Вследствие полярности вода лучше растворяет вещества

Вода как растворитель

Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. Тело среднего человека массой 70 кг содержит примерно 40 кг воды. При этом около 25 кг воды приходится на жидкость внутри клеток, а 15 кг составляет внеклеточная жидкость, в которую входят плазма крови, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость, внутриглазная жидкость и жидкое содержимое желудочно-кишечного тракта. У животных и растительных организмов вода составляет обычно более 50%, а в ряде случаев содержание воды достигает 90—95%.

Вследствие своих аномальных свойств вода уникальный растворитель, прекрасно приспособленный для жизнедеятельности.

Прежде всего вода хорошо растворяет ионные и многие полярные соединения. Такое свойство воды связано в значительной мере с ее высокой диэлектрической проницаемостью (78,5).

Другой многочисленный класс веществ, хорошо растворимых в воде, включает такие полярные органические соединения, как сахара, альдегиды, кетоны, спирты. Их растворимость в воде объясняется склонностью молекул воды к образованию полярных связей с полярными функциональными группами этих веществ, например с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом кислорода карбонильной группы альдегидов и кетонов. Ниже приведены примеры водородных связей, важных для растворимости веществ в биологических системах. Вследствие высокой полярности вода вызывает гидролиз веществ.

Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов обмена в организме.

Необходимо отметить, что вода является конечным продуктом биологического окисления веществ, в частности глюкозы. Образование воды в результате этих процессов сопровождается выделением большого количества энергии приблизительно 29 кДж/моль.

Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Для воды характерно наличие ассоциатов групп молекул, соединенных водородными связями.

В зависимости от сродства к воде функциональные группы растворяемых частиц подразделяются на гидрофильные (притягивающие воду), легко сольватируемые водой, гидрофобные (отталкивающие воду) и дифильные.

К гидрофильным группам относятся полярные функциональные группы: гидроксильная —ОН, амино —NH₂ , тиольная —SH, карбоксильная —СООН.

К гидрофобным — неполярные группы, например углеводородные радикалы: СНз—(СН₂)_п —, С₆Н₅ —.

К дифильным относят вещества (аминокислоты, белки), молекулы которых содержат как гидрофильные группы (—ОН, —NH₂ , —SH, —СООН), так и гидрофобные группы: (СН_3, (СН₂)_п ,—С₆Н₅—).

При растворении дифильных веществ происходит изменение структуры воды как результат взаимодействия с гидрофобными группами. Степень упорядочения молекул воды, близко расположенных к гидрофобным группам, увеличивается, и контакт молекул воды с гидрофобными группами сводится к минимуму. Гидрофобные группы, ассоциируясь, выталкивают молекулы воды из области своего расположения.

Процесс растворения

Природа процесса растворения сложна. Естественно, возникает вопрос, почему некоторые вещества легко растворяются в одних растворителях и плохо растворимы или практически нерастворимы в других.

Образование растворов всегда связано с теми или иными физическими процессами. Одним из таких процессов является диффузия растворенного вещества и растворителя. Благодаря диффузии частицы (молекулы, ионы) удаляются с поверхности растворяющегося вещества и равномерно распределяются по всему объему растворителя. Именно поэтому в отсутствие перемешивания скорость растворения зависит от скорости диффузии. Однако нельзя лишь физическими процессами объяснить неодинаковую растворимость веществ в различных растворителях.

Великий русский химик Д. И. Менделеев (1834—1907) считал, что важную роль при растворении играют химические процессы. Он доказал существование гидратов серной кислоты H₂SО_4*H₂O, H₂SО_4*2H₂O, H₂SО_4*4H₂О и некоторых других веществ, например, С₂Н₅ОН*3Н₂О. В этих случаях растворение сопровождается образованием химических связей частиц растворяемого вещества и растворителя. Этот процесс называется сольватацией, в частном случае, когда растворителем является вода, гидратацией.

Как установлено, в зависимости от природы растворенного вещества сольваты (гидраты) могут образовываться в результате физических взаимодействий: иондипольного взаимодействия (например, при растворении веществ с ионной структурой (NaCI и др.); дипольдипольного взаимодействия при растворении веществ с молекулярной структурой (органические вещества)).

