Хімічні властивості води

Вода бере участь у безлічі хімічних реакцій як розчинник, реагент або продукт. Її обґрунтовано вважають універсальним розчинником. Адже в ній розчиняється більшість молекулярних та йонних сполук (наведіть кілька прикладів з повсякденного життя). Тому воду широко використовують як розчинник у лабораторній практиці, на виробництві, у побуті (мал. 7.17). Біохімічні реакції також відбуваються у водних розчинах.

Мал. 7.17. Вода — універсальний розчинник

Засвоєння їжі пов’язане з розчиненням поживних речовин. Рослини засвоюють необхідні для їхнього росту й розвитку речовини також у формі розчинів. У промисловості застосовують розчини кислот, лугів, солей, барвників тощо. Більшість лікарських засобів також уживають у формі водних розчинів — істинних та колоїдних (мал. 7.18).

Мал. 7.18. Лікарські засоби у формі водних розчинів

Розчинність сполук з ковалентним типом хімічного зв’язку залежить від їхньої здатності утворювати з молекулами води водневі зв’язки.

Поміркуйте й поясніть, чому етанол, гліцерол, етанова кислота, сахароза добре розчиняються у воді, а водень, кисень, азот, метан — погано.

Вода є продуктом багатьох хімічних реакцій, відомих вам з курсу хімії основної школи, наприклад:

Мал. 7.19. Приклади реакцій, унаслідок яких утворюється вода: а — у водневому пальнику водень згорає в кисні; б — зневоднення мідного купоросу внаслідок прожарювання

Також більшість з хімічних і біохімічних реакцій відбувається за участі води як реагенту, наприклад (мал. 7.20):

Перетворіть схеми реакцій на хімічні рівняння, класифікуйте їх за різними ознаками й поясніть значення цих реакцій у житті людини.

Мал. 7.20. Вода — реагент: а — реакція води з натрієм; б — вода не лише камінь точить...; в — розкладання води електричним струмом — електроліз

Якою літерою на малюнку 7.20, в позначено пробірку, де утворюється кисень, а якою — де утворюється водень?

Гідроліз (від давньогрец. ύδωρ — вода і λυσις — розкладання) — хімічна реакція, під час якої речовини розкладаються за участі молекул води — певною мірою відомий вам з курсу хімії основної школи. Ідеться про гідроліз жирів, крохмалю, целюлози. Білки також зазнають гідролізу, кінцевими продуктами якого є амінокислоти. Ці реакції відбуваються під час перетравлювання їжі, розкладання білків у процесі гниття. Гідроліз відбувається за участі каталізаторів: катіонів Гідрогену Н⁺(кислотний гідроліз крохмалю й целюлози) та гідроксид-аніонів ОН (лужний гідроліз жирів). У живих системах гідроліз каталізують ферменти (ензими).

Поясніть: а) для чого в засоби для прання добавляють ензими; б) чому використовувати пральні засоби з ензимами не рекомендовано для прання шовкових та вовняних виробів, недоцільно за високих температур, небезпечно під час ручного прання.

У промисловості за допомогою гідролізу добувають гліцерол, стеаринову та інші вищі карбонові кислоти, мило, глюкозу, унаслідок спиртового бродіння якої утворюється етанол:

Перетворіть схему реакції бродіння глюкози на хімічне рівняння.

Продукт лужного гідролізу жирів — мило — так само зазнає гідролізу. Мило — йонна сполука, у воді дисоціює:

C₁₇H₃₅COONa⁺ ⇄ С₁₇Н₃₅СОО^- + Na⁺.

Мило — сіль слабкої стеаринової кислоти й сильної основи, тому аніони солі, утвореної слабкою кислотою, взаємодіятимуть з молекулами води. Унаслідок реакції обміну утворюватимуться молекули слабкої кислоти та гідроксид-аніони:

С₁₇Н₃₅СОО- + Na⁺ + НОН → С₁₇Н₃₅СООН↓ + Na⁺ + ОН^-;

C₁₇H₃₅COO- + HOH ⇄ C₁₇H₃₅COOH↓ + OH^-.

