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергаются.

Растворы, виды растворов

Однородность растворов и явления теплового эффекта при растворении приближает растворы к химическим соединениям. Возможность изменения концентрации растворенного вещества в широких пределах сближает растворы с механическими смесями. В зависимости от величины частиц растворенного вещества различают истинные и коллоидные растворы. Растворы называют истинными, когда растворенное вещество находится в них в ионизированном состоянии. В ионном растворе по принципу электронейтральности всегда содержатся равные количества эквивалентов катионов и анионов. В природных условиях ионные растворы образуются обычно при растворении простых солей.

В природе коллоидные растворы могут быть органическими и неорганическими. Последние образуются преимущественно при гидролитическом расщеплении различных силикатов, которые при гидролизе выделяют заключающиеся в них основания (щелочные и щелочно-земельные металлы), дающие начало истинным растворам. Но, кроме того, при гидролизе в раствор переходят кремний, железо, алюминий и другие металлы, образующие большей частью коллоидные растворы.

Источник