Вода

Вода (гідроген оксид) – бінарна неорганічна сполука, яка складається з двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену H₂O.

Вода є найпоширенішою в природі і найважливішою для людини сполукою. Біля 71 % поверхні Землі вкрито водою – 361,13 млн км². Загальна кількість води на Землі становить близько 1500 млн км³, або 1/4500 маси земної кулі.

Будова

Молекула води має кутову будову (тип AB₂E₂ по Гіллеспі) з кутом HOH 104,5°, близьким до тетраедричного. Тому згідно методу валентних зв’язків вважають, що атом Оксигену знаходиться в стані sp³-гібридизації. Молекули води полярні (диполі). Дипольний момент 1,84 D.

Вода володіє багатьма унікальними властивостями, які відрізняють її від бінарних сполук з Гідрогеном елементів 16 групи. Причиною високих значень температур плавлення і кипіння, ентальпії і ентропії випаровування, поверхневого натягу є здатність молекул води утворювати міцні асоціати за рахунок неподілених електронних пар.

В гексагональній структурі льоду кожна молекула H₂O зв’язана з трьома сусідніми молекулами за допомогою водневих зв’язків. В результаті такої сильної міжмолекулярної взаємодії утворюється міцний каркас. Кожна молекула води в каркасі бере участь в утворенні двох водневих зв’язків, використовуючи обидві неподілені електронні пари. Під час плавлення руйнується каркас за рахунок майже повного розриву одного з двох водневих зв’язків. При 0 °С водневі зв’язки рвуться лише на 15 %, тобто окремі фрагменти каркасу ще зберігаються. Частина молекул води, яка утворилась при руйнуванні асоціатів, попадає в пустоти всередині фрагментів каркасу, які лишились. Це призводить до аномального росту густини при температурі від 0 до 4 °С. Густина води при 4 °С досягає максимуму. Подальше нагрівання призводить до повного руйнування каркасу на менші асоціати, наприклад (H₂O)₆.

В рідкій воді вище 4 °С міжмолекулярна взаємодія забезпечується лише однією неподіленою парою електронів і кожна молекула води зв’язана лише з трьома сусідніми. Об’ємна система водневих зв’язків зберігається в рідкій воді аж до температури кипіння. Пара в основному складається з неасоційованих молекул H₂O лише з невеликим вмістом димерів (H₂O)₂.

Фізичні властивості

Чиста вода – прозора, рухома, безбарвна за звичайних умов рідина, яка не має ні запаху, ні смаку. За температури 3,98 °С вода має найбільшу густину, яка умовно прийнята за одиницю густини 1 г/см3. Електропровідність води мізерна, та все ж чутлива щодо вимірювання, яка порівняно з електропровідністю 1 М розчину НCl менша у 10⁷ разів. Отже, вода дуже незначною мірою дисоціює на йони.

Вода має величезну теплоємність. Кількістю теплоти, що виділяється під час охолодження 1 м³ води на 1 °С, можна нагріти 1000 м³ повітря на 3 °С. Цей процес відбувається в природі, коли настає холодна пора. Нагріта влітку вода океанів і морів, поступово охолоджуючись, нагріває величезні об’єми повітря і перешкоджає різкому зниженню температури.

Вода є прекрасним розчинником багатьох неорганічних та органічних речовин. Розчинність газів, рідин і твердих речовин великою мірою залежить від їхньої природи. Майже всі гази, які складаються з полярних молекул добре розчиняються у воді. Розчинність газів зростає зі збільшенням їх тиску та температури.

Розчинність у воді рідин в основному залежить від характеру молекул, з яких вони складаються. Полярні рідини зазвичай добре розчиняються у воді.

З неорганічних солей добре розчиняються у воді нітрати, переважна більшість хлоридів і сульфатів. Вода є ідеальним середовищем для перебігу різноманітних хімічних реакцій. Часто вона виявляє каталітичну дію.

Хімічні властивості води

Відносно нагрівання вода є досить стійкою сполукою. Вона практично не розкладається під час нагрівання до температури 1200 °С. За температури 5000 °С вода розкладається з вибухом.

Присутність у воді йонів Гідрогену (точніше, гідроксонію H₃O⁺) і гідроксиду (OH^–) зумовлює її специфічні властивості: вода може виконувати функції слабкої кислоти і слабкої основи.

1. Приєднання основних та кислотних оксидів з утворенням основ та кислот

Na₂O + H₂O = 2NaOH

BaO + H₂O = Ba(OH)₂

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄

2. Приєднання до основ, кислот і солей з утворенням кристалогідратів

KOH + H₂O = KOH•H₂O

H₂SO₄ + 2H₂O = H₂SO₄•2H₂O

CuSO₄ + 5H₂O = CuSO₄•5H₂O

Розчин і його компоненти. Кількісний склад розчину

Якщо відкрити пляшку з газованою водою, то спостерігається інтенсивне виділення газу, тобто складовими цього розчину є вода й вуглекислий газ. Фізіологічний розчин — це розчинений у воді натрій хлорид NaCl.