Химические взаимодействия осуществляются за счет донорноакцепторных связей. Здесь ионы растворенного вещества являются акцепторами электронов, а растворители (Н₂О, NН₃) донорами электронов (например, образование аквакомплексов), а также в результате образования водородных связей (например, растворение спирта в воде).

Доказательствами химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем являются тепловые эффекты и изменение окраски, сопровождающие растворение.

Например, при растворении гидроксида калия в воде выделяется теплота:

А при растворении хлорида натрия теплота поглощается:

Теплота, выделяемая или поглощаемая при растворении 1 моля вещества, называется теплотой растворения Q_раств

В соответствии с первым началом термодинамики

где ΔН_раств изменение энтальпии при растворении данного количества вещества.

Растворение в воде безводного сульфата меди белого цвета приводит к появлению интенсивной голубой окраски. Образование сольватов, изменение окраски, тепловые эффекты, как и ряд других факторов, свидетельствуют об изменении химической природы компонентов раствора при его образовании.

Таким образом, в соответствии с современными представлениями, растворение физико-химический процесс, в котором играют роль как физические, так и химические виды взаимодействия.

Источник

Универсальный растворитель – определение и характеристики

Универсальное определение растворителя

Вода это вещество, которое мы называем универсальным растворитель, Растворитель – это просто жидкость, в которой могут растворяться другие вещества, и причина, по которой вода получила ярлык универсального растворителя, заключается в том, что никакой другой растворитель не может растворить столько веществ, сколько может. Это в основном то, что делает его таким важным для жизни на земле. Кроме того, удивительно, что каждый водоем, найденный на земле, включая лед, поддерживает ту или иную форму жизни, которая адаптировалась к температуре и давлению, обнаруженному в этой форме воды.

Тот простой факт, что ученым всегда интересно находить воду, связанную с жизнью, на других планетах, многое говорит об этом, казалось бы, простом веществе. Вода является наиболее распространенным веществом в организмах и клетках. Конечно, есть много очевидных применений для воды, таких как питье, мытье и тушение пожаров, и это благодаря характеристикам, которыми он обладает, которые делают его универсальным растворителем. Вода очень важна для жизни, потому что для многих важных реакций в организме организмов необходима водная среда. Например, вода необходима для переваривания белков в аминокислоты, И в фотосинтез и пищеварение.

Характеристики универсального растворителя

полярность

Это большая часть того, почему вода является универсальным растворителем. Полярность – это неравномерность распределения электронов в молекула, что приводит к одной молекуле, имеющей две противоположные стороны; один отрицательный и один положительный. Теперь вода имеет молекулярную формулу H2O, поэтому каждая молекула воды имеет два атома водорода и один атом кислорода, как вы можете видеть на диаграмме ниже. Атомы водорода не находятся на противоположных сторонах друг друга, и они несут частичный положительный заряд. Это означает, что они создают положительно заряженную часть молекулы, в то время как кислородный конец создает отрицательно заряженную часть. Эта полярность означает, что вода может присоединяться и, следовательно, растворять полярные и ионные (заряженные) вещества.

Высокая удельная теплоемкость

Количество энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на 1 градус Цельсия, является ее удельной теплотой, и при одной калории на грамм она намного выше, чем удельная теплоемкость большинства жидкостей. Это хорошая новость для нас, так как мы на 60% состоим из воды, и мы не смогли бы выжить, если бы наши тела сильно и быстро остыли и нагрелись. Это также имеет решающее значение для выживания всех других организмов, в том числе водных организмов. Это означает, что океаны и реки не замерзают постоянно или не испаряются при изменении температуры. Если вода не может стабилизировать свою температуру, энергия, которая выделяется во время обмена веществ в живых организмах, может привести к перегреву и смерти.

Уникальные свойства плотности и температуры

Когда мы помещаем кубик льда в воду, он плавает, и, к счастью, то же самое относится и к айсбергу. Если бы лед был более плотным, чем вода, он бы постоянно замерзал наверху, а затем опускался, пока все водоемы не превратятся в лед, уничтожая всю жизнь. Вода также существует в виде газа, жидкости и твердого вещества в очень небольшом диапазоне температур, что означает, что мы можем найти ее во всех трех формах на Земле в зависимости от того, где мы находимся, и часто в одном и том же месте. Это не часто встречающаяся собственность.

