Вода как универсальный растворитель реферат
Обновлено: 03.07.2024
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:
Общее понятие термина "вода". Физические и химические свойства и особенности воды. Вода в природе и за пределами Земли. Вода как универсальный растворитель, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Интересные факты о воде
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 31.03.2010 |
| Размер файла | 21,1 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Вода (оксид водорода) -- прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном -- водяным паром.
Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки, лёд на полюсах).
Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).
Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.
2. Физические свойства
Вода обладает рядом необычных особенностей:
При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/см?). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.
При нагревании от 0 °C до 4 °C (точнее, 3,98 °C) вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.
Высокая температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг [1]), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.
Высокая теплоёмкость жидкой воды.
Высокое поверхностное натяжение.
Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.
Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода -- каждый в одной, а атом кислорода -- в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные -- атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде.[2] Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.
Чистая (не содержащая примесей) вода -- хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов HO- составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода -- хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.
По состоянию различают:
Газообразное -- водяной пар
При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C. При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения -- падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.
При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды -- падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.
Так же возможны метастабильные состояния -- пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.
Изотопные модификации воды
И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды: Лёгкая вода (просто вода), Тяжёлая вода (дейтериевая) и Сверхтяжёлая вода(тритиевая).
3. Химические свойства
Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит -- и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH-). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ? ок. 16.
Сама по себе вода относительно инертна в обычных условиях, но её сильно полярные молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.
4. Вода в природе
В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая криосферой. Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.
Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями. Чтобы понять, почему это важно и на что это влияет, нам придется ввести несколько дополнительных понятий из общей химии.
Электроотрицательность — сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.
Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной — это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).
Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) — всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.
При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).
Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды — конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) — образец чисто ионного вещества.
Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества — углеводороды. Типичные гидрофильные вещества — спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.
Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, двуокись углерода (CO2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).
Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке — художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.
На крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH4), этана (C2H6) и пропана (C3H8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине — пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.
Аммиак (NH3) — гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.
Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.
Можно придумать и другие экзотические варианты — например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она — не единственная теоретически возможная.
Совместная работа с детьми 2 класса. Опыты с растворителями и водой.
Государственное учреждение Луганской Народной Республики
«Луганское общеобразовательное учреждение – средняя общеобразовательная школа №13
Исследовательская работа
2 – А класс
Пивоварова Инна Александровна
Дети 2 – А класса
Свойства воды 6
Научные исследования воды 7
Список литературы 13
«Если есть магия на этой планете,
Лорен Эйсели
Проблема исследования: низкий уровень знания свойства воды как растворителя.
Актуальность данной темы. Вода и жизнь не отделимы друг от друга. Вода – это: передвижение (плоты, лодки, корабли); поддержание чистоты; движение машин, вырабатывающих электрический ток; переносит тепло по трубам; растворение красок, крашение кожи и ткани; изготовление бумаги, мыла, стекла, выпечка хлеба; полив растений и др.
Во многом человек зависит от такого свойства воды как способность растворять другие вещества. Поэтому изучить свойства воды как растворителя на опыте с другими веществами мне показалось очень интересным.
Практическая значимость исследования. Знания о свойстве воды как растворителя можно использовать на уроках окружающего мира, литературного чтения, изобразительного искусства и технологии, во внеклассной работе. Изучение данной проблемы обогащает словарный запас и способствует овладению научными знаниями.
Объект исследования: свойства воды как растворителя.
Предмет исследования: вода из водопровода г. Луганска.
Цель: изучить свойства воды как растворителя на опыте с другими веществами(зеленка, сахар, мука, пермангана́т ка́лия, песок.)
1.Изучить специальную литературу
2.Узнать свойства воды как растворителя
3. Провести опыты с растворимыми и не растворимыми веществами в воде
Методы работы:
исследование литературы с целью уточнения полноты отражения заявленной темы в имеющихся источниках;
поиск нужной информации в сети интернет;
обобщение полученной информации в виде реферата, создание презентации.
Гипотеза: у воды есть много различных свойств, одно из них – свойство воды как растворителя. В природе есть растворимые в воде и не растворимые в воде вещества, в домашних условиях и в классе были проведены опыты, которые доказывают эти свойства воды.
4 Вода в природе
Вода – это озёра, реки, моря, океаны. Вода есть в воздухе, почве, под землёй. Вода – это ледники в горах и облака в небе. Вода входит в состав всех живых организмов. Вода и жизнь не отделимы друг от друга. Но вода нужна человеку не только для питья и приготовления пищи. Вода – это: - передвижение (плоты, лодки, корабли);
- движение машин, вырабатывающих электрический ток;
- переносит тепло по трубам;
- растворение красок, крашение кожи и ткани;
- изготовление бумаги, мыла, стекла, выпечка хлеба;
- полив растений и др.
