Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы
Цель. Познакомить учащихся со строением кристаллогидратов, с каталитическими свойствами воды, отметить их практическое значение.
Форма занятия. Рассказ, индивидуальная, групповая работа, демонстрационный эксперимент, домашний эксперимент.
Оборудование и реактивы. Пробирки, спиртовка; образцы кристаллогидратов (сульфата меди(II), алюмокалиевых квасцов, хлорида кобальта(II)), порошки алюминия, магния, цинка, кристаллический йод.
План занятия
- Кристаллогидраты.
- Вода – катализатор.
- Химический эксперимент и анализ его результатов.
Кристаллогидраты
Учитель. Многие вещества выделяются из водных растворов в виде кристаллов, содержащих так называемую кристаллизационную воду, причем на каждую формульную единицу растворенного вещества приходится определенное число молекул воды. Предположение о существовании водных гидратов высказал Д.И.Менделеев в 1887 г. в разработанной им гидратной (химической) теории растворов.
Гидраты – это, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов. Однако некоторые из них настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав кристаллов (схема 1).
Что представляет собой и как образуется кристаллическое вещество синего цвета?
При растворении в воде сульфата меди(II) происходит его диссоциация на ионы. Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды. При выпаривании раствора образуется кристаллогидрат сульфата меди(II) – СuSO4•5Н2О (схема 2).
Демонстрационный эксперимент
«Образование кристаллогидратов»
После объяснения теоретического материала учителем его ассистент – ученик у демонстрационного стола подтверждает сказанное несложным экспериментом по растворению безводного сульфата меди(II) и выпариванием раствора. Прокаленный сульфат меди(II) лаборанту следует заранее приготовить и поместить в герметичную склянку.
Очень эффектно выглядят кристаллы медного купороса, выращенные на шелковой нитке. К ней привязывается маленький кристаллик – затравка, далее нить помещается на 2–3 недели в пересыщенный раствор медного купороса. Если взять шерстяную нитку, то появится целое ожерелье кристаллов, но их форма будет далека от идеальной, т.к. каждый волосок нити послужит центром кристаллизации.
Опыт по выращиванию кристаллов медного купороса и алюмокалиевых квасцов поручается школьникам за две недели до занятия. Они оформляют коллекцию полученных кристаллов и демонстрируют ее в классе.
Учитель. Эти красивые вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной. Она может испаряться при нагревании или при длительном солнечном освещении. По этой причине выращенные кристаллогидраты следует покрыть бесцветным лаком, например маникюрным или мебельным. Хороший эффект достигается при распылении лака для волос из баллончика.
Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизационной воды содержит кристаллогидрат на одну формульную единицу соли. Например:
СuSO4 • 5Н2О – медный купорос;
FeSO4 • 7H2O – железный купорос;
Na2SO4 • 10H2O – глауберова соль (мирабилит);
Na2CO3 • 10H2O – кристаллическая сода;
MgSO4 • 7H2O – горькая (английская) соль.
Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Так, прозрачные кристаллы соды (Na2CO3 • 10H2O) легко выветриваются, теряя кристаллизационную воду при обычной температуре. Они становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок. Для обезвоживания других кристаллогидратов требуется довольно сильное нагревание.
Ученикам несложно подсчитать, сколько денег будет затрачено на покупку воды, которая входит в состав одной упаковки кристаллической соды. (Массовая доля воды в кристаллической соде более 60 %.)
Демонстрационный эксперимент
«Обнаружение кристаллизационной воды»
Некоторые прокаленные соли, присоединяя воду, изменяют цвет, а при выпаривании избытка воды образуют окрашенные кристаллогидраты. Такие соли используются в химии как своеобразные индикаторы на присутствие паров воды в газовых смесях, например в воздухе.
Внесите в сухую термостойкую пробирку на кончике лопаточки кристаллогидрат хлорида кобальта(II), закрепите ее в лапке штатива и нагревайте в пламени спиртовки, наблюдая за изменением цвета кристаллов. Затем охладите пробирку – оставьте ее в открытом виде на столе, через некоторое время цвет кристаллов станет прежним.
