ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

«АНГАРСКИЙ ТЕХНИКУМ СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Исследовательская работа по химии

«Вода как реагент и как среда для химического процесса»

Работу выполнил: Наумов. В. Д

обучающийся гр. ЭПГЗ 41809

Проверил: Вахитова. Е.В

Преподаватель химии

Ангарск, 2019 г

Содержание

Введение        3

1.        Вода в природе        4

2.        Строение молекулы воды        5

3.        Физические свойства H2O        6

4.        Вода как реагент и как среда для химического процесса        8

5.        Виды воды        9

6.        Применение воды        11

7.      Практическая часть…………………………………………………12

Заключение        12

Список литературы        13

Приложение……………………………………………………………… 14

Введение

Водная оболочка Земли – гидросфера – составляет 71% земной поверхности. В связанном состоянии вода находится и в земной коре – литосфере. Запасы воды на Земле (в литосфере и гидросфере) составляют 2,7 млрд. км3. В атмосфере в виде паров содержится 13 тыс. км3 воды.

Отечественный ученый В.И. Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество... ею проникнуто и охвачено».

Актуальность: Вода колыбель жизни. Вода химическое вещество. С водой как с химическим веществом мы сталкиваемся каждый день нашей жизни. Стираем ли бельё, умываемся ли с мылом, моем ли посуду, во всех случаях вода выступает как химическое соединение.

Объект: Вода.

Предмет: Вода как химическое вещество.

Цель: Изучить роль воды в химическом процессе.

Гипотеза: Вода вступает в химические реакции и образуется в ходе химических процессов.

Задачи:

1. Изучить состав, структуру, физические свойства воды.
2. Рассмотреть воду как химический реагент и как среду для химических реакций.
3. Познакомиться с видами воды и её применением.
4. Подтвердить гипотезу химическим экспериментом.

1. Вода в природе

Вода весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы. Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха. Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль). Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например, дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь. Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т.п.

Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем. Покрывает 70% поверхности Земли и является средой обитания большого количества представителей флоры и фауны. Человеческое тело содержит около 65% воды.

Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.

Транспорт веществ включает доставку необходимых соединений к определённым органам и тканям (с помощью кровеносной системы у животных и проводящей системы у растений), всасывание их клетками и передвижение внутри клеток, а также выведение продуктов обмена веществ

2. Строение молекулы воды

Вода (оксид водорода) Н2О - простейшее устойчивое соединение. Молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода (H1) и одного атома кислорода (O16).

Молекулярная масса воды 18,0160, на водород приходится 11,19% по массе, а на кислород - 88,81%.

Диполь –это молекула, имеющая одинаковые по величине и противоположных по знаку заряды, расположены на расстоянии друг от друга. Три ядра в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами водорода в основании и кислородом в вершине.

Ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря чему, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот.

В молекуле воды ковалентные полярные связи О - Н. Между молекулами воды образуются водородные связи. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях (Приложение 1).

При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4°С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение.

3. Физические свойства H2O

Вода H2O, жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая); плотность 1 г/см3 (при 3,98 градусах), tпл=0 градусов, tкип=100 градусов.

Вода- это единственное вещество в природе, которое в земных условиях существует во всех трёх агрегатных состояниях: жидком– вода, твёрдом – лёд, газообразном – пар.

Вода-растворитель для полярных веществ (соли, сахара и простых спиртов); неполярные молекулы (гидрофобные) – жиры, масла; среда для транспорта различных веществ; вода как реагент и продукт реакций вода источника водорода для синтеза органических соединений в процессе фотосинтеза вода участвует в реакциях гидролиза; не сжимаемость воды (в жидком состояние); тургор клеток, тканей, основа гидроскелета.

4. Вода как реагент и как среда для химического процесса

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

2) Вода реагирует с неметаллами, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но всё же способны реагировать с водой при высокой температуре:

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

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

3) Вода реагирует со многими оксидами неметаллов:

SO3 +        H2O =H2SO4 (серная кислота)

CO2 +        H2O =H2CO3 (угольная кислота)

4) Вода реагирует с оксидами металлов:                

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) Особая реакция воды – 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)

Вода участвует во многих химических реакциях в качестве растворителя, реагента либо продукта. Вода является продуктом многих неорганических и органических химических реакций. Например, она образуется при нейтрализации кислот и оснований.  

