Химические свойства воды

Очень многие химические реакции протекают только в присутствии воды. Так, окисление кислородом не происходит в сухих газах, металлы не реагируют с хлором и т.д.

Многие соединения всегда содержат определенное число молекул воды и называются поэтому гидратами. Природа образующихся при этом связей может быть разной. Например, в пентагидрате сульфата меди, или медном купоросе CuSO₄×5H₂O, четыре молекулы воды образуют координационные связи с ионом сульфата, разрушающиеся при 125° С; пятая же молекула воды связана так прочно, что отрывается лишь при температуре 250° С. Еще один стабильный гидрат – серная кислота; она существует в двух гидратных формах, SO₃×H₂O и SO₂(OH)₂, между которыми устанавливается равновесие. Ионы в водных растворах тоже часто бывают гидратированы. Так, Н⁺ всегда находится в виде иона гидроксония Н₃О⁺ или Н₅О₂⁺; ион лития – в виде Li (H₂O)₆⁺ и т.д.

Элементы как таковые редко находятся в гидратированной форме. Исключение составляют бром и хлор, которые образуют гидраты Br₂×10 H₂O и Cl₂×6H₂О. Некоторые обычные гидраты содержат кристаллизационную воду, например хлорид бария BaCl₂×2H₂O, английская соль (сульфат магния) MgSO₄×7H₂O, питьевая сода (карбонат натрия) Na₂CO₃×10H₂O, глауберова соль (сульфат натрия) Na₂SO₄×10H₂O. Соли могут образовывать несколько гидратов; так, сульфат меди существует в видеCuSO₄×5H₂O, CuSO₄×3H₂O и CuSO₄×H₂O. Если давление насыщенного пара гидрата больше, чем атмосферное давление, то соль будет терять воду. Этот процесс называется выцветанием (выветриванием). Процесс, при котором соль поглощает воду, называется расплыванием.

Гидролиз – это реакция двойного разложения, в которой одним из реагентов является вода; трихлорид фосфора PCl₃ легко вступает в реакцию с водой:

PCl₃ + 3H₂O = P(OH)₃ + 3HCl

Аналогичным образом гидролизуются жиры с образованием жирных кислот и глицерина.

Вода – полярное соединение, а потому охотно вступает в электростатическое взаимодействие с частицами (ионами или молекулами) растворенных в ней веществ. Образовавшиеся в результате сольватации молекулярные группы называются сольватами. Слой молекул воды, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения, составляет сольватную оболочку. Впервые понятие сольватации было введено в 1891 И.А.Каблуковым.

Вода – весьма активное в химическом отношении вещество.

1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH (бурно)

2K + 2H2O = H2 + 2KOH (бурно)

3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4 (только при нагревании)

Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.

Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

C + H₂O = H₂ + CO (при сильном нагревании)

CH₄ + 2H₂O = 4H₂ + CO₂ (при сильном нагревании)

2) Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем:

3) Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

SO2	+	H2O	=	H2SO3
				сернистая кислота
SO3	+	H2O	=	H2SO4
				серная кислота
CO2	+	H2O	=	H2CO3
				угольная кислота

4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой. Примеры таких реакций мы уже встречали:

CaO	+	H2O	=	Ca(OH)2
				гидроксид кальция (гашеная известь)

Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Мы уже встречались с такими оксидами. Это ZnO, TiO2, Cr2O3, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней.

5) Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемыегидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом. Например:

CuSO4	+	5 H2O	=	CuSO4∙5H2O
вещество белого цвета (безводный сульфат меди)				кристаллогидрат (медный купорос), синие кристаллы

Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.

6) Особая реакция воды – фотосинтез - синтез растениями крахмала (C6H10O5)n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

6n CO₂ + 5n H₂O = (C₆H₁₀O₅)n + 6n O₂ (при действии света)