Ученики записывают в тетради соответствующие уравнения реакций, учитывая, что конечный продукт является тетрагидратом.
Вода – катализатор
Учитель. В настоящее время накоплено очень много экспериментальных фактов, доказывающих, что вода достаточно активно влияет на физические свойства многих веществ. Выступая в роли катализатора, она увеличивает скорость ряда химических реакций. Природные химические превращения, как правило, осуществляются в присутствии некоторого количества воды, которая есть в атмосфере.
Исследования показали, что даже тщательно высушенные вещества содержат ничтожно малое количество влаги, которое может существенно отразиться на их свойствах. Получение абсолютно сухих веществ является непростой задачей. Специальными опытами было установлено, что после высушивания брома в течение 9 лет температура его кипения оказалась на 59 °С выше той, которая указана в справочниках, а температура кипения ртути, высушенной в тех же условиях, повысилась почти на 100 °С. Установлено также, что после длительного высушивания реагентов: гремучий газ не взрывается при высокой температуре, оксид углерода(II) не горит в кислороде, безводная серная кислота не взаимодействует со щелочными металлами, а последние, в свою очередь, не реагируют с хлором.
В хорошо высушенном кислороде натрий и калий не горят, а уголь, сера и фосфор начинают воспламеняться при более высокой температуре по сравнению с их горением в неосушенном воздухе. Данные факты указывают на то, что влага, содержащаяся в воздухе, играет роль катализатора.
Демонстрационный эксперимент
«Взаимодействие алюминия с йодом, катализируемое водой»
Смешать 0,2 г алюминиевой пудры с 2 г йода, измельченного в ступке до порошкообразного состояния. На дно стеклянной банки емкостью 0,5 л высыпается смесь в виде небольшой горки, в ее вершине нужно сделать углубление, используя обычную пробирку. Банку следует закрыть полиэтиленовой крышкой с отверстием, в которое вставляется пипетка с водой.
Для проведения опыта выдавите несколько капель воды из пипетки и наблюдайте энергичную реакцию йода с алюминием. Поскольку она идет с выделением тепла, часть йода в виде красивых красно-фиолетовых паров испаряется, что хорошо видно на фоне белого экрана.
П р и м е ч а н и е. Вместо алюминия можно использовать порошок магния (0,3 г магния и 2,5 г йода) или цинка (0,6 г цинковой пыли и 2,5 г йода). Следует также учесть, что если порошковый алюминий и цинк хранились достаточно долго, на их крупинках образовалась гидроксидная пленка и опыт может не получиться. В этом случае рекомендуется заново растереть данные порошки в ступке.
Вода как каталитическая среда
Ключевым моментом научного раскрытия жизнеобразующей функции воды является изучение ее роли в химических и более сложных биохимических процессах, составляющих основу жизни. В связи с этим возникает важная и ответственная задача изучения физико-химического механизма, определяющего ранее неизвестное фундаментальное качество воды — ее каталитические свойства. Такой подход впервые научно объясняет разнообразные чудесные влияния разных вод на жизненные процессы. Но что такое каталитические свойства воды, и почему они до сих пор не привлекали пристального внимания исследователей? Традиционно вода считалась всего лишь пассивной средой (чистой либо чем-то загрязненной), в которой варится «бульон жизни». Известно, что вода окружает макромолекулы и биологические ткани и формирует их пространственную структуру, за счет своей высокой полярности она вызывает диссоциацию на ионы растворенных в ней солей, вода растворяет многие органические соединения. В отношении же протекающих в ней биохимических реакций вода продолжает рассматриваться в качестве обычного растворителя, подобно многим другим органическим растворителям, которые в определенных случаях могут включаться в химические реакции как простые реагенты, но не как катализаторы, ускоряющие биохимические процессы.
