Вода и жизнь
Вода – одно из самых распространенных соединений на нашей планете. Свыше 3/4 поверхности Земли (около 400 000 000 км2) покрыто водой. Все ныне известные нам формы жизни нуждаются в ней, ведь вода – это важнейший растворитель, необходимый для протекания поддерживающих жизненные процессы химических реакций. Именно вода делает возможной жизнь на Земле. Поэтому в поисках жизни вне Земли ученые в первую очередь ищут небесные тела, на которых есть вода, причем именно в жидком агрегатном состоянии. Однако такого количества жидкой воды, как на Земле, нет ни на одной другой планете нашей Солнечной системы. Впрочем, считается, что на ранних этапах ее формирования жидкая вода встречалась гораздо чаще, и на таких планетах, как Марс и Венера, существовали океаны. Считается, что и в наше время на некоторых спутниках Юпитера и Сатурна под толстым слоем льда скрываются огромные жидкие водоемы.
Особые свойства воды
Чистая вода – это бесцветная жидкость без запаха и вкуса. Она замерзает при 0 °С и кипит при 100 °С. Температуры замерзания и кипения воды имеют огромное значение в повседневной жизни. Их можно легко определить в школьной лаборатории. Именно на этих температурах основана температурная шкала Цельсия.
По своим свойствам вода отличается от других жидкостей. Из курса природоведения ты знаешь, что самую большую плотность вода имеет при 4 °С (1,00 г/см3). При температурах выше и ниже 4 °С плотность воды постепенно уменьшается, то есть вода становится легче. Если большинство жидкостей, в том числе и расплавленные металлы, при затвердевании сжимаются, то вода при замерзании заметно расширяется (плотность льда 0,92 г/см3). Это связано с тем, что между молекулами льда существуют большие пустоты, и поэтому его структура неплотная. Именно этим свойством воды объясняются случаи, когда оставленная на морозе емкость с водой или отопительная батарея в неотапливаемом зимой помещении лопаются. Расширение воды при замерзании играет в природе важную роль. Поскольку лед легче воды, его образование происходит на поверхности. Это предотвращает промерзание глубоких водоемов и обеспечивает возможность существования в них живых организмов.
Ю. Лийв. «Тень»
Вода влияет на климат Земли. Большая теплоемкость и высокая удельная теплота парообразования воды способствуют смягчению резких перепадов температур в межсезонные периоды и при смене дня и ночи. Особенно сильно вода влияет на климатические условия в прибрежных районах морей и океанов (в регионах с морским климатом).
Подумай!
- Почему после купания даже в жаркую погоду мы ощущаем холод?
- Почему осенний холод или весеннее тепло в Южной Эстонии наступают на одну-две недели раньше, чем в Западной Эстонии?
Пояснение. Теплоемкость и теплота парообразования
Между молекулами воды существует более сильное взаимодействие, чем между молекулами других жидкостей. Поэтому вода в жидком состоянии имеет высокую удельную теплоемкость и теплоту парообразования.
Удельная теплоемкость вещества показывает количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г вещества на 1 °С. Теплоемкость воды равна 1 кал/(г · °C), или 4,2 Дж/(г · °C). Многие вещества имеют более низкие значения теплоемкости. Например, теплоемкость железа почти в 10 раз меньше теплоемкости воды. На нашей планете очень много воды. Из-за ее высокой удельной теплоемкости огромное значение приобретает суммарная теплоемкость воды на Земле. Теплоемкость показывает количество теплоты, необходимое для нагревания данного количества вещества на 1 °С.
Для испарения вещества (перехода из жидкого состояния в газообразное) необходимо увеличить его внутреннюю энергию, или, иначе, сообщить ему энергию. Количество теплоты, необходимое для испарения определенного количества вещества (1 кг или 1 г), называется удельной теплотой парообразования и конденсации этого вещества. Поскольку вода имеет высокое значение удельной теплоты парообразования, при ее испарении поглощается много теплоты. При конденсации водяного пара происходит уменьшение внутренней энергии и выделение теплоты.
– количество теплоты, необходимое для нагревания данного количества вещества на 1 °С.
– количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г вещества на 1 °С.
– количество теплоты, необходимое для испарения определенного количества вещества.