Во многом человек зависит от такого свойства воды как способность растворять другие вещества.
5 Свойства воды
Обычно среди свойств воды называются такие, как
принимает любую форму, в которую её налить
вода расширяется и сжимается
Одно из свойств воды мы рассмотрим на опытах.
6 Научные исследования воды
Если человек может прожить без пищи 40 дней, то без воды — не больше недели. Об этом простом принципе знали еще древние люди. Поэтому место для жилья они выбирали, исходя из элементарных соображений: селились в основном у рек и озер, где была пресная вода. Также использовались подземные и дождевые воды и родники.
Если для древнего человека было проблемой найти чистую питьевую воду, то сегодня она свободно течет у нас из кранов. Как говорится, пей — не хочу. Однако исследования, проведенные в США, показали, что 75% американцев страдают от жажды, но сами того не знают. Как утверждают ученые, похожая тенденция наблюдается во всем мире.
Оказывается, у каждого третьего человека невероятно слабо развито чувство жажды. И желание пить часто путается с чувством голода.
Вспомните, когда вы по-настоящему испытывали жажду? Наверное, только в детстве или когда очень жарко. Понаблюдайте за собой и за детьми, как жадно они пьют. Поэтому и проблем с лишним весом у маленьких граждан меньше, чем у взрослых. Специалисты объясняют это тем, что даже совсем незначительное обезвоживание снижает общий метаболизм на 3%.
Современные медики согласны с древнегреческим целителем. Они уверены, что теплая вода действительно расслабляет, а следовательно, снимает головную и мышечную боль, облегчает насморк. А если принимать эту чудо-жидкость внутрь?
Предварительное исследование диетологов доказало, что употребление
8–10 стаканов сырой, т.е. родниковой или очищенной, воды в день облегчает боль в позвоночнике и суставах у 80% больных (заметим, не у здоровых людей!).
Также ученые говорят, что незначительное снижение количества воды в организме, например всего на 2%, может послужить причиной нарушения кратковременной памяти, вызвать серьезную проблему в простейших вычислениях: человек не может сосредоточиться на экране монитора, не может без ошибки набрать простой текст.
Противоречащих друг другу исследований о воде много. Ученые из всех стран мира продолжают внимательно изучать это вещество. Одно можно сказать с уверенностью: обезвоживание ни к чему хорошему не приведет. Необходимо пить тогда, когда этого хочется, либо в жаркое время и при определенных заболеваниях.
Анкетирование
9 ОПЫТЫ
1.В сосуд с водой положим несколько крупинок марганцовокислого калия (марганцовка)
2. Помешаем полученную жидкость ложкой
3. Образовался раствор ярко малинового цвета
4. При фильтровании раствора на фильтре нет осадка
5. Вывод: Следовательно, марганцовка растворяется в воде
1.В сосуд с водой поместим кусочек сахара
3.Полученный раствор бесцветный и не имеет запаха
4.При фильтровании раствора на фильтре нет осадка
5.Вывод:Следовательно,сахар растворяется в воде.
1.В сосуд с водой капнем немного зеленки
2.Зеленка сразу не растворяется, а пятном растекается на поверхности, постепенно воронкой опускается вниз.
3.Полученный раствор бурый и имеет запах
4.При фильтровании раствора на фильтре нет осадка
5.Вывод: Следовательно, зеленка растворяется в воде.
1.В сосуд с водой положим немного муки
2.Помешаем полученную жидкость ложкой
3.Полученный раствор мутного цвета
4.При фильтровании раствора на фильтре остаётся осадок
5.Вывод: мука не растворяется в воде
1.В сосуд с водой положим немного песка
2.Помешаем полученный раствор ложкой
3.Полученный раствор мутный с выпавшим осадком
4.При фильтровании раствора на фильтре остался осадок
5.Вывод: Следовательно, песок не растворяется в воде.
В ходе исследовательской работы мы узнали, что вода является растворителем не всех веществ, некоторые вещества растворяются в воде, а некоторые нет.
Мы провели дома и в классе несколько опытов, показывающих свойства воды как растворителя – это оказалось очень интересным.
В ходе исследовательской работы предположение, что вода имеет свойства растворителя подтвердилось.
Но подтвердилось и утверждение, что вода является растворителем не всех веществ, например, такие как мука и песок.
Мы провели несколько опытов, показывающих свойства воды как растворителя и сфотографировали результаты исследования.
Список литературы:
Читайте также: