§ 21. Вода. Основания

ГИДРОСФЕРА ЗЕМЛИ И ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННАЯ ВОДА

Водная оболочка нашей планеты называется гидросферой. В её состав входит вся свободная, химически не связанная вода Земли в трёх агрегатных состояниях: жидком (океаны, моря, реки, озёра, грунтовые воды), твёрдом (ледники, полярные ледяные щиты, снежный покров) и газообразном (водяной пар в атмосфере).

При этом колоссальные объёмы воды находятся на планете в химически связанном состоянии: она входит в состав живых клеток всех организмов, а также в структуру многочисленных кристаллических минералов — кристаллогидратов (например, в гипсе CaSO₄·2H₂O, глауберовой соли Na₂SO₄·10H₂O). Химически связанная вода прочно удерживается внутри кристаллических решёток и в общий объём гидросферы не включается.

Общий объём гидросферы колоссален и составляет около 1400 млн км³:

• Подавляющая часть — 96,5% — приходится на солёные воды Мирового океана;
• Доля всех материковых вод составляет лишь 3,5%, причём почти половина из них (1,7%) законсервирована в виде труднодоступных полярных льдов Антарктиды и Гренландии, и только 1,7% представляет собой пресную жидкую воду рек, озёр, болот и подземных источников.

Мировой океан занимает 361 млн км² из 510 млн км² всей поверхности планеты (почти 71%). По этой причине Землю справедливо называют «планетой Океан». Распределена вода крайне неравномерно: в Океаническом полушарии на долю суши приходится лишь 9%, тогда как материки сосредоточены преимущественно в противоположном полушарии.

НЕПРЕРЫВНЫЙ КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Мировой океан и суша неразрывно связаны великим природным процессом — круговоротом воды в природе, который ежегодно перемещает сотни тысяч кубических километров влаги и полностью обновляет запасы пресной воды:

1. Солнечные лучи нагревают поверхность Мирового океана и суши, вызывая непрерывное испарение воды;
2. Водяной пар поднимается в верхние слои тропосферы, охлаждается и конденсируется в мельчайшие капельки, формируя облака;
3. Воздушные массы переносят влагу на континенты, где она выпадает в виде атмосферных осадков (дождя или снега);
4. Часть выпавшей влаги сразу испаряется, часть образует поверхностный сток ручьёв и рек, а значительная доля просачивается в почву, пополняя подземные горизонты (грунтовый сток);
5. В конечном итоге речные и подземные потоки возвращают пресную воду обратно в Мировой океан, замыкая глобальный цикл.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И УНИКАЛЬНАЯ АНОМАЛИЯ ВОДЫ

Химически чистую воду получают путём перегонки (дистилляции) природной воды в специальных аппаратах — её называют дистиллированной водой. Чистая вода представляет собой прозрачную бесцветную жидкость без вкуса и запаха со следующими базовыми константами:

• Температура кипения: 100 °C (при нормальном давлении 760 мм рт. ст.);
• Температура замерзания (кристаллизации): 0 °C;
• Плотность жидкой воды: 1 г/мл (1 г/см³ = 1000 кг/м³);
• Вода является непревзойдённым универсальным растворителем для огромного числа неорганических и органических соединений.

Температурная аномалия плотности воды:

Почти все известные в природе жидкости при нагревании равномерно расширяются (их объём растёт, а плотность падает), а при охлаждении сжимаются. Вода ведёт себя совершенно аномально: она сжимается при охлаждении только до температуры +4 °C. При дальнейшем охлаждении от +4 °C до 0 °C вода начинает неожиданно расширяться, а при замерзании её объём скачкообразно возрастает почти на 10%.

Следовательно, наибольшую плотность (ровно 1,000 г/см³) вода имеет при температуре +4 °C. Плотность льда составляет всего 0,92 г/см³, поэтому лёд легче жидкой воды и всегда плавает на её поверхности.

Эта аномалия имеет решающее значение для сохранения жизни на Земле. Зимой остывающая на поверхности водоёма вода опускается на дно только до тех пор, пока её температура не достигнет +4 °C. Более холодная вода (с температурой от +3 °C до 0 °C) оказывается легче и остаётся у поверхности, где и превращается в ледяной панцирь. Ледяная корка защищает водоёмы от промерзания до самого дна, сохраняя на придонном слое стабильную температуру +4 °C, необходимую для зимовки рыб и водных организмов.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ: КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ И ГАШЕНИЕ ИЗВЕСТИ

Вода — химически активное вещество, вступающее в реакции соединения со многими простыми и сложными веществами:

1. Взаимодействие с оксидами неметаллов (кислотными оксидами):

При растворении кислотных оксидов в воде образуются растворимые кислоты:

• SO₂ + H₂O = H₂SO₃ (сернистый газ соединяется с водой с образованием нестойкой сернистой кислоты);
  • SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (оксид серы(VI) энергично реагирует с водой, образуя серную кислоту).

Выбросы промышленных газов (оксидов серы и азота) ТЭЦ и металлургических заводов соединяются с атмосферной влагой облаков, что является первопричиной выпадения разрушительных кислотных дождей, закисляющих почвы и губящих леса.

