Химическая активность воды.

Лекція № 5 Загальне уявлення про дисперсні системи.

Мета лекції:Пояснити поняття дисперсної системи, та її класифікацію. Навчиться розраховувати концентрації розчинів в залежності від завданих параметрів.

Методичне забезпечення та устаткування:комп’ютер, телевізор, електронний набір матеріалів до теми (схеми, рухомі моделі, мікрофільми з дослідами)

План лекції:

Вступ. Загальні відомості про воду, як універсальний розчинник.

1. Дисперсные системы

2. Истинные растворы

3. Растворимость веществ

4. Способы выражения концентрации

Вступ

Распространение в природе.

Самое распространенное вещество на Земном шаре . Ее объем превышает 1,4 млрд. км³. Она закрывает около 70 % поверхности Земли.

Если выровнять все горы и долины и собрать всю воду на поверхности Земли, то получился бы слой толщиной около 4 км. Однако 98 % воды содержат примеси солей, что делает ее не пригодной для питья, орошения и многого другого. Пресная вода составляет лишь 2 % от общего объема.

Основное количество пресной воды сковано во льдах.

Количество доступной для человека воды составляет около 0,007 % . В значительных количествах вода входит в состав тела живого организма. Организм человека содержит например около 70 % воды., причем в крови ее – 80 %, в мускулах – 35 %, в костях – 25 %.

Организм рыб на 80 5 состоит из воды, земноводных на 60 %. Если организм человека теряет в виде воды 12 % массы тела, наступает смерть.

Состав воды

Вода очень стойкое соединение. При нагревании закипает, превращаясь в пар, который заметно не разлагается даже при температуре 1000 ºС. при охлаждении пар конденсируется превращаясь снова в воду. При снижении температуры превращается в лед, который при таянии дает снова воду.

Поэтому воду долго считали простым веществом. В 1784 г. Кавендиш получил воду сжиганием смеси водорода и кислорода:

2Н₂ + О₂ = 2 Н₂О

Взаимодействие двух молей водорода и одного моля кислорода дает два моля воды, горение сопровождается взрывом большой мощности. Поэтому такую смесь называют гремучим газом.

Физические свойства воды:

Вода не имеет вкуса и запаха, прозрачна, в толстых слоях вода принимает голубоватый оттенок. Вода единственное вещество на планете, которое в земных условиях может находится одновременно в трех агрегатных состояниях. Огромные массы воды перемещаются в атмосфере в виде пара. Испарение воды происходит как при положительной так и при отрицательной температуре. Поэтому зимой испаряется снег ( около 30 %), высыхает на морозе белье.

Многие физико – химические свойства воды приняты за эталон. Температура таяния льда при давлении 101,325 кПа ( 760 мм рт.ст, 1 атм.)( это давление принято называть нормальным) принята за нулевую точку, а температура кипения при этом же давлении – за 100 градусов шкалы Цельсия.

Теплоемкость воды принята за единицу. Благодаря высокой теплоемкости воды океаны, моря, реки и озера, поглощая летом огромное количество солнечной энергии и отдавая ее зимой в окружающее пространство, смягчают климат Земли. Около 20 % солнечной энергии получаемой Землей , расходуется на испарение воды с поверхности Земли.

Вода обладает исключительно большой скрытой теплотой испарения, значительной теплотой плавления, огромным поверхностным натяжением, высокой диэлектрической проницаемостью и другими аномальными свойствами. Аномально изменяется плотность воды при охлаждении. Большинство известных веществ при переходе из жидкого состояния в твердое уменьшаются в объеме, при этом увеличивается их плотность. Вода исключение – при переходе из жидкого в твердое состояние ее плотность уменьшается.

Все эти аномальные свойства объясняются особенностями строения молекулы воды.

Структура молекулы воды.

В состав молекулы воды ( Н₂О) входят два атома водорода и один атом кислорода. Этой формуле с учетом известных изотопов водорода и кислорода могут отвечать 36 разновидностей воды, из которых 9 включают стабильные изотопы водорода и кислорода, встречающиеся в природе : протий ( ); дейтерий ( , D) ; ; ; . Химически чистая вода состоит в основном ( на 99,7 %) из молекул, включающих протий и кислород . Молекулярная масса воды должна быть равной 18 а.е.м. на практике оказалось, что только в парообразном состоянии молекулярная масса воды равна 18 а.е.м. Молекулярная масса жидкой воды больше, чем парообразной, что указывает на наличие сложных молекулярных агрегатов: димерных, тримерных, тетрамерных и более сложных молекул. Для воды справедливо равновесие

х Н₂О ↔ (Н₂О)_х

Ассоциация молекул воды происходит вследствие образования между молекулами воды водорордных связей. Возможность образования водородных связей обусловлена структурой молекул воды, т.е. структурой и размерами атомов кислорода и водорода. Ядра атомов водорода и кислорода в молекуле Н₂О образуют равнобедренный треугольник, в вершине которого находится ядро атома кислорода, а в основании меньшие по диаметру ядра водорода.