• растворенное вещество – Это вещество, которое растворяется в другом растворителе.
• Ковалентная связь – Распределение электронов между атомами с образованием молекулы.
• Круговорот воды – Процесс циркуляции воды между различными элементами земли – атмосферой, землей и океанами.
• метаболизм – Все химические реакции, происходящие внутри живых организмов.

викторина

1. Вода считается полярной, потому что:A. У этого есть одна отрицательная сторона и другая, которая является положительной.B. Это универсальный растворитель.C. У него два атома водорода.D. Это самый плотный в твердой форме.

Ответ на вопрос № 1

верно. У воды есть сторона, которая немного положительна, и сторона, которая слегка отрицательна.

2. Что из следующего является силой, которая удерживает молекулы воды вместе?A. Ковалентные связи B. Ионные связиC. Полярные связиD. Водородные связи

Ответ на вопрос № 2

D верно. Водородные связи образуются между атомами кислорода и атомами водорода различных молекул воды.

3. Какое свойство относится к слипшимся молекулам воды?A. прилипание B. полярностьC. когезияD. Быть универсальным растворителем

Ответ на вопрос № 3

С верно. Силы сцепления, вызванные водородными связями, делают воду эластичной.

Источник

Вода и химия

Энергия образования молекулы воды высока и составляет 242 кДж/моль. Поэтому вода химически весьма устойчива, особенно в природных условиях. Эта устойчивость в сочетании с электрическими характеристиками воды и молекулярным строением делает воду практически универсальным растворителем для многих веществ, В самом деле, большинство минеральных и органических веществ, а также газов растворимы в воде.

Вода, как растворитель

Чтобы растворить вещество, нужно разрушить силы сцепления, создающиеся благодаря электростатическим или ковалентным силам, которые могут быть:

• межатомными строго химическими связями; ковалентными связями (между атомами), электровалентными или ионными связями (атом — электроны);
• межмолекулярными связями сцепления между молекулами (водородные связи);
• слабыми силами притяжения (Лондон, Ван-дер-Ваальс). Такое разнообразие связей объясняет множество различных состояний вещества.

Силы гидратации воды (биполярной молекулы) полностью или частично разрушают (начиная со слабых сил притяжения) различные электростатические связи между атомами и молекулами растворенного вещества. Эти связи заменяются новыми связями с молекулами воды, обусловливающими возникновение новых структур, что приводит к истинно, химическим реакциям (сольватации). При полной сольватации происходит образование раствора.

Растворимость веществ в различных фазах

Газы. Растворимость их подчиняется закону Генри, по которому количество газа, способного раствориться, пропорционально коэффициенту растворимости а каждого газа, концентрации С газа в газовой фазе и общему давлению Р газовой фазы над водой. Объем растворяющегося газа равен У=аСР.

Ангидриды (С02, S02) и различные газообразные кислоты (НСl), растворяясь в воде, вступают в реакцию с ней. Коэффициент растворимости таких соединений намного выше, чем у многих других газов.

Кислород более растворим, чем азот; экстрагируемые из воды растворенные газы богаче кислородом, чем исходный воздух.

Жидкости. Так как молекула воды полярна, растворимость жидкости в воде зависит от полярности молекул растворяемой жидкости. Например, молекулы, содержащие группы ОН-(спирты, сахара), SH- и NH-2, сильно полярны и хорошо растворимы в воде, между тем другие жидкости (углеводороды, четыреххлористый углерод, масла и жиры и т. д.) будучи неполярными очень слабо растворимы в воде. Имеются частично растворимые вещества, которые смешиваются только при температуре выше критической (так вода и фенол смешиваются при температуре выше 63,5 °С), или ниже критической температуры (триметиламин растворяется во всех пропорциях, но при температуре ниже 18,5 °С) или же при температуре, находящейся в пределах между двумя критическими, высшей и низшей (водно-никотиновая система).

