Вода в хімії

Вода як розчинник має величезне значення і в промисловості, і в побуті. Важко знайти якесь виробництво, в якому вода не використовувалася б як розчинник. Візьмемо, наприклад, виробництво цукру. Гаряча вода витягує з тонких стружок цукрового буряка цукор; потім після очищення розчин упарюють, і з нього виділяються кристали цукру. Без води робота цукрового заводу немислима. Неможливо собі уявити вироблення шкіри, травлення та фарбування різних тканин, миловаріння і безліч інших виробництв без використання водних розчинів різних речовин.

Вода як розчинник являє особливо великий інтерес для хімії.

Хіміки дуже часто застосовують воду для очищення одержуваних ними продуктів. Ця очищення заснована на тому, що більшість речовин розчиняється в гарячій воді краще, ніж в холодній. Так, наприклад, в 100 грамах води при температурі в 100 градусів розчиняється 342 грама їдкого натрію, а при 20 градусах 109 грамів, при 100 градусах в тій же кількості води розчиняється 291 грам борної кислоти, а при 20 градусах близько 40 грамів. Бажаючи отримати чисте речовина, надходять так. Забруднена речовина розчиняють у воді до тих пір, поки не вийде насичений розчин, т. Е. Такий, в якому речовина більше вже не розчиняється. Потім фільтруванням видаляють нерозчинні домішки і охолоджують рідину. При цьому утворюється пересичений розчин, з якого в міру зниження температури випадає все більше і більше чистих кристалів речовини. Розчинні ж домішки залишаються в розчині. Розчинення і кристалізацію повторюють кілька разів, в залежності від того, наскільки чистий продукт треба отримати. Якщо розчинність змінюється з підвищенням температури незначно (як, наприклад, у кухонної солі: при 100 градусах в 100 грамах води розчиняється 39,1 грама солі, а при нулі градусів 35,6 грама), розчини упарюють. Так отримують, наприклад, виварну сіль.

Однак вода цінна не тільки як засіб для очищення речовин. Дуже часто вона відіграє незамінну роль як єдино можлива середовище для протікання тих чи інших хімічних процесів.

Однією з умов виникнення реакції є зіткнення беруть участь в ній молекул. У разі, якщо взаємодіють газоподібні речовини або рідини, таке зіткнення здійснюється легко: молекули газів і рідин досить рухливі. Але як провести реакцію між твердими речовинами? Адже в них рух молекул вельми обмежений, тому що кожна з молекул закріплена в певному місці кристала, де вона може тільки коливатися. Ви можете насипати в склянку трохи солі і лимонної або щавлевої кислоти, але реакції між ними не дочекаєтеся: ця суміш може простояти без будь-яких змін як завгодно довго. Як же бути? Тут на допомогу знову приходить вода. Додайте в той же стакан води. Сода і кислота розчиняться у воді, і найдрібніші частинки їх отримають можливість стикатися один з одним. Між ними моментально почнеться хімічна реакція, яку легко помітити по виділенню з розчину бульбашок одного з продуктів реакції - вуглекислого газу.

Відомо, що дуже міцну сірчану кислоту можна вільно перевозити в сталевих цистернах - корпус цистерни нею не руйнується. Але якщо сірчана кислота розбавлена ​​водою, сталеві цистерни використовувати вже не можна, так як водний розчин сірчаної кислоти легко роз'їдає залізо.

Речовини не взаємодіють один з одним, якщо вони не розчинені, - свідчить старовинний правило хіміків.

Вода відрізняється ще однією важливою властивістю: вона сама здатна з'єднуватися з дуже багатьма речовинами, бути активним учасником різних хімічних процесів.

Вода здатна з'єднуватися з простими речовинами як металами, так і неметалами.

Наприклад, неметалл хлор дає з водою суміш кислот: соляну і хлорноватистую. Якщо хлор пропускати через воду, до якої додано їдкий натр, то в результаті реакції виходить «жавелева вода», хороше Бєляєв засіб.

З натрієм, калієм і деякими іншими металами вода бурхливо взаємодіє. При цьому виходять їдкі луги і виділяється газ водень.

Вода вступає в реакції і з багатьма складними речовинами. Ми тут зазначимо лише кілька прикладів цих реакцій, що призводять до утворення дуже важливих в хімічній промисловості речовин - підстав (або гидроокисей) і кислот.