HCl + NaOH = NaCl + H2O

В органической химии реакции конденсации сопровождаются отщеплением молекул воды.

Вода способна вступать в роли окислителя и восстановителя. Она окисляет металлы, расположенные левее олова в электрохимическом ряду напряжения металлов.  

2К + H2O = К2O + 2H2

Вода проявляет амфотерные свойства. Это означает, что она может выступать в роли как кислоты, так и в роли основания.

NH3 + H2O (кислота) = NH4+ + OH-

HF + H2O (основание) = F- + H3O+

Гидролиз - это химическая реакция взаимодействия вещества с водой, при которой происходит разложение этого вещества и воды с образованием новых соединений.

Живые организмы осуществляют гидролиз различных органических веществ в ходе реакций катаболизма при участии ферментов. Например, в ходе гидролиза при участии пищеварительных ферментов белки расщепляются на аминокислоты, жиры — на глицерин и жирные кислоты, полисахариды  (например, крахмал и целлюлоза) — на моносахариды (например, на глюкозу), нуклеиновые кислоты — на свободные нуклеотиды.

При гидролизе жиров в присутствии щелочей получают мыло;

Гидролиз жиров в присутствии катализаторов применяется для получения глицерина и жирных кислот. Гидролизом древесины получают этанол, а продукты гидролиза торфа находят применение в производстве кормовых дрожжей, воска, удобрений и др. Гидролиз встречается в повседневной жизни: стирка, мытьё посуды, умывание с мылом.

4. Вода может выступать в роли катализатора. Катализатор - химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Например, если смешать порошок алюминия и йода то реакция идти не будет, но если добавить каплю воды, то начинает идти бурная реакция.

2Al + 3J2= 2AlJ3 + Q

5. Виды воды

Бромная вода - насыщенный раствор Br2 в воде (3,5% по массе Br2). Бром - вещество, которое, как и ртуть, при комнатной температуре находится в жидком состоянии. Оно очень токсично, но широко используется в химической промышленности и лабораториях. Относится к группе галогенов, но более слабое, чем хлор. При прохождении через воду образует раствор под названием бромная вода. По внешнему виду бромная вода - оранжево-желтая жидкость, взявшая от основного вещества его неприятный запах. Температура, при которой раствор замерзает, довольно низкая. Еще при -20°C она жидкая.

Применяют бромную воду в промышленных лабораториях. Одной из качественных реакций на непредельные углеводороды является именно взаимодействие алкенов и алкинов с раствором бромной воды. В результате этого состав обесцвечивается. Разрывая двойные и тройные связи, бром присоединяется, образуя бромистые соединения.

Аммиачная вода - образуется при контакте сырого коксового газа с водой, который концентрируется вследствие охлаждения газа или специально впрыскивается в него для вымывания NH3. Аммиачную воду  используют в производстве соды, как жидкое удобрение и др.

Подсмольная вода - образуется при полукоксовании и газификации твёрдых, горючих ископаемых. Наиболее характерные компоненты: NH3, фенолы, карбоновые кислоты. Одни из наиболее вредных видов сточных вод. Обезвреживание заключается в выделении из подсмольных вод указанных компонентов и последующей биохимической очистке.

Дистиллированная вода - очищенная вода, практически не содержащая примесей и посторонних включений.

Физические свойства: в дистиллированной воде растворены газы атмосферы: кислород, азот, аргон, углекислый газ и незначительное количество других. Из-за растворённой углекислоты дистиллированная вода имеет слабокислую среду и её pH составляет 5,4—6,6. Для получения полностью нейтральной воды её кипятят до полного удаления углекислого газа (в течение 30 минут) и хранят в герметичной таре. Применяют дистиллированную воду в химических лабораториях, где её используют для приготовления растворов, проведения анализов и ополаскивания химической посуды после мытья.

Применяют для корректировки плотности электролитов, безопасной эксплуатации аккумуляторов, промывки систем жидкостного охлаждения, разбавления концентратов различных жидкостей и для прочих бытовых нужд. Например, для добавления в паровые утюги (полностью исключают появление накипи), для корректировки температуры замерзания незамерзающей стеклоомывающей жидкости и при цветной фотопечати.

