Вода хороший растворитель потому что она образует
Вода как растворитель играет предельно важную роль далеко не только в плане нашего быта. Исследователи давно говорят, что данное волшебное соединение является основой для образования жизни вообще. И именно поэтому его наличие выступает обязательным условием для существования чего-то более сложного, нежели неживая природа.
Растворимость тех или иных химических элементов напрямую связана с существованием воды, так как она чаще всего выступает той средой, которая преобразует все вокруг себя и создает новые формы органической и неорганической материи.
Человек примерно на 70% состоит из воды (имеется ввиду кровь, межклеточная жидкость, плазма крови и прочие вещества), у большинства других существ этот показатель колеблется от 50 до 95%. Очевидно, что свойства данного соединения оказывают решающую роль на происходящие вокруг нас и внутри нас процессы синтеза, регенерации и многие другие.
Это универсальный растворитель, который буквально формирует окружающий мир, постоянно преображает и обновляет его!
Свойства воды как растворителя
Вода – сложное вещество, отличающееся многими уникальными характеристиками, которые нельзя встретить больше нигде.
Она способна растворить большую часть существующих в природе комплексных соединений, содержащих в своей структуре молекулы как с положительными, так и отрицательными ионами одновременно.
При проведении так называемых кинетических исследований все растворы также изготавливаются на основе H2O.
Яркий пример особенности воды – при схожести по своей структуре с метаном CH4, она имеет температуру кипения выше на целых 250 0 С!
Важную роль играет также ее способность выступать одновременно либо донором, либо акцептором частиц водорода, благодаря чему проходят многие химические процессы. Химия говорит нам еще и о том, что вода выступает идеальным растворителем для диссоциирующих соединений.
Интересно отметить, что по причине высокого уровня диэлектрической проницаемости, вода отлично экранирует электрические поля ионов друг от друга. Благодаря этому притяжение противоположно заряженных частиц в воде снижается примерно в 80 раз.
Какие вещества растворяются в воде
Даже если школьник ходит только в 3 класс, он наверняка может привести примеры материалов, которые боятся контакта с водой, или, другими словами, растворяются в ней и теряют свои свойства.
Вот перечень только некоторых веществ такого типа:
К хорошо растворимым относятся: соль, сахар, сода, хлориды, щелочные металлы и нитраты, а также бромиды. Воздух также претерпевает изменения при контакте с жидкой средой. Крахмал полностью растворим, спирт тоже.
Есть и такие материалы, которые являются нерастворимыми: сульфид меди, стекло, золото, керосин, серебро, растительный жир и многие другие. Правда, при некоторых условиях даже они не способны устоять от такого мощного воздействия.
В организме человека есть целая группа витаминов (С, В1, 2, 3(РР), В12 и другие), которые способны оказывать свое положительное воздействие на здоровье только в контакте с H2O. Это касается также и фолиевой кислоты, биотина и т. д.
Что не растворяется в воде
Существуют такие химические образования, которые не воспринимают воздействия воды в качестве растворителя совсем.
Хороший пример: углерод С, который находится в простом карандаше, многие металлы и сплавы, типа алюминия, а также золото, серебро, медь.
Такая ситуация складывается благодаря тому, что между молекулами и атомами нерастворимых веществ действуют сильные связи, которые водород разрушить не в состоянии. Полярное состояние молекулы также способствует большей прочности материала, который состоит из таких частиц.
Многие вещи, которые мы видим вокруг себя в быту, также являются нерастворимыми. Очень популярный пример – пластик.
В мировом океане плавает огромное пятно из пластикового мусора, которое ежегодно растет, и количество пластмассы там совершенно не желает уменьшаться естественным путем. Его не могут никак переработать, что очень плохо для всей экосистемы.
Именно поэтому экологи бьют тревогу и в ЕС уже сейчас планируется отказ от целлофановых пакетов, пластиковых стаканчиков и трубочек и тому подобные меры.
Значение воды как растворителя
Как уже упоминалось в начале статьи, рассматриваемые свойства воды являются ключевыми для всей живой и неживой природы нашей планеты.