Всім знайома негашене вапно. Це - з'єднання металу кальцію з киснем або окис кальцію. Її отримують накаливанием вапняку і використовують в якості будівельного матеріалу. Якщо негашене вапно облити водою, то вода хімічно з'єднається з нею. Цей процес називається гасінням, а виходить продукт - гашеного вапном або гідроксидом кальцію. Вона знаходить широке технічне застосування.

Таким же способом - з'єднанням окислів металів з водою - можуть бути отримані і багато інших гідроксиду.

При взаємодії води з неметалевими оксидами виходять також необхідні для промисловості продукти - кислоти. Так, оксид азоту (двоокис), розчиняючись у воді, утворює азотну і азотисту кислоти. Ця реакція використовується в хімічній промисловості для одержання азотної кислоти. Вона ж призводить до утворення аміачної селітри з аміаку, води та азоту в повітрі під час грози.

Не менш важлива реакція між водою і трехокиси сірки: продукт цієї реакції - сірчана кислота, що має застосування в багатьох галузях промисловості.

У всіх перерахованих тут речовинах, які утворюються за участю води, вода входить до складу речовини як невід'ємна частина. Це - так звана конституційна вода. Виділити конституційну воду, не руйнуючи речовини, не можна.

Але є такі сполуки речовин з водою, в яких взаємодіючі молекули зберігають деяку самостійність. Це - так звані кристалогідрати. Вони виходять при кристалізації речовин з водних розчинів. Частинки розчиненої речовини міцно утримують біля себе молекули води, і ці молекули повністю або частково входять до складу виділяються з розчину кристалів.

Інформація, що міститься в кристалах вода, кристаллизационная вода, знаходиться в з'єднанні з молекулами речовини в строго певних кількостях. Так, в кристалах мідного купоросу кожна молекула купоросу пов'язує одну, три або п'ять молекул води, в кристалах соди - десять молекул, в кристалах азотнокислого олова - двадцять молекул води. Кухонна сіль, цукор і багато інших речовин кристалізуються без води. Дослідження теплових, електричних та інших властивостей кристалогідратів показали, що кристаллизационная вода поводиться як тверда речовина.

Багато кристалогідрати неміцні. Так, наприклад, сода втрачає свою кристаллизационную воду, перебуваючи просто в повітрі: її прозорі кристали каламутніють і розсипаються в порошок. Кристали мідного купоросу втрачають 80 відсотків води при нагріванні до 100 градусів, а решта 20 відсотків тільки при 240 градусах. При цьому сині кристали перетворюються в білий порошок.

Процес втрати кристалізаційної води називається вивітрюванням.

Деякі безводні кристали дуже жадібно притягають до себе воду, причому притягують її в набагато більшій кількості, ніж це потрібно для утворення відповідного кристаллогидрата; в результаті цього вони розпливаються. Так розпливаються поташ, хлористий кальцій. Ці речовини використовуються як поглиначі вологи при висушуванні різних речовин.

Нам залишилося сказати ще про один важливий для хімії властивості води - про її здатність прискорювати перебіг різних реакцій.

Багато хімічних реакцій протікають з незмірно малої швидкістю, але в присутності навіть нікчемних кількостей певних речовин йдуть в сотні і тисячі разів швидше. Речовини, які прискорюють протягом хімічної реакції, але самі не входять до складу кінцевих продуктів реакції, називаються каталізаторами. До числа каталізаторів відноситься і вода, причому каталітична дія її дуже різнобічно.

Ми знаємо, що залізо на повітрі іржавіє, що гримучий газ при нагріванні вибухає, плавикова кислота роз'їдає скло, натрій і фосфор швидко окислюються на повітрі, хлор активно діє на метали ... Але виявляється, що у всіх цих випадках каталізатором є вода. При повній відсутності вологи швидкість цих процесів незначна. Сухий гримучий газ, наприклад, не вибухає навіть при значному нагріванні, а залізо в повітрі, позбавленому води, стає таким же стійким, як золото або платина.

Можна сказати, що якби вода не мала каталітичним дією, ми склали б зовсім інше уявлення про хімічні властивості оточуючих нас речовин.