Вода как растворитель
Вода – один из самых лучших и распространенных растворителей. В ней растворяются многие вещества – газообразные, жидкие и твердые.
Большое количество воды содержится в живых организмах, где она тоже играет роль растворителя. Многие процессы живой природы протекают с участием растворенных в воде веществ. Водные растворы участвуют в обмене веществ и кровообращении. Растения получают питательные вещества из водных растворов, которые они впитывают корнями из почвы.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с растворами на каждом шагу: употребляем их в виде напитков (например, соков или чая), используем при приготовлении пищи (например, уксус). В виде растворов применяются различные лекарства, средства для защиты растений, а в некоторых случаях – удобрения.
Растворы широко используются в химической лаборатории. Многие реакции безопаснее и проще проводить между растворами, а не между чистыми веществами.
Разные вещества имеют разную растворимость. Хорошо растворяются в воде вещества, частицы которых образуют с молекулами воды прочные связи (например, соли и кислоты). Те вещества, частицы которых не способны образовывать связи с молекулами воды, или плохо растворяются в воде, или практически нерастворимы (например, различные соединения углерода: парафин, бензин, эфир и др.)
- Вазелин
- Парафин
- Сахар (сахароза)
- Моторное масло
- Поваренная соль и другие соли
- Этанол
- Бензин
- Уксусная кислота
- Кислород
- Пищевая сода
Дополнительное чтение. Взаимодействие молекул воды
Мы уже знаем, что атомы в молекулах удерживаются благодаря общим электронным парам. Общая электронная пара принадлежит двум атомам, эти электроны вращаются вокруг обоих ядер. Но при этом электронная пара принадлежит атомам неравноценно.
В молекуле воды один атом кислорода связан с двумя атомами водорода, с обоими атомами водорода у атома кислорода одна общая электронная пара. Но кислород по сравнению с водородом более активный неметалл. Он сильнее оттягивает на себя общую электронную пару, поэтому электроны чаще находятся вблизи ядра атома кислорода, чем водорода. Но поскольку электроны заряжены отрицательно, атом кислорода приобретает небольшой отрицательный, а водород – небольшой положительный заряд.
Таким образом, в молекуле воды образуется два полюса – положительный и отрицательный. Поэтому молекула воды полярна, хотя в целом нейтральна. Величины положительного и отрицательного зарядов уравновешивают друг друга, и суммарный заряд молекулы равен нулю.
Поскольку молекулы воды полярны, они оказывают друг на друга сильное влияние. Между положительным полюсом одной молекулы и отрицательным полюсом другой возникают взаимные силы притяжения. Вследствие положительного заряда атомов водорода между молекулами воды возникает особый вид связи, называемый водородной связью. Поэтому они довольно прочно связаны между собой. Для разрыва этой связи необходимо затратить дополнительную энергию. Именно этим объясняются высокие значения теплоемкости и удельной теплоты парообразования воды.
Вода как полярный растворитель
С древнейших времен химикам известен принцип: «подобное растворяет подобное». Это значит, что вещества лучше растворяются в тех растворителях, которые обладают сходными с ними свойствами.
В воде лучше растворяются вещества, состоящие из ионных, то есть полярных, молекул. Частицы таких веществ образуют более прочные связи с полярными молекулами воды. Это способствует легкому разрыву связей между частицами растворяемого вещества и их эффективному смешиванию с молекулами воды.
Вещества, состоящие из неполярных молекул, в воде растворяются плохо. Гораздо лучше для них подходят бензин и те растворители, которые состоят из молекул с небольшой полярностью.
Выводы
- Вода имеет самую большую плотность при 4 °С.
- Вода расширяется при замерзании.
- Вода обладает высокой удельной теплоемкостью и теплотой парообразования.
- Вода – растворитель; в ней хорошо растворяются вещества, частицы которых образуют прочные связи с полярными молекулами воды.
Вопросы и задания
- Назови характерные свойства воды.
- Почему большие водоемы не промерзают до дна?
- Как вода влияет на климат Земли? Какие особые свойства воды обуславливают это влияние?
- Охарактеризуй значение и свойства воды как растворителя.
- Какие вещества хорошо растворяются в воде? Почему?
- Почему некоторые вещества плохо растворяются в воде? Назови их.