Мы выдвигаем новое положение, согласно которому вода — активный участник, катализатор (ускоритель) биохимических процессов, причем каталитическая функция воды имеет действительно фундаментальный характер и принципиальным образом раскрывает роль воды в формировании биогеосферы нашей планеты на всех этапах ее развития. Явление катализа в химии широко известно, оно заключается в способности определенных соединений — катализаторов (ферментов — в живых организмах) — резко снижать энергетические барьеры и увеличивать скорости химических и биохимических реакций. Природой созданы удивительные соединения — ферменты, которые обеспечивают гигантское ускорение биохимических реакций — до 10 11 раз! Можно с уверенностью говорить о том, что не будь ферментов — не было бы и жизни в современной высокоорганизованной форме. Однако явление катализа оставалось малоизученным на уровне фундаментальных физико-химических процессов.
Катализ в водных системах является, как мы уже отмечали, частным случаем разработанной нами новой общей теории катализа. Эта теория, объясняющая механизмы каталитических реакций, в том числе и ферментативных биохимических реакций в воде, впервые рассматривает последовательный перенос двух элементарных частиц — электрона и протона [1].
где , — константы скорости реакции, — константа диссоциации кислоты, , —константы; индексы и относятся к кислоте, и — к основанию.
Линейные зависимости (3.2а) и (3.26) получены для ряда систем и большого числа кислот и оснований, но эти зависимости не являются универсальными. В работах Р.П.Белла [5, 6], по-видимому, впервые было выдвинуто положение, согласно которому в основе кислотно-основного катализа лежит перенос протона, причем широко распространено мнение, что «разрыв ковалентной связи происходит намного легче, если одна из участвующих в реакции молекул находится в протонированном состоянии» [2]. В рамках общего кислотно-основного катализа трактуется и биологический ферментативный катализ, чрезвычайно высокая эффективность которого объясняется большой концентрацией кислот и оснований в активном центре фермента и правильной ориентацией реагирующих групп [2].
Принципиально иной подход к механизму кислотно-основного катализа развит в наших работах [1, 7—11], где показано, что в основе каталитической, как и всякой другой химической реакции, лежит перенос (возбуждение) электрона, а перенос протона или водородная связь облегчают, катализируют перенос электрона. Мы полагаем, что перенос протона, или протонирование молекулы, сам по себе не вызывает разрыва химической связи, а действительный разрыв связи наступает только в результате последующего переноса (возбуждения) электрона, приводящего к образованию химически активных радикальных частиц. Перенос протона (или водородная связь) и перенос электрона в электронновозбужденном состоянии совместно определяют фундаментальный электронно-протонный эффект, суть которого заключается в огромном снижении энергии электронновозбужденных состояний молекулярных комплексов (ассоциатов) вплоть до термических значений в результате взаимосвязи движений (переносов) электрона и протона.
Подробнее об этом читайте в моих книгах, в частности, в книге «Вода — родник жизни».
Вода (Свойства Образование)
Вода это источник жизни на земле, она является универсальным естественным катализатором в химических реакциях, неотъемлемой частью жизнедеятельности любого организма.
Рассматривается как гидроксид водорода и гидроксильная кислота.
Вода покрывает более 71 % всей поверхности земли, при этом проявляя свойства растворителя других химических неорганических и органических веществ.
Доказано, что вода имеет (память), под воздействием звука изменяется рисунок замершего кристалла воды.
Так установлено если полностью удалить воду в ходе реакции между натрием и кислородом то реакция между ними не протекает, так как вода здесь проявляет свойства катализатора.
ВСЕ ПРО ВОДУ
Или оксид водорода H2O , H-O-H , считается бинарным неорганическим соединением и состоит из одной молекулы кислорода и двух водорода . В нормальных условиях бесцветная прозрачная жидкость не имеющая запах и вкус.
Для воды характерно существование в трёх состояниях : твёрдом , жидком и газообразном.
В твёрдом состоянии встречается в виде льда , снега и инея , что характерно для твёрдого состояния воды образовываться при температуре от 0°С с погрешностью пару градусов в минус если к ней добавлено небольшое количество хлорида натрия NaCl ( поваренная соль ) , этим же объясняется более быстрым закипанием при нагревании.