О

0,096 нм 0,096 нм

Н Н

Угол между связями НОН близок к тетраэдрическому.

Химическая активность воды.

Проявляется в ее реакциях со щелочными и щелочноземельными металлами, их оксидами, активными неметаллами и большинством кислотных оксидов.

Вода очень сильный полярный растворитель.Вода бовольно инертный растворитель многих органических и неорганических веществ. Все существующие в природе тела содержат растворенную или адсорбированную воду, даже если в их составе нет химически связанной воды.

Тяжелая вода.

В обычной воде 0,02 % примесей составляет тяжелая вода D₂O. Вследствие большой разницы между атомной массой дейтерия и протия константы тяжелой воды и обычной различны.

Дисперсные системы.

Система, в которой одно вещество в виде мелких частиц распределено в другом веществе, называется дисперсной системой. Агрегатные состояния распределенного вещества и среды, а также размеры частиц определяют свойства этих систем. Распределенное вещество в зависимости от его плотности поднимается или выпадает в осадок. Этот процесс носит название седиментация.

Дисперсные системы, содержащие частицы размером более 100 мм, называют взвесями. В зависимости от агрегатного состояния диспергированного вещества такие системы подразделяют на суспензии и эмульсии.

Дисперсные системы, состоящие из жидкости, в которой распределено твердое вещество, называют суспензиями.

Если в одной жидкости распределены мелкие капельки другой жидкости, то такие системы называют эмульсиями.

Если распределенное вещество существует в дисперсной системе в виде отдельных молекул или ионов, то система очень устойчива и сохраняется сколько угодно долго. Такие системы называют истинными ( молекулярными или ионными) растворами. Размер молекул частиц не превышает 1 мкм.

Дисперсные системы, содержащие частицы размером от 1 мкм до 100 мкм, называют коллоидными растворами или волями. Устойчивость этих систем зависит от размера частиц, их свойств, а также свойств растворителя. Коллоидные частицы могут слипаться, образуя коагуляты. Этот процесс называют коагуляцией.

Частицы большинства взвесей видимы в микроскоп, частицы коллоидных растворов – только в ультрамикроскоп. Между рассматриваемыми системами не существует резких границ.

Истинные растворы.

При контакте с водой многие газы, жидкости, твердые вещества растворяются в ней.

При растворении вещества в воде (или другом растворителе) образуется однородная гомогенная система. Раствором называют однородную гомогенную систему состоящую из двух или более компонентов. Растворы могут быть жидкими, твердыми и газообразными.

При растворении вещества происходит два процесса: взаимодействие растворителя с частицами растворенного вещества и разрушение структуры растворяемого вещества. Оба процесса связаны с изменением энергии системы вещество – растворитель. На разрушение структуры растворяемого вещества затрачивается определенная энергия, а при взаимодействии растворителя с частицами растворенного вещества энергия выделяется. В зависимости от соотношения величин этих тепловых эффектов процесс растворения может быть экзо – эндотермическим.

Теплота растворения различных веществ различна.

Ранее существовали две теории растворов: физическая и химическая. Согласно первой растворы рассматривали как механические смеси, согласно второй – как нестойкие химические соединения частиц растворенного вещества и растворителя.

Соединения , образующиеся в результате присоединения растворителя к веществам называют сольватами (если в качестве растворителя используют воду, соединения называют гидратами). При недостаточном количестве воды твердые вещества, присоединяя воду, остаются в твердом состоянии. Такие вещества называют кристаллогидратами.

Растворимость веществ.

Процесс растворения всегда сопровождается диффузией, т.е. перемещением молекул или ионов из областей более концентрированного раствора в области с меньшей концентрацией. Этот процесс происходит до тех пор пока концентрация данного вещества в растворе не доходит до определенной величины, при которой наступает состояние равновесия:

А ↔ АВ

Твердая фаза Раствор

Процесс растворения двунаправленный или равновесный. С увеличением концентрации раствора замедляется установление равновесия.

Если количество вещества, переходящего в раствор за единицу времени, равно количеству вещества, выделяющегося за то же время в твердую фазу, то это означает, что произошло насыщение раствора; раствор отвечающий такому состоянию называют насыщенным; концентрация насыщенного раствора при данной температуре – величина постоянная.

При понижении температуры изменяется и концентрация насыщенного раствора. При понижении температуры насыщенного раствора в определенных условиях растворенное вещество может не выпадать в осадок и концентрация раствора может оказаться выше, чем насыщенного раствора при данной температуре – образуется перенасыщенный раствор.

Насыщенные растворы являются стабильными системами, т.е. они могут существовать при данной температуре без изменения концентрации сколь угодно долго. Перенасыщенные растворы не стабильны: достаточно перемешать такой раствор или бросить кристалл растворенного вещества как начнет образовываться твердая фаза. Этот процесс будет продолжаться до достижения концентрации вещества концентрации раствора. Растворы содержащие меньше вещества, чем необходимо для насыщения, называют ненасыщенными.

Процесс выделения твердого вещества из раствора называют кристаллизацией.