Твердые вещества. Растворимость, которая определяется максимальной массой вещества, растворяющегося в данной массе растворителя, имеет точное значение только при растворении кристаллических веществ. В случае растворения макро-молекулярных веществ подобного точного равновесия, какое существует между кристаллическим веществом и соответствующим насыщенным раствором, не создается; часто не наблюдается разрыва между протекающим непрерывно переходом вещества из твердого состояния в раствор. Более того, раствор макромолекул обычно содержит молекулярные частицы различных размеров. При очистке воды приходится учитывать размер и электрический заряд растворенных частиц, поэтому следует различать типы растворов и суспензий.

Истинный или молекулярный раствор представляет собой гомогенную (однофазную) систему. В кристаллоидном растворе растворенные частицы представлены малыми молекулами (менее нанометра) как ионизированными (кислоты, щелочи, соли), так и неионизированными (сахара и т. п.). Макромолекулярный раствор образуется из частиц размером более нанометра, он может включать ионизированные группы.

Коллоидные суспензии, называемые также мицеллярными или псевдорастворами, состоят из двух фаз и являются четко выраженными гетерогенными системами, в которых диспергированные частицы разных размеров представляют собой скопления атомов (металлы) или молекул. Суспензии (с твердыми веществами) и эмульсии (с жидкостями) образуются из частиц, видимых в оптический микроскоп.

Гидрофилизация

Растворимость вещества может быть различной в зависимости от типа растворителя. Например, хлористый натрий растворяется в воде лучше, чем в спирте, а парафин — лучше растворяется в бензоле, чем в воде.

Растворимость в воде зависит от природы вещества, или более определенно, от функциональных групп, входящих в его состав; поэтому характерные группы классифицируются на гидрофильные (ОН—СО—NH2 и т.д.) и гидрофобные (СН3—СН2— С6Н5).

В некоторых случаях растворение или простое смачивание осуществляется с помощью третьего составляющего, называемого солюбилизатором для истинных растворов и пептизатором для коллоидных, эмульсификатором для эмульсий, стабилизатором для коллоидных суспензий и смачивающим агентом для действия на поверхности. Эти вспомогательные агенты являются связующими между растворителем и растворяемым веществом, поддерживая последнее в диспергированном или смоченном состоянии.

Связующая способность растворителя обусловлена его гидрофильной группой, а связующая способность трансформируемою вещества — либо химической природой (в результате действия щелочей., или сильных кислот), либо силами когезии. Последняя образуется вследствие асимметричности (полугидро-фильности) молекул. Один конец молекулы имеет сродство к воде и является гидрофильным, а другой имеет тенденцию к ассоциации (действие детергентов, тринатрийфосфата, смачивающих агентов) с молекулами стабилизируемого вещества или вещества, адсорбируемого на его поверхности. Образуются более гидрофильные частицы или адсорбированные комплексы.

Некоторые агенты могут разрушать связи между растворителем и веществом, находящимся в растворенном состоянии, диспергированном или смоченном. В зависимости от характера действия подобные агенты называются осадителями, коагулянтами, флокулянтами, уплотнителями или депрессантами. Такое разрушение может быть вызвано химическим воздействием (например, нейтрализацией ОН- ионов или ионизированных групп). Вспомогательные агенты способны разрушать полугидрофильные ковалентные связи вследствие нейтрализации гидрофильной части или притягиванием гидрофильной части к поверхности либо пузырька воздуха (флотация), либо к более или менее гидрофильному нерастворенному адсорбенту. Разрушение вызывается также в результате нейтрализации электростатических сил (действие поливалентных катионов и ионных полиэлектролитов).

Истинные растворы

Соотношение между растворенным веществом и растворителем может быть выражено:

• концентрацией по массе (число единиц массы растворенного вещества в единице массы растворителя);
• молярной долей (отношение числа молей растворенного вещества к общему числу молей, т. е. растворитель+растворенное вещество);
• моляльностью (число молей, растворенных в 1000 г растворителя);
• молярностью (число молей, растворенных в 1 л раствора).

Молекулы растворенного вещества ведут себя в растворителе точно так же, как молекула газа в другом газе. Сильно разбавленные растворы хорошо описываются законами идеальных газов. Если концентрация значительна, растворенные молекулы менее активны, чем то же число молекул идеального газа. Концентрация (с) заменяется в этом случае активностью [a]:

Источник