1. Взаимодействие с оксидами активных металлов (основными оксидами):

Вода энергично взаимодействует с оксидами щелочных (IA-группа) и щёлочноземельных металлов (IIA-группа, начиная с кальция).

Классический пример — взаимодействие тугоплавкого белого оксида кальция CaO (негашёной извести) с водой:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Реакция протекает чрезвычайно бурно, сопровождается шипением, выделением густого пара и огромного количества тепла (сильный экзотермический процесс). Куски извести растрескиваются и рассыпаются в тончайший сухой белый порошок или кашицу. В строительной практике этот процесс образно называют «гашением извести», а полученный гидроксид кальция Ca(OH)₂ — гашёной известью.

КЛАСС ОСНОВАНИЙ: СТРОЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПО РАСТВОРИМОСТИ

Продукт гашения извести Ca(OH)₂, а также едкий натр NaOH относятся к самостоятельному важнейшему классу неорганических соединений:

Основания — это сложные вещества, состоящие из атомов металлов и одной или нескольких гидроксогрупп (-OH).

Гидроксогруппа OH одновалентна. Поэтому число гидроксогрупп в формуле основания всегда в точности равно валентности входящего в него металла:

• Одновалентные металлы: NaOH (гидроксид натрия), KOH (гидроксид калия), LiOH (гидроксид лития);
• Двухвалентные металлы: Ca(OH)₂ (гидроксид кальция), Fe(OH)₂ (гидроксид железа(II)), Cu(OH)₂ (гидроксид меди(II));
• Трёхвалентные металлы: Fe(OH)₃ (гидроксид железа(III)), Al(OH)₃ (гидроксид алюминия).

Классификация оснований по растворимости в воде:

По отношению к воде все основания строго делятся на две группы (согласно таблице растворимости):

• Растворимые в воде основания — Щёлочи: образуются только активными металлами IA-группы (щелочные металлы: LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH) и IIA-группы (щёлочноземельные металлы: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂);
• Нерастворимые в воде основания: все остальные гидроксиды металлов — Cu(OH)₂ (голубой осадок), Fe(OH)₂ (серо-зелёный осадок), Fe(OH)₃ (бурый осадок), Cr(OH)₃ и др.

ИНДИКАТОРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЩЕЛОЧНОЙ СРЕДЫ

Растворимые основания диссоциируют в воде с образованием подвижных гидроксид-ионов OH⁻, которые создают специфическую щёлочную среду. Для её распознавания применяют химические индикаторы — вещества, меняющие свою окраску в зависимости от присутствия ионов в растворе:

• Лакмус: в нейтральной среде имеет фиолетовый цвет, в кислой — красный, а в щелочной среде становится ярко-синим;
• Метиловый оранжевый (метилоранж): в нейтральной среде имеет оранжевый цвет, в кислой — красно-розовый, а в щелочной среде окрашивается в чистый жёлтый цвет;
• Фенолфталеин: самый чувствительный и наглядный индикатор на щёлочь. В нейтральной и кислой средах он абсолютно бесцветен, но при добавлении даже капли щёлочи мгновенно приобретает насыщенную густую малиновую окраску («фенолфталеиновый — в щёлочи малиновый»).

Важная закономерность: индикаторы меняют цвет только в растворах щелочей! На нерастворимые в воде основания (например, порошок Cu(OH)₂ или Fe(OH)₃) индикаторы не действуют, так как они не создают в растворе свободных ионов OH⁻.

ВАЖНЕЙШИЕ ЩЁЛОЧИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И КАЧЕСТВЕННАЯ РЕАКЦИЯ НА CO₂

Среди всех оснований наибольшее практическое значение имеют щёлочи:

1. Едкие щёлочи — гидроксид натрия NaOH (едкий натр, каустик) и гидроксид калия KOH (едкое кали):

Это белые непрозрачные твёрдые кристаллические вещества. Они чрезвычайно гигроскопичны — жадно притягивают пары воды из воздуха и быстро «расплываются» на открытом воздухе, превращаясь в густой концентрированный сироп. Растворение едких щелочей в воде сопровождается сильным выделением тепла.

Своё историческое название «едкие» они получили за способность разъедать органические вещества: кожу, ткани, шерсть, бумагу, оставляя глубокие химические ожоги. В промышленности NaOH используют для варки мыла, очистки нефтепродуктов, производства вискозного волокна, бумаги и средств для прочистки канализационных труб («Крот»).

1. Гидроксид кальция Ca(OH)₂ (гашёная известь):

Белый рыхлый порошок, умеренно растворимый в воде. Находит широкое применение в строительстве (приготовление кладочных растворов и штукатурки), для побелки стволов деревьев против вредителей и для производства хлорной извести (дезинфицирующего средства).

Прозрачный отфильтрованный водный раствор гидроксида кальция в лаборатории называют известковой водой.

1. Качественная реакция на углекислый газ:

Известковая вода служит эталонным реактивом для обнаружения углекислого газа CO₂. При пропускании углекислого газа через прозрачную известковую воду она мгновенно мутнеет:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O

Помутнение вызывается выпадением в осадок нерастворимого белого карбоната кальция (мела).