Як бачимо, кожного разу вода с розчинником. Речовину, що розчиняється, називають розчиненою речовиною. Розчинних речовин може бути декілька.

Розчинник і розчинена речовина утворюють розчин. Вищесказане можна записати формулою  m (розчину) = m (розчинника) + m (розчиненої речовини), де m — маса.

Характерною ознакою кожного з розчинів є їх однорідність 

Розчин — це однорідна суміш, яка складається з розчинника та розчиненої речовини.

Як визначити, розчинними чи нерозчинними у воді с найпоширеніші речовини? Учені на основі практичних досліджень створили довідкову таблицю, що дістала назву «Таблиця розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді за температури 20-25 °С» (див. форзац 2 підручника). У цій таблиці у верхньому горизонтальному рядку й першому вертикальному стовпчику зазначено частинки, з яких утворені сполуки. На перетині їх стоять літери: «Н» — нерозчинна, «Р» — розчинна і «М» — малорозчинна сполука. Так класифікують речовини за їх розчинністю.

    Масова частка розчиненої речовини. У практичній діяльності здебільшого використовують розчини, що містять відповідну кількість (масу) розчиненої речовини. Уміст речовини в розчині визначають масовими частками.

Масова частка розчиненої речовини W — це відношення маси цієї речовини до маси розчину.

Математичний вираз масової частки записують так:

W =  ∙ 100%

де W (дубль-ве) — масова частка, виражена у відсотках або в частках від одиниці. Наприклад, якщо масова частка

речовини в розчині становить 0,1 або 10 %, то це означає, що в розчині масою 100 г міститься розчинена речовина масою 10 г.

- Поясніть, що ви розумієте під виразами: масова частка цукру в розчині становить 0,25; масова частка натрій хлориду в розчині становить 15 %.

На практиці треба володіти вміннями приготувати розчин із заданою масовою часткою розчиненої речовини.

- Пригадайте з курсу природознавства, як виготовити такий розчин.

Продемонструємо, як виготовляють розчини із заданою масовою часткою розчиненої речовини.

Приклад 1. Приготуйте розчин масою 120 г, з масовою часткою цукру 25 %.

Щоб виготовити цей розчин, виконаємо такі дії.

1. Обчислимо, які маси цукру та води треба взяти для приготування розчину. Користуючись формулою, знайдемо масу речовини:

 =  ∙ W;

 =  = 30г.

2.    Відважимо цукор масою 30 г, висилимо в склянку.

3. Обчислимо масу води: 120 г - 30 г = 90 г, що для води відповідає об’єму 90 мл.

- З’ясуйте, чому треба взяти 90 г або 90 мл води.

4. У склянку з цукром доллємо відповідний об'єм води. Перемішаємо вміст скляною паличкою до повного розчинення цукру.

Приклад 2. Обчисліть масову частку речовини в розчині, якщо у воді масою 250 г розчинили натрій сульфат масою 50 г.

Розв’язання

1. Знайдемо масу розчину: 250 г + 50 г = 300 г.

2. Знайдемо масову частку речовини в розчині:            W =  ∙ 100 %, W = 16,66%.

Як виготовити такий розчин? Відважимо на терезах сіль (натрій сульфат) масою 50 г і висилимо в склянку. Відміряємо мірним циліндром 250 мл води і доллємо в склянку з сіллю. Перемішуємо суміш до повного розчинення солі.

Такі розрахунки використовують під час виготовлення розчинів лікарських препаратів, маринадів для консервування продуктів харчування.

Лабораторний дослід 4    Виготовлення водних розчинів із заданими масовими частками розчинених речовин

Виконайте (на вибір) запропоновані вам досліди з виготовлення водних розчинів калій сульфату, натрій карбонату й лимонної кислоти. 

Варіант І. Виготовте розчин калій сульфату K₂SO₄ масою 50 г з масовою часткою речовини 20 %.

Варіант II. Виготовте розчин натрій карбонату Nа₂СО₃ масою 60 г з масовою часткою речовини 0,15.

Варіант III. Виготовте розчин цукрози С₁₂ Н₂₂О₁₁ масою 80 г з масовою часткою речовини 4 %. Обчисліть, яку масу води треба долити, щоб отримати розчин з масовою часткою 0,2. Виготовте такий розчин.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

•   Розчин — це однорідна суміш, яка складається з розчинника та розчиненої речовини. Як розчинник широко використовують воду.

•   Кількісною характеристикою розчину є масова частка розчиненої речовини в розчині W — відношення маси цієї речовини до маси розчину. Масова частка виражається в частках від одиниці або відсотках.

•   Розчини мають велике практичне значення для людини, тому важливо вміти виготовляти їх самостійно. Для цього, крім масової частки речовини в розчині, необхідно вміти обчислювати масу речовини й масу води.

ДОСЛІДЖУЄМО ВДОМА

Під час захворювань для підтримки організму в кров уводять фізіологічний розчин — 0,85-процентний розчин натрій хлориду. Виготовте такий розчин масою 500 г. Здійсніть відповідні обчислення .