Если бы она не обладала этими характеристиками, то большинство химических процессов на Земле, в живых организмах, в органической природе бы просто остановилось. Картинка такого мира была бы очень неутешительна – темная пустыня без признаков жизни.
Роль воды настолько огромна, что именно ее определение в далеких планетах и галактиках является для астрономов основным занятием в надежде когда-то отыскать там если не разумное существование, то хотя бы зачатки жизни.
Каково значение воды как растворителя
Строение воды
Вода — уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой.
У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью.
Каждая из присоединённых к данной молекул воды сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть «полимеризацией». Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то «полимеризация» приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца. Наименьшее кольцо, по-видимому, может состоять из четырёх молекул, но величина угла 90° делает водородные связи крайне напряжёнными. Практически ненапряжёнными должны быть пятизвенные кольца (угол 108 о ) шестизвенные (угол 120° ), также как и семизвенные – напряжённые.
Рассмотрение реальных структур гидратов показывает, что, действительно, наиболее устойчиво шестизвенное кольцо, находимое в структурах льдов. Плоские кольца являются привилегией клатратных гидратов, причём во всех известных структурах чаще всего встречаются плоские пятизвенные кольца из молекул воды. Они, как правило, чередуются во всех структурах клатратных гидратов с шестизвенными кольцами, очень редко с четырёхзвенными, а в одном случае — с плоским семизвенным.
В целом структура воды представляется как смесь всевозможных гидратных структур, которые могут в ней образоваться.
Уникальные свойства воды интересуют людей с древнейших времен. Это единственное вещество на Земле, которое при нормальных для человека условиях может находится сразу в трех агрегатных состояниях — жидком, твердом и газообразном.
Лед, плотность, кристаллизация. При замерзании плотность воды уменьшается, поэтому лед всплывает. Благодаря этому уникальному свойству воды озера и реки не промерзают до дна, и водные обитателимогут пережить зиму.
Уменьшение плотности льда происходит вследствие увеличения объема. Именно поэтому замерзающая вода рвет водопроводные трубы.Вода может быть переохлаждена до отрицательных температур без перехода в твердое состояние. Однако при малейшем сотрясении или попадании каких-либо частиц переохлажденная вода быстро превращается в лед. Посторонние частицы, пузырьки воздуха в этом случае становятся центрами кристаллизации.
Высокая скрытая теплота испарения воды спасает водоемы от быстрого высыхания жарким летом. А высокая скрытая теплота плавления защищает нас весной от слишком быстрого таяния огромного количества снега, скопившегося за зиму.
Растворитель. Вода является универсальным растворителем. Это качество объясняется особым строением молекулы воды. Молекулы сильно поляризованы, благодаря чему легко входят во взаимодействие с молекулами других веществ. Именно свойство сильного растворителя затрудняет получение абсолютно химически чистой воды.
Высокое поверхностное натяжение воды наблюдал каждый из нас. Вспомните, как по поверхности пруда бегают водомерки. Даже не очень тяжелый предмет из несмачиваемого материала может оставаться на поверхности воды. В отсутствии гравитации капля воды стремится принять идеальную форму шара. Кстати, еще одно полезное свойство воды — способность поглощать микроволновое излучение — позволяет нам разогревать продукты в микроволновой печи.
Видео
Круговорот воды
Вода рек, морей, озер постоянно испаряется, превращаясь в мельчайшие капли водяного пара. Капли собираются вместе, образуя облака, из которых вода проливается на землю в виде дождя. В этом состоит круговорот воды в природе. В облаках пар охлаждаемся и возвращается на землю в виде дождя, снега или града. Сточные воды из канализации и с заводов очищаются и затем сбрасываются в море.
Водонапорная станция
Особенности талой воды
Уже небольшое нагревание (до 50-60° С) приводит к денатурации белков и прекращает функционирование живых систем. Между тем охлаждение до полного замерзания и даже до абсолютного нуля не приводит к денатурации и не нарушает конфигурацию системы биомолекул, так что жизненная функция после оттаивания сохраняется. Это положение очень важно для консервирования органов и тканей предназначенных для пересадки. Как указывалось выше, вода в твёрдом состоянии имеет другую упорядоченность молекул, чем в жидком и после замерзания и оттаивания приобретает несколько иные биологические свойства, что послужило причиной применения талой воды с лечебной целью. После оттаивания вода имеет более упорядоченную структуру, с зародышами клатратов льда что позволяет ей взаимодействовать с биологическими компонентами и растворёнными веществами, например с другой скоростью. При употреблении талой воды в оганизм попадают мелкие центры льдоподобной структуры, которые в дальнейшем могут разрастись и перевести воду во льдоподобное состояние и тем самым произвести оздоравливающее действие.
