Реакции с водой: Химические свойства воды — урок. Химия, 9 класс.

Химические свойства воды. 6 основных типов химических реакций для воды.

Химик РУДН показал, что вода играет важнейшую роль в механизме реакции Анри, катализируемой новыми медными комплексами

Наука

25 августа 2020

Химик из РУДН пересмотрел механизм реакции Анри катализируемой комплексами меди(II). Так, используя новые комплексы меди(II) (разработанные в этой же лаборатории), он показал, что вода играет важнейшую роль в асимметрической реакции Анри, напрямую участвуя в каталитическом цикле реакции. Ранее этот фактор никогда не учитывался, и все ученые считали, что комплекс меди(II) работает как классическая кислота Льюиса.

На деле оказалось, что медный комплекс координируясь с молекулой воды активирует ее, превращая в кислоту Бренстеда, и тем самым вода активирует исходный альдегид Данные, которые получились в результате опыта, позволяют понять механизм реакции Анри и помогут в создании важнейших классов веществ для фармацевтической промышленности: α-нитрокетонов, кетонов, нитроалкенов и β-аминоспиртов. 

Асимметрическую реакцию Анри, позволяющую синтезировать ценные органические молекулы, первым провел японский химик Масакацу Шибасаки в 1992 году. Ему удалось провести реакцию с высокой энантиоселективностью, используя катализаторы на основе медных комплексов. Однако до настоящей работы все еще оставались вопросы по поводу мезанизма данной реакции. Владимир Ларионов с кафедры неорганической химии РУДН, кандидат химических наук, используя новые комплексы меди(II) показал, что в реакции Анри молекула воды играет критическую роль и напрямую вовлекается в каталитический цикл. На то раньше ученые не обращали большого внимания, а констатировали только факт, что при участи воды скорость реакции увеличивается на несколько порядков.

Данные комплексы могут быть использованы для получения прекурсоров таких лекарств, как (S)-пропранолол (β-блокатор), ^®-норэпинефрин и ^®-сальбутамол (агонисты β-рецептора), ампренавир — Vertex 478 (ингибитор протеазы ВИЧ) и L-акозамин (класс антрациклиновых антибиотиков).

Из предыдущих исследований было известно, что асимметрическую реакцию Анри лучше всего проводить в водных и спиртовых растворителях. Поэтому авторы исследования протестировали реакцию Анри в растворителях (метанол, альдегид-нитрометан-вода) с двумя каталитическими системами — комплексы кобальта (III) и меди(II). В случае кобальтового комплекса ион металла не участвовал в реакции, а ион меди мог координировать молекулу (или молекулы) воды. При использовании медного комплекса реакция шла быстрей, и химики получили сразу несколько необходимых типов химических веществ (лиганды и нитроспирты). Кобальтовый катализатор работал хуже, особенно при производстве нитроспиртов. На этом основании авторы решили остановиться на медном катализаторе.

Однако использование медного катализатора в метаноле тоже вызывало проблемы. При конденсации наблюдалось образование нитроспирта лишь рацемической формы. В этом случае скорость реакции не замедлялась, блокировки каталитического центра иона меди не происходило. Расчеты показали, что вода образует прочную связь между медным центром и карбонильной группой. Реакция завершалась уже в течение 1 часа, а выход нитроспирта достигал 61%. При этом образующийся нитроспирт вытеснялся водой и тем самым не блокировал каталитический центр медного комплекса. Таким образом, вопреки прежним представлениям, было показано, что вода усиливает каталитические свойства медных комплексов.

Химики пришли к заключению, что эффективность ранее изученных хиральных катализаторов на основе меди (II) была недооценена, поскольку содержание воды (или спиртов) в реакции не принималось во внимание и не оценивалось. Эта работа откроет путь для изучения механизма реакции Анри и создания новых каталитических систем на основе комплексов меди.

Результаты работы опубликованы в международном американском журнале Inorganic Chemistry.

Реакции элементов основной группы с водой

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Вода состоит из двух атомов водорода и атома кислорода. Он проявляет полярность и в природе встречается в жидком, твердом и парообразном состояниях. {-}(водн.) + h3(г)} \]

Из этой реакции видно, что образуются ОН ^— , создавая щелочную или щелочную среду. Элементы группы 1 называются щелочными металлами из-за их способности вытеснять H ₂ (g) из воды и создавать щелочной раствор.

Известно также, что щелочные металлы бурно и взрывоопасно реагируют с водой. Это связано с тем, что во время экзотермической реакции выделяется достаточно тепла, чтобы воспламенить H ₂ (g).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Реакционная способность металлов лития (вверху), натрия (в центре) и калия (внизу) и воды. (Бесплатно только для образовательного использования, chemlegin). 9-_{(водн.)}+H_{2(г)} \label{4}\]

Эту реакцию можно обобщить на все гидриды щелочных металлов.

Группа 2: Щелочноземельные металлы

Большинство щелочноземельных металлов также образуют гидроксиды при взаимодействии с водой. Гидроксиды кальция, стронция и бария мало растворимы в воде; однако образуется достаточно ионов гидроксида, чтобы создать щелочную среду. Общая реакция кальция, стронция и бария с водой представлена ​​ниже, где М представляет собой кальций, стронций или