О.С.ГАБРИЕЛЯН, Т.Н.ПОПКОВА,
Г.А.СИВКОВА, С.А.СЛАДКОВ

Вода в нашей жизни

Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы

Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5, 6/2009

§ 4. ВОДА – РАСТВОРИТЕЛЬ

Цель. Расширить представление о воде как растворителе, о ее роли в природе, технике, познакомить с гидратной теорией растворов.

Форма занятия. Лекция с элементами беседы. Демонстрационный эксперимент.

Оборудование и реактивы. Термометр, химические стаканы, пестик, фарфоровая чашка, пинцет, спиртовка; концентрированная серная кислота, нитрат аммония, стекло, фенолфталеин.

План занятия

• Вода – растворитель.
• Тепловые явления при растворении веществ в воде.
• Растворение – физико-химический процесс.
• Классификация растворов.

Вода – растворитель

Учитель. Человек практически каждый день использует воду для приготовления еды, стирки белья и гигиенических процедур и уже и не задумывается, что «эксплуатирует» основное свойство воды – ее растворяющую способность. Мы вспоминаем об этом, если вдруг из крана начинает течь ржавая, да еще и чем-то пахнущая вода. Так, в 1989 г. в уфимский водопровод попало большое количество фенола, нанесшего большой вред здоровью людей. Данное соединение из-за нарушений в правилах его хранения поступило в водозаборную зону с химического завода. Это была настоящая трагедия для миллионного города. Для ее устранения были затрачены огромные усилия и средства.

В больших и малых городах за качеством воды следят достаточно строго, чтобы исключить попадание в водопроводы химических и бактериологических веществ.

Работникам по надзору за качеством водных ресурсов как никому известно, что природная вода – это всегда раствор, в него включены различные газообразные и твердые вещества.

На всей Земле невозможно найти водные источники с одинаковым минеральным составом. Можно лишь разделить их по содержанию растворенных веществ (в расчете на 1 л воды) (табл.).

Таблица

В воде могут растворяться в той или иной мере почти все вещества. Прекрасный пример – морская вода. В ней содержатся ионы и молекулы, в состав которых входит около семидесяти элементов периодической системы, в том числе и в очень малых дозах (редкие и радиоактивные элементы). В больших количествах представлены: хлор, натрий, магний, сера, кальций, калий, бром, углерод, стронций, бор. По расчетам ученых, только золота растворено в водах океана по 3 кг на каждого жителя Земли!

Процесс растворения веществ в воде зависит, в первую очередь, от температуры и давления.

Учитель напоминает учащимся об известных им газированных напитках (растворимость газов в воде возрастает с повышением давления), о знакомом им из повседневной жизни приготовлении сладкого чая (сахар лучше растворяется в горячей воде), о том, что жирную посуду лучше мыть теплой водой. Далее учитель знакомит ребят с кривыми растворимости, используя специально подготовленные таблицы.

Затем учитель акцентирует внимание учащихся на том, что вся практическая деятельность людей с самой глубокой древности связана с использованием воды и растворов для приготовления пищи и других житейских надобностей.

В старину разнообразными растворами пользовались при изготовлении строительных материалов, красок, стекла, керамики, глиняных изделий. До сих пор не разгаданы рецепты цветной глазури, покрывающей стены подземных гробниц фараонов. Искусство бальзамирования было наиболее развито в древнем Египте, при этом применялись растворы, достаточно сложные по составу. До сих пор не расшифрованы составы многих лечебных жидкостей, которые использовали лекари древности.

В современных производствах нет ни одного технологического процесса, в котором бы не задействовалась вода или растворы на ее основе. Да и в многочисленных химических реакциях, имеющих место в живой и неживой природе, постоянно приходится встречаться не с водой, а с водными растворами. Большинство биохимических процессов протекает непосредственно в них.

Для успешного использования растворов в быту, медицине и в различных отраслях науки и техники важно познакомиться с основными понятиями и выяснить, как взаимодействуют растворенное вещество и растворитель.

Тепловые явления при растворении веществ в воде

Учитель. С момента создания атомно-молекулярного учения началась научная эра в изучении воды и растворов на ее основе. Десятилетия потребовались ученым, чтобы сделать заключение, что растворение веществ в воде – это физико-химический процесс. Наряду с процессом диффузии, подобно смешению газов, происходит химическое взаимодействие частиц растворяемого вещества с молекулами растворителя (воды) – гидратация.