В газообразном состоянии встречается в виде водяного пара при испарении из жидкого состояния , причём если нагревается вода в виде твёрдого состояния она переходит сначала в жидкое , а затем в газообразное.
Также известно состояние воды в виде жидких кристаллов , долгое время их относили к коллоидными растворами то водным эмульсиям . Но в 1904 году профессор Отто Леманном после многолетних опытов доказал , что жидкие кристаллы это новая разновидность состояния воды.
Сколько воды
По последним подсчётам около 71% всей поверхности Земли покрыто водой , это океаны , озёра , реки , подземные реки , ледники , льды и взвешенное в газообразном состоянии ( пар , вода , частички льда ) , а также входит в состав некоторых минералов и составляет — 361,13 млн.км2.
Основная часть приходиться на все мировые океаны , моря , что составляет примерно 96,5% от всех его запасов , большой недостаток её в том , что вода находиться в солёном состоянии и неприменима в сельском хозяйстве или в качестве питьевой воды.
Все остальные 3,5% приходятся на грунтовые воды , небольшие реки , ледники , озёра , болота и вода находящееся в газообразном состоянии .
Вода в природе
Большая доля , что составляет 98,8% приходится на солёную воду в которой растворены множество растворимых природных солей, но в основном это хлорид натрия.
Также в состав солёной воды входят растворённые в ней некоторые металлы такие как золото, платина, серебро и некоторые другие .
Пресная вода (вода питьевая) составляет всего около 2,5% , в основном её нахождение в ледниках и грунтовых водах , а примерно 0,3% её находится в реках , в пресных водоёмах , в атмосфере , а также в живых организмах .
Так как вода является очень хорошим растворителем , то она в природных условия всегда содержит какие либо вещества , а именно газы и соли.
Теоретически и практически доказано , что H2O принимает непосредственное участие практически во всех химических реакциях и биологических , так к примеру если из чистого натрия и кислорода воздуха убрать 100 % влаги ( воду ) то реакции окислением воздухом не проходит , добавление приводит к началу реакции , то есть она участвует как катализатор в неорганических и органических реакциях.
Для всех живых организмов вода имеет важнейшее значение , участвуя практически во всех биологических процессах ( обмен веществ , дыхание и т.д. ) , а также в химическом строении живых организмов.
Для Земли в участии непосредственно климатических условий и погоды.
Вода за пределами Земли
Вода один из самых распространенных веществ не только на Земле но и в космосе, из за высокого внутри-жидкостного давления и низкой температуры вакуума космоса вода встречается только в виде льда и пара.
Она очень широко распространена в солнечной системе и за ее пределами, в основном это лед.
Вода присутствует в составе всех комет и многих астероидов.
Вода в виде паров встречается не только на Земле но и атмосфере Солнца, Луны, Меркурия, Юпитера и т. д.
Ученые полагают, что в жидком состоянии она находиться на некоторых планетах, или под толстым слоем льда, а также планет приближенных к Земным условиям.
Как очистить воду
Природный источник воды не всегда удовлетворяет своим качеством, так как в ней всегда растворены множество солей, таких как хлорид натрия, нитраты и другие. Для этого питьевая вода поступает на водоочистные сооружения, где проходит неоднократную фильтрацию и очистку.
Для этого она сначала вода проходит через металлические фильтры для удаления механических примесей, далее вода поступает в систему отстойников, где осаждаются мелкие частицы, для ускорения осаждения из воды добавляют коагулянт — вещество, заставляющее взвеси и коллоидные частицы коагулировать и оседать быстрее в основном это хлорид алюминия AlCl3 или сульфат алюминия Al2(SO4)3.
После того как вода отстоится в отстойниках ее пропускают через фильтры, это может быть песок, древесная зола, тканевые фильтры и другие, после фильтрования получается почти чистая вода в состав которой входят соли и микроорганизмы, некоторые из них могут быть болезнетворные.
Для этого подготовленную воду хлорируют и она поступает в большие резервуары где некоторое время отстаивается теряя тем самым хлор и далее поступает по трубам к потребителю.