Что не растворяется в воде
Существуют такие химические образования, которые не воспринимают воздействия воды в качестве растворителя совсем.
Хороший пример: углерод С, который находится в простом карандаше, многие металлы и сплавы, типа алюминия, а также золото, серебро, медь.
Такая ситуация складывается благодаря тому, что между молекулами и атомами нерастворимых веществ действуют сильные связи, которые водород разрушить не в состоянии. Полярное состояние молекулы также способствует большей прочности материала, который состоит из таких частиц.
Многие вещи, которые мы видим вокруг себя в быту, также являются нерастворимыми. Очень популярный пример – пластик.
В мировом океане плавает огромное пятно из пластикового мусора, которое ежегодно растет, и количество пластмассы там совершенно не желает уменьшаться естественным путем. Его не могут никак переработать, что очень плохо для всей экосистемы.
Именно поэтому экологи бьют тревогу и в ЕС уже сейчас планируется отказ от целлофановых пакетов, пластиковых стаканчиков и трубочек и тому подобные меры.
Жесткая вода
В жесткой воде растворены минералы, попавшие туда из горных пород, по которым текла вода. 
В такой воде мыло плохо мылится, потому что оно вступает в реакции с минералами и образует хлопья. Существует жесткая вода двух видов; разница между ними в типе растворенных минералов. Тип минералов, растворенных в воде, зависит от типа горных пород, по которым течет вода (см. рис.). Временная жесткость воды возникает при реакции известняка с дождевой водой. Известняк — это нерастворимый карбонат кальция, а дождевая вода — слабый раствор угольной кислоты. Кислота вступает в реакцию с карбонатом кальция и образует гидрокарбонат, который растворяется в воде и придаст ей жесткость.
При кипении или испарении воды с временной жесткостью часть минералов выпадает в осадок, образуя накипь на дне чайника или сталактиты и сталагмиты в пещере. Вода с постоянной жесткостью содержит другие кальциевые и магниевые соединения, например гипс. Эти минералы при кипячении не выпадают в осадок.
викторина
1. Вода считается полярной, потому что:A. У этого есть одна отрицательная сторона и другая, которая является положительной.B. Это универсальный растворитель.C. У него два атома водорода.D. Это самый плотный в твердой форме.
Ответ на вопрос № 1
верно. У воды есть сторона, которая немного положительна, и сторона, которая слегка отрицательна.
2. Что из следующего является силой, которая удерживает молекулы воды вместе?A. Ковалентные связи B. Ионные связиC. Полярные связиD. Водородные связи
Ответ на вопрос № 2
D верно. Водородные связи образуются между атомами кислорода и атомами водорода различных молекул воды.
3. Какое свойство относится к слипшимся молекулам воды?A. прилипание B. полярностьC. когезияD. Быть универсальным растворителем
Ответ на вопрос № 3
С верно. Силы сцепления, вызванные водородными связями, делают воду эластичной.
Общеклинические исследования
Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H 2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями. Чтобы понять, почему это важно и на что это влияет, нам придется ввести несколько дополнительных понятий из общей химии.
Электроотрицательность — сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.
Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной — это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).
Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) — всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.
При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).
Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды — конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) — образец чисто ионного вещества.
Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества — углеводороды. Типичные гидрофильные вещества — спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.
Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, двуокись углерода (CO 2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).
Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке — художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.
На крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH 4), этана (C 2H 6) и пропана (C 3H 8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине — пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.
Аммиак (NH 3) — гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.
Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.
Можно придумать и другие экзотические варианты — например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она — не единственная теоретически возможная.
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 H2SО4*H2O, H2SО4*2H2O, H2SО4*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 Qраств
В соответствии с первым началом термодинамики
где ΔНраств 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.