Основоположником гидратной теории растворов является Д.И.Менделеев, который еще в 60-х годах XIX в. выдвинул предположение о существовании нестойких химических соединений растворенного вещества с водой. Эксперименты, проведенные ученым, показали, что процессы растворения сопровождаются тепловыми эффектами.

В любой школьной лаборатории можно убедиться, что при растворении концентрированной серной кислоты или кристаллической щелочи раствор разогревается (происходит экзотермический процесс), а в случае растворения нитрата аммония – охлаждается (происходит эндотермический процесс).

Демонстрационные эксперименты
«Растворение концентрированной серной кислоты в воде»

В тонкостенный химический стакан налить 10 мл воды, измерить температуру воды термометром и добавить при перемешивании 2 мл концентрированной серной кислоты. Уместно повторить с учащимися правила техники безопасности приготовления раствора серной кислоты. Далее следует измерить температуру раствора. Измерения с помощью спиртового термометра (в нем спирт
окрашен в красный цвет) помогают учащимся легко отметить повышение температуры.

Ученики записывают наблюдения и делают соответствующие выводы.

«Растворение нитрата аммония»

В тонкостенный химический стакан налить 10 мл предварительно охлажденной воды, затем добавить 6 г нитрата аммония и быстро размешать. Стакан поставить на кусок тонкого картона размером 10 на 10 см, смоченного водой. Раствор охлаждается примерно до –10 °С, и картон примерзает к стакану, что и демонстрируют зрителям.

Учитель. Можно дать следующее пояснение тепловым эффектам в данных опытах. Молекулы воды, являясь диполями, проникают к ионам, находящимся в узлах кристаллической решетки нитрата аммония. К отрицательно заряженным ионам диполи воды притягиваются положительным полюсом, к положительно заряженным ионам – отрицательным. Таким образом, молекулы воды гидратируют их – взаимодействуют с ионами кристалла. При этом высвобождается немалая энергия, однако она тут же тратится на преодоление притяжения ионов в кристалле. Далее они отрываются с поверхности и пускаются в свободное плавание по раствору в своих гидратных «шубках».

Стоит заметить, что во втором опыте энергии гидратации было недостаточно для полного растворения кристалла, и дополнительное тепло, как бы взаймы, извлекалось извне. Вспомните, как стаканчик с раствором нитрата аммония примерзал к влажной доске.

Суммарный тепловой эффект при растворении может быть как больше, так и меньше нуля. Так, при смешивании воды и концентрированной серной кислоты энергии гидратации было так много, что часть ее тратилась на диссоциацию, а остаток выделялся в окружающую среду.

Опытные химики очень осторожно подходят к растворению некоторых концентрированных кислот и щелочей, т.к. за счет разогрева растворов велика вероятность их закипания, и тогда брызги едкого вещества могут попасть на руки. Во всех инструкциях по технике безопасности записано: лей концентрированную серную кислоту в воду, а не наоборот.

Растворение – физико-химический процесс

Учитель. Интересно отметить, что растворение может сопровождаться также изменением объема и окраски. Например, при разбавлении спирта водой происходит уменьшение объема раствора. При добавлении воды к безводному сульфату меди(II) белого цвета раствор становится голубым – такая окраска свойственна гидратированным катионам двухвалентной меди.

Воду по праву можно назвать самым распространенным и универсальным растворителем. Практически все вещества в той или иной степени растворяются в ней. В известной пословице отмечается, что вода точит камень не силой, а частым падением. Это не только физическое, но и химическое воздействие. При контакте с водой постепенно разрушаются многие материалы, в том числе и за счет частичного растворения их самих или их частей.

В подтверждение к сказанному можно порекомендовать опыт по растворению стекла.

Демонстрационный эксперимент
«Растворимость оконного стекла в воде»

Перед выполнением опыта надеть защитные очки!

Небольшой обломок оконного стекла закрепить в пинцете, сильно нагреть в пламени спиртовки и тут же опустить в ступку с 10–15 мл холодной воды. Обломок растрескивается и крошится на мелкие кусочки. Далее стекло, находящееся под водой, следует растереть пестиком и затем добавить к содержимому ступки 3–5 капель фенолфталеина. Раствор становится малиновым, что свидетельствует о появлении щелочной среды.

Ученикам несложно пояснить опыт. Стекло, растертое в порошок, немного растворяется в воде, будучи смесью силикатов натрия и кальция, и гидролизуется до щелочной среды, которая тут же обнаруживается фенолфталеином.

Объясняя этот опыт, весьма кстати упомянуть и о «святой воде», которая получается при растворении очень маленьких количеств серебра в тот момент, когда священник опускает серебряный крест в воду. Ионы серебра обладают высокими антибактерицидными свойствами, и такая вода может храниться годами при комнатной температуре без порчи. В настоящее время некоторые марки очистителей воды имеют серебряные ионаторы.

Классификация растворов

Учитель. Многие области жизни человека сложно представить без растворов. Не менее важен и сам процесс их получения. Фармацевты готовят сотни жидких препаратов со строго заданной концентрацией, халатность здесь недопустима, это вопрос жизни и смерти. Работники пищевой отрасли промышленности должны следить за соотношением компонентов в жидкостях – это тоже здоровье населения. Экологи оценивают степень загрязнения водоемов, также привлекая знания о концентрации растворов, иначе сложно спланировать меры по выходу из сложных экологических ситуаций.

Знания о концентрации растворов пригождаются и в быту. Те, кто занимается консервированием, приготовлением лечебных растворов по рецептам народной медицины, хорошо об этом знают. Пренебрежение к инструкциям по приготовлению растворов с использованием стиральных, отбеливающих порошков, средств для мытья посуды, красящих и других препаратов бытовой химии могут негативно отразиться на здоровье всех членов семьи. Даже такая житейская мелочь, как пересоленный суп, дает повод для конфликта. Не зря народная мудрость гласит – соли', да знай меру.

К познанию этой меры лучше подойти с научных позиций. Начнем с простого. Многие начинают утро с традиционной чашки чая, в которую добавляют одну или две ложки сахара. Строго говоря, мы потребляем ненасыщенный раствор, т.е. в нем можно еще растворить несколько порций сахара. Одновременно это и разбавленный раствор: в нем содержится небольшое количество вещества, полезного для здоровья и приятного для чаепития.

В домашних условиях несложно приготовить и насыщенный раствор, он находится в динамическом равновесии с растворенным веществом. Убедимся в этом на практике.

В чайную чашку налейте заварки и 100 мл горячей воды, добавляйте при перемешивании сахар. Не отступайте от научных принципов, записывайте количество добавленных порций, излишек сахара в ложке выравнивайте так, чтобы не было горки. Очень скоро вы заметите, что сахар перестанет растворяться, он остается на дне. Таким образом, вы приготовили насыщенный при данной температуре раствор. Если дома есть термометр, зафиксируйте еще один показатель – температуру. Рассчитайте массовую долю растворенного сахара в насыщенном растворе. Для этого вам придется отсыпать то количество ложек сахара, что было затрачено в эксперименте, и взвесить порцию в ближайшем гастрономе.

Чай, который вы приготовили, будет приторно сладким, в нем слишком много сахара – это концентрированный раствор. В дальнейшем из него можно приготовить несколько чашек чая, поскольку избыток сахара вреден организму.

Если оставить сладкий, насыщенный сахаром, чай на столе, то он остынет и превратится в пересыщенный раствор. Пересыщенный раствор сахара может находиться в таком виде довольно длительное время, в отличие от других пересыщенных растворов, например глауберовой соли, которая мгновенно кристаллизуется, если внести в охлажденный раствор кристаллик (затравку) или просто стукнуть по стенке колбы. Таким образом, мы убедились, что в насыщенных растворах растворитель и вещество находятся в динамическом равновесии.

В природе переход от разбавленных растворов к концентрированным чреват непредвиденными последствиями. Например, вблизи Соль-Илецка есть озеро, в котором такая концентрация солей, что оно не пригодно для живых и растительных организмов. Но не зря подмечено, что нет худа без добра. Воды озера используются для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата. Человек, даже не умеющий плавать, может долго лежать на поверхности сверхсоленой воды, через кожу постепенно проникают полезные минеральные вещества. Аналогичный солевой водоем есть и в Израиле – всемирно известное Мертвое море.

Печатается с продолжением