В сельской местности где нет очистительных станций, люди берут воду из колодцев, скважин и родников, но в случае попадания в землю болезнетворных организмов люди употребляя воду могу заболеть, для этого всю воду в обязательном порядке нужно кипятить для удаления микробов, а также удаления излишка кальция в виде накипи на стенках которая также может отрицательно влиять на организм при длительном его употреблении.
Дистиллированная вода
Принцип работы дисцилятора очень прост, емкость нагревается внешним источником в нашем случае газовая горелка, далее пар поступает в специальную колбу где внутри ее идет стеклянная спираль пустая внутри, а к колбе подключен источник охлаждения в виде проточной воды см. рисунок, пар по спиральной трубочке охлаждается и уже чистая от примесей стекает в емкость, а все соли и вещества остаются в первой колбе.
Получение дистиллированной воды на производстве
В производственных масштабах дистиллированную воду получают аналогично лабораторным, разница заключается в том, что резервуары для нагрева воды, дистиллятор сделаны не из стекла, а из металла покрытые керамическими материалами.
Эту очищенную воду применяют уже в химической промышленности для растворения солей и растворов.
Все состояния воды
Вода в нормальных условиях может находиться в 3 состояниях, жидкое, твердое, газообразное.
Существует предпосылки к появлению 4 состоянию, а именно если пар или жидкую воду мгновенно охладить то не образуются твердого кристаллического образования как при медленном замерзании.
Состояние воды напрямую зависит от температуры окружающей среды, от 0° до 100° это жидкость, от 100° и выше газообразное состояние воды, от 0° и ниже твердое, но это при нормальных условиях.
Если же изменить давление, поднявшись высоко в горы температура закипания будет на много ниже.
Из этого следует, что состояние воды не только зависит от температуры, а и давления окружающей среды, а также входящие в нее соли.
Химические свойства и название воды
Основное химическое название оксид водорода , где соединение двух атомов ( бинарное ) водорода с одним атомом кислорода в степени его окисления -2.
Так же у неё существуют ещё несколько названий которые применяются в некоторых названиях в зависимости от применения , так к примеру гидроксид водорода : соединение гидроксильной группы OH¯ и катиона (H⁺) можно использовать в объяснении химической реакции взаимодействия натрия Na с водой H2O.
Также вода может рассматриваться как гидроксильная кислота , где его катион Н ⁺ может быть заменен металлом , а также его ( воды ) кислотного остатка ОН¯.
Существуют и другие названия как дигидромонооксид , монооксид дигидрогена , оксидан .
Физические свойства
Вода при нормальных условиях сохраняется в виде жидкости с температурой кипения 100°С и замерзанием 0°С . Но если изменить условия , к примеру нагревать высоко в горах то температура закипания будет намного ниже обычной.
Молекулы воды в момент температурного перехода от жидкого до твёрдого упорядочиваются , в результате чего образуются ( пустоты ) между ними . Это обуславливает больший объём льда и меньшей плотности , поэтому он плавает на поверхности воды . Но при нагревании все эти связи разрываются и образуется вода в жидком состоянии.
Так — же известно , что на момент разрыва этих связей используется много энергии , так для того чтобы нагреть литр воды на один градус потребуется примерно 4,1868 кДж . Это свойство воды ( теплоноситель )используется для обогрева помещений и т.д. Так же имеет большое значение теплота плавления (при 0 °C — 333,55 кДж/кг) для подсчёта количества затраченной энергии для разогрева на один литр воды и парообразования (2250 кДж/кг).
По своим физическим свойствам одна молекула воды может образовать до четырёх водородных связей , так как две образует водород , а две кислород.
Именно поэтому у воды очень разветвлённая структура связей обеспечивающая высокую температуру кипения и удельную теплоту парообразования.
Чистая вода
Считается в состав которой не входят какие либо соли или другие вещества которые имеют положительные или отрицательные ионы.
В нормальных условиях она очень слабо диссоциирована и концентрация протонов (ионов гидроксония H 3 O ⁺ ) и гидроксильных ионов HO¯ составляет 10 -7 моль/л , поэтому она хороший изолятор.
