Химические свойства воды. Вода как растворитель

Вода имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности клеток, тка­ней и органов всех организмов на Земле, так как является средой, в которой происходят все реакции, лежащие в основе обмена веществ и энергии. Помимо этого вода выполняет роль растворителя для различ­ных химических веществ.

По отношению к воде все вещества делятся на два типа:

• гидрофильные — хорошо растворимые в воде (многие соли, спирты, кислоты, моносахариды и дисахариды и др.);
• гидрофобные — плохо растворимые в воде (жиры, полисахариды, сложные эфиры, жирные кислоты и др.).

Очевидно, не напрасно природа для строения оболочки живой клет­ки отобрала два слоя гидрофильных белков и поместила между ними один слой гидрофобных жиров. Именно такое устройство мембраны позволяет ей избирательно пропускать внутрь и наружу те или иные вещества.

Взаимодействие воды с гидрофильными веществами определяет та­кое явление, как осмос — диффузия воды через полупроницаемую мем­брану, разделяющую два раствора. При этом возникает осмотическое давление, которое является результатом диффузии молекул воды из раствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации. Эф­фекты, связанные с осмотическим давлением, играют большую роль в природе: они обеспечивают проникновение минеральных веществ из почвы в растения, а также обмен веществ в живых организмах.

Вода — среда и причина диссоциации электролитов. Замечатель­ными гидрофильными веществами являются электролиты — соедине­ния, которые в водной среде и под действием её молекул распадаются на ионы — диссоциируют. Обмен такими веществами внутри организ­ма и между организмом и окружающей средой происходит на уровне образовавшихся в результате диссоциации ионов. Приведем основные классы неорганических соединений в свете теории электро­литической диссоциации.

Кислоты диссоциируют на катионы водорода и анионы кислотного остатка, например:

Вода оказывает сильное ионизирующее действие на растворённые в ней электролиты. Под действием диполей воды полярные ковалент­ные связи в молекулах растворённых веществ превращаются в ионные.

Основания диссоциируют на катионы металла (аммония) и гидрок­сид-анионы, например:

Соли диссоциируют на катионы металла (аммония) и анионы кис­лотного остатка, например:

По способности диссоциировать все электролиты делятся на слабые и сильные.

Слабые электролиты диссоциируют незначительно и обратимо. При этом процесс смещён в сторону соединения ионов в молекулы, напри­мер:

HNO2	↔	H+ + NO-4,
азотистая кислота
NH3 • H2O	↔	NH+4 + OH-.
гидрат аммиака

Загрузка...

Сильные электролиты почти полностью распадаются на ионы и по­этому диссоциируют необратимо:

Вода — амфотерное соединение. Чистую воду можно рассматри­вать одновременно и как кислоту, и как основание. Это результат свое­образной «борьбы» молекул воды друг с другом. Одна из молекул «уму­дряется» вырвать у соседки протон и присвоить его себе, превращаясь при этом в ион гидроксония, т. е. в кислоту, а утратившая протон мо­лекула становится гидроксид-ионом, т. е. основанием. Такому явле­нию дано особое название — самоионизация. Описанный процесс свя­зан с тепловым движением частиц и взаимным влиянием диполей. В конечном итоге происходит ослабление и разрыв связей O—H — про­тон присоединяется к атому кислорода соседней молекулы:

или:

В сущности, ион гидроксония является гидратированным ионом во­дорода H⁺ • H₂O. Упрощённо процесс ионизации воды обычно выража­ют следующим уравнением:

H₂O ⇄ H⁺ + OH^-.

Таким образом, при ионизации одновременно образуются катионы водорода и гидроксид-анионы, т. е. вода является слабым амфотерным электролитом. Легко заметить, что ионы образуются в равном соотно­шении и при диссоциации воды реакция среды нейтральна.

Полярность и малые размеры молекулы воды определяют её силь­ные гидратирующие свойства.

Гидратация — присоединение воды к ве­ществу — в жизни биосферы имеет большое значение. Так, гидратация кислотных окси­дов приводит к образованию кислот, которые восполняют недостаток связанного азота в по­чве, например к образованию азотной кис­лоты:

4NO₂ + 2H₂O + O₂ = 4HNO₃.

Или является причиной образования кислот­ных дождей, как в случае с серной кислотой:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

Кислотные дожди — это результат взаимо­действия атмосферной влаги с оксидами, со­держащимися в выбросах вулканических газов, но гораздо чаще — в выбросах промышленных предприятий и транспорта. Попадая на листья и хвою деревьев, они вызывают их ожоги, деревья заболевают, леса сохнут (рис. 162), погибают мхи и ли­шайники.

Рис. 162. Погибший от кислотных дождей хвойный лес

На этой странице материал по темам:

• Почему цитоплазму называют внутренней средой клетки

Вопросы по этому материалу:

• Какими химическими свойствами обладает вода?

• Какие вещества называются гидрофильными, а какие — гидрофобными? Приведите примеры.

• Что такое электролиты и электролитическая диссоциация?

• Какова роль воды в процессе электролитической диссоциации?

• На какие классы делятся электролиты по типу образующихся в результате диссоциации ионов? Дайте им определения.

• Перечислите группы веществ по их способности к электролитической дис­социации.

• Какие вещества называются амфотерными?

• Почему вода от­носится к амфотерным веществам?

• Зная, что растворимость называют физико-химическим процессом, объ­ясните, как она характеризует свойства воды.