Гідроксид-аніони, що утворилися внаслідок гідролізу мила, емульгують та частково розкладають жири, що сприяє видаленню частинок бруду з тканини. Карбонові кислоти з водою утворюють піну, яка захоплює частинки бруду й виносить їх на поверхню.

Поясніть результати досліду: у суху пробірку помістили шматочок мила, 4 краплі спирту, енергійно збовтали й добавили краплю фенолфталеїну. Забарвлення розчину не змінилося. До спиртового розчину мила добавили краплями дистильовану воду. У міру добавляння води виникало рожеве забарвлення. Інтенсивність забарвлення поступово збільшувалася.

Солі неорганічних кислот також зазнають гідролізу. Наприклад, натрій карбонат (кальцинована сода):

Na₂CO₃ → 2Na⁺ + CO₃^2-;

2Na⁺ + СО₃^2- + НОН ⇄ 2Na⁺ + НСО₃^- + ОН^-;

СО₃^2- + НОН ⇄ НСО₃^- + OH^-.

Зверніть увагу: карбонат-аніон двозарядний, тож можливе приєднання ним ще одного катіона Гідрогену:

НСО₃^- + НОН ⇄ Н₂СО₃ + OH^-.

Тобто процес гідролізу натрій карбонату двостадійний:

I стадія: СО₃^2- + НОН ⇄ НСО₃^- + ОН^-;

II стадія: НСО₃^- + НОН ⇄ Н₂СО₃ + ОН^-.

Зверніть увагу: на другій стадії лише незначна частка гідрогенкарбонат-іонів з-поміж тих, що утворилися на першій стадії, зазнає гідролізу. Тому записувати сумарне рівняння й скорочувати формули йонів, що беруть участь у гідролізі, не можна.

Так само поетапно відбувається гідроліз алюміній хлориду:

AlCl₃ → Al³⁺ + 3Cl^-;

Al³⁺ + 3Cl^- + НОН ⇄ АlОН²⁺ + 3Cl^- + Н⁺;

І стадія: Al³⁺ + НОН ⇄ АlОН²⁺ + Н⁺;

II стадія: АlОН²⁺ + НОН ⇄ Аl(ОН)₂⁺ + Н⁺;

III стадія: Аl(ОН)₂⁺ + НОН ⇄ Аl(ОН)₃ + Н⁺.

Зверніть увагу: гідроліз на другій стадії відбувається значно меншою мірою, ніж на першій, а на третій — майже не відбувається. Про це свідчить прозорість розчину. Тобто алюміній гідроксиду утворюється так мало, що на просте око побачити його неможливо.

Перетворіть скорочені йонні рівняння кожної зі стадій реакцій гідролізу натрій карбонату та алюміній хлориду на молекулярні.

Якщо й основа, й кислота, з катіонів й аніонів яких складається сіль, слабкі, гідроліз також відбувається, бо катіони слабкої основи зв’язують гідроксид-аніони, а аніони слабкої кислоти — катіони Гідрогену. Тобто відбуватимуться дві незалежні оборотні реакції. Тож яких йонів у розчині виявиться більше, залежить від ступеня перебігу кожної з них.

Поміркуйте й поясніть, чи зазнаватимуть гідролізу солі сильних кислот і основ.

Вода реагує з амоніаком. Унаслідок хімічної взаємодії молекул амоніаку з молекулами води утворюються катіони амонію та гідроксид-аніони (мал. 7.21). У цій реакції атом Нітрогену є донором неподіленої електронної пари, а катіон Гідрогену — акцептором, бо приймає її на вільну 1s-орбіталь.

Мал. 7.21. Під час розчинення амоніаку у воді утворюються катіони амонію і гідроксид-аніони ОН^-. Ковалентний зв’язок, що утворився між атомом Нітрогену та протоном — результат усуспільнення ними неподіленої електронної пари атома Нітрогену. Він нічим не відрізняється від інших зв’язків Ν—Η. Спрогнозуйте, якого кольору набуде фенолфталеїн у водному розчині амоніаку