Но так как она легко впитывает с окружающей среды ( газы , соли ) практически всегда загрязнена ими , то есть проводит электрический ток , по электропроводности воды можно судить о её чистоте.
Свойство воды имеет большое значение для живых организмов , так как для питания клеток нужны полезные вещества и соли, которые переносятся водой . Это проявляется тем , что молекулы воды очень малы в размерах и как бы ( смачивают , обволакивают ) с каждой стороны различные вещества.
В органических в-вах( животные , растения ) это свойство проявляется в виде межклеточной жидкости. В неорганической химии проявляет роль растворителя , растворимых в воде солей и веществ.
Вода проявляет большой степенью поверхностного натяжения , проигрывая только ртути . Это свойство связано с тем , что молекулы двигаются с разными скоростями и могут удерживать на поверхности какие либо предметы ( водомерок , иглу ).
Одним из самых главных свойств является преломление , что составляет n=1,33 в оптическом диапазоне. Но из за того , что она ( водяной пар ) интенсивно поглощает инфракрасные излучения является естественным парниковым газом , которая составляет более чем 60% от всего парникового эффекта.
Вода также интенсивно поглощает микроволновые излучения ( разогревая как бы изнутри ) проявляя дипольный момент молекул, по этому радиосвязь не работает под водой.
Изотопное состояние воды
Так как в природе и искусственные изотопы водорода и кислорода бывают радиоактивные , то и их изотопы входящих в состав молекулы воды бывают несколько их видов :
Так всем известная всем людям вода называется ( лёгкая вода ) имеет простую формулу H2O , а тяжёлая вода ( дейтериевая ) имеет вид D2O , сверхтяжёлая вода ( тритиевая ) T2O и по некоторым подсчётам , что могут существовать тритий-дейтериевая вода TDO , тритий-протиевая вода THO , дейтерий-протиевая вода DHO.
По последним исследованиям тяжелая вода ранее считаемой ( мёртвой водой ) может быть населена некоторыми микроорганизмами , которые в результате ( селекции , приучению ) были получены искусственным путём.
В зависимости стабильности изотопа кислорода , в природе существуют три разновидности молекул воды , свою очередь по своему изотопному составу их насчитывается 18 разновидностей молекул воды , но на самом деле вода может одновременно содержать все разновидности молекул.
Так к примеру любая вода содержит все изотопы ( лёгкая , тяжёлая , дейтериевая и тритиевая ), но концентрация последних трёх настолько малы , что они не влияют не на какие жизненные формы.
Химические свойства воды
Очень часто в технике и в быту употребляются такие термины , как ( раствор , растворение ) , например , всегда говорят о хорошей растворимости сахара в воде , о растворе поваренной соли , растворах кислот и т. д.
Иногда её сравнивают как амфолит — кислота и основание.
Так как вода — химически активное вещество , сильно полярные молекулы воды сольванируют молекулы и ионы , образуя кристаллогидраты и гидраты , отсюда и названия например кристаллогидрат гипса CaSO4·2H2O и т. д.
Как получить воду
Воду можно получить в ходе химической реакции водорода и кислорода реакция идёт при поджигании со взрывом :
Разложением пероксида водорода :
Реакцией гидрокарбоната натрия с уксусной кислотой :
В ходе нейтрализации некоторых кислот гидроксидами :
CH 3 COOH + NaOH = CH 3 COONa + H2O
Восстановлением металлов из их оксидов водородом :
При воздействии высоких температур, электротока, а также некоторых катализаторов и ионизирующего излучения , вода распадается на простые элементы молекулярный кислород и молекулярный водород :
Реакции с химическими веществами
Реакция с активными металлами ( натрий , калий и т.д ) протекает иногда с воспламенением :
Со фтором реакция протекает с образованием фтороводорода и кислорода :
Реакция с солями слабых кислот приводит к полному гидролизу :
Вода реагирует при нагревании с металлами , особенно магнием и воспламенённым порошкообразным алюминием :
Вода реагирует с углеродом при нагревании с образованием угарного газа но реакция не стабильна поэтому обратима :