Химические свойства воды

Вода

Особенности положения в ПСЭ.

Водород. Общая характеристика.

Водород – самый распространенный элемент Вселенной. На Земле атомы водорода находятся в составе молекул воды, углеводородов и других органических соединений.

В ПСЭ водород занимает уникальное положение – его располагают в двух главных подгруппах (I и VII). По электронной конфигурации он формально относится к семейству s-элементов и имеет сходство со щелочными металлами. Степень окисления +1 (в большинстве соединений), обладает восстановительными свойствами.

H⁰ - 1ē → H⁺

В соединениях с металлами (гидридах) водород имеет степень окисления -1 и проявляет свойства солеобразующего аниона Н^- (подобно галогенам). Кроме того, в свободном состоянии водород представляет собой газ, состоящий из двухатомных молекул Н₂, что коренным образом отличает его от щелочных металлов и сближает с галогенами.

Исключительно высокая прочность связи в молекуле водорода обуславливает высокие энергии активации химических реакций с его участием, поэтому при обычных условиях молекулярный водород малоактивен. Для инициирования реакций требуется значительное нагревание или другие способы активации, например катализ. При этих условиях водород реагирует в большинстве случаев, проявляя восстановительные свойства.

Н₂ -2ē → 2Н⁺

Химические свойства водорода:

1. Взаимодействие с кислородом:

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О

При обычной температуре скорость реакции близка к нулю, но если поджечь водород, то он взаимодействует с кислородом воздуха в режиме горения.

Водород – горючий газ, смесь двух объемов Н₂ с одним объемом О₂ – «гремучий газ».

2. Взаимодействие с другими неметаллами (кроме Р, Si). Образуются гидриды неметаллов – летучие водородные соединения.

Н₂ + Сl₂ → 2HCl (при освещении)

Н₂ + F₂ → 2HF (при обычной t)

Н₂ + S → H₂S (при t>600°)

3Н₂ + N₂ →2NH₃ (при жестких условиях: давлении, температуре, катализаторе)

3. Взаимодействие с металлами:

При взаимодействии водорода с расплавленными металлами под давлением образуются гидриды Ме. Водород – окислитель.

Н₂ + 2ē → 2Н^- :

Н₂ + 2Na → 2NaH (t, P)

Н₂ + Ca → CaH₂ (t, P)

4. Взаимодействие с оксидами:

Водород восстанавливает некоторые Ме и НеМе из их оксидов.

Н₂ + СuO→ Cu + H₂O (t)

2Н₂ + SO₂→ S + 2H₂O (t)

3Н₂ + WO₃→ W + 3H₂O (t)

Вода – важнейшее соединение водорода. Физические и химические свойства воды определяются химическим, электронным и пространственным строением молекул Н₂О. Атомы водорода и кислорода в молекуле Н₂О находятся в своих устойчивых степенях окисления, соответственно +1 и –2, поэтому вода не проявляет ярко выраженных окислительных или восстановительных свойств.

Молекула воды имеет угловое строение. Связи Н-О очень полярны. На атоме кислорода существует избыточный отрицательный заряд, а на атомах водорода – избыточные положительные заряды. В целом молекула Н₂О является полярной, то есть диполем. Этим объясняется тот факт, что вода является хорошим растворителем для ионных и полярных веществ.

Наличие избыточного заряда на атомах Н и О, а также неподеленных электронных пар у атомов О обуславливает образование между молекулами воды водородных связей, вследствие чего они объединяются в ассоциаты. Существованием этих ассоциатов (водородных связей) объясняются аномально высокие значения температуры кипения и плавления воды.

…Н^+δ ─ О^-δ … Н^+δ ─ О^-δ … Н^+δ ─ О^-δ …

│ │ ‌ │

H^+δ H^+δ H^+δ

Наряду с образованием водородных связей, результатом взаимного влияния молекул Н₂О друг на друга является их самоионизация: в одной молекуле происходит гетеролитический разрыв полярной связи О-Н и освободившийся протон присоединяется к атому кислорода другой молекулы. Образующийся ион гидроксония Н₃О⁺ по существу является гидратированным ионом водорода:

Н₂O + Н⁺-ОН^- ↔ Н₃O⁺ + ОН^-

Упрощенное уравнение самоионизации воды записывается так:

Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^-

Это означает, что вода представляет собой очень слабый амфотерный электролит, не проявляющий в заметной степени ни кислотных, ни основных свойств.

1. Реакции, в которых вода играет роль окислителя.
Эти реакции возможны только с сильными восстановителями:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂ (t)

C + H₂O → CO + H₂ (t)

2. Реакции, в которых вода играет роль восстановителя.
Эти реакции возможны только с сильными окислителями:

2H₂O + 2F₂ → O₂ + 4HF

2H₂O + 2Cl₂ → O₂ + 4HCl

3. Некоторые ионы образуют столь прочные связи с молекулами воды, что их гидраты могут существовать не только в растворе, но и в твердом состоянии. Этим объясняется образование кристаллогидратов типа CuSO₄•5H₂O, FeSO₄•7H₂O, а также аквакомплексов: [Cr(H₂O)]Cl₃, [Pt(H₂O)]Br₄ и другие.

Природная вода – вода природных водоемов. Она представляет собой естественные растворы, в которых состав и количество растворенных веществ колеблется в широких пределах. Природная вода, в которой содержание растворенных веществ колеблется от 0,1 до 5%, называется минеральной.

В медицине и фармации используют дистиллированную и апирогенную воду. Для получения дистиллированной воды используется многократная перегонка.

Апирогенная вода – вода, не содержащая веществ, вызывающих при парентеральном введении в организм повышение температуры тела. Применяется для приготовления инъекционных растворов.