6. Применение воды

Роль воды в нынешней науке и технике очень велика. Вот только часть областей применения воды.

1. В сельском хозяйстве для полива растений и питания животных

2. В химической промышленности для получения кислот, оснований, органических веществ.

3. В технике для охлаждения, в паровых двигателях.

4. В металлургии для выплавки металлов.

5. Для получения бумаги и картона требуется большое количество воды.

6. В медицине для приготовления лекарств.

7. В термоядерных реакторах для задержки нейтронов применяется тяжелая или сверхтяжелая вода (D2O, T2O соответственно; D - дейтерий, Т - тритий; это изотопы водорода).

7. Практическая часть

Опыт 1. Гидролиз мыла.

В сухую пробирку помещают кусочек мыла. К мылу прибавляют воду. Хорошо взбалтывают. И добавляют индикатор фенолфталеин. По мере прибавления фенолфталеина появляется розовое окрашивание. С17Н35СООНNa + Н2О = С17Н35СООН + NaОН

В результате взаимодействия мыла с водой происходит гидролиз. Образуются малодиссоциированные жирные кислоты и гидроксид натрия. Розовое окрашивание говорит о появлении в растворе гидроксильных ионов. Реакция водных растворов мыла всегда щелочная. Приложение 2.

Опыт 2. Гидролиз сульфата меди.

В пробирки помещаем несколько крупинок сульфата меди и наливаем воду до растворения соли. К каждому раствору прибавляем 1-2 капли раствора фенолфталеина. Наблюдаем розовое окрашивание раствора. Приложение 3.

В результате гидролиза образуются катионы водорода, которые создают кислую среду, поэтому бесцветный раствор фенолфталеина окрашивается в розовый цвет.

2CuSO4 + 2H2O ⇄ (CuOH)2SO4 + H2SO4

Полное ионное уравнение:
2Cu2+ + 2SO42- + 2H2O ⇄ 2CuOH+ + SO42- + 2H+ + SO42-

Краткое ионное уравнение:
Cu2+ + H2O ⇄ CuOH+ + H+

Вывод: Опыт 1 и опыт 2 доказывают, что вода участвует в процессе взаимодействия химических веществ как химическая среда..

Опыт 3. Взаимодействие карбоната кальция с соляной кислотой.

Поместили в химический стакан кусочек мела (карбонат кальция) и прилили в стакан соляной кислоты, ровно столько, чтобы ей покрылся кусочек. Наблюдается выделение пузырьков газа – это углекислый газ. Образуется соль хлорид кальция (СаСl2) и вода.

СаСО3 + НСl = СаСl2 + СО2 + Н2О

Вывод: Данная химическая реакция доказывает, что вода может образовываться в результате химического взаимодействия, как продукт реакции. Приложение 4.

Заключение

Вода - универсальный растворитель.

Вода является незаменимым веществом для всего живого на земле.

Вода - одно из самых распространенных веществ на нашей планете.

Считают, что вода самое простое вещество на Земле. Она имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы.

На Земле происходит непрерывный круговорот воды, включающий использование воды на бытовые и производственные нужды человека, использование воды растениями и животными, испарение воды и фильтрацию ее через почву многое другое.

В результате исследования установлено, что вода может быть и как реагент химического процесса и как среда в которой протекают химические реакции. Вода может образовываться как продукт реакции. Гипотеза в ходе исследования подтвердилась.

Список литературы

1. Мартынова, Т. В. Химия : учебник и практикум для СПО / Т. В. Мартынова, И. В. Артамонова, Е. Б. Годунов ; под общ.ред. Т. В. Мартыновой. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2019. — 368 с. — (Серия : Профессиональное образование).
2. Тупикин, Е. И. Химия. В 2 ч. Часть 1. Общая и неорганическая химия : учебник для прикладного бакалавриата / Е. И. Тупикин. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2019. — 385 с. — (Серия : Бакалавр. Прикладной курс).
3. Тупикин, Е. И.   Химия. В 2 ч. Часть 2. Органическая химия : учебник для СПО / Е. И. Тупикин. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2019. — 197 с. — (Серия : Профессиональное образование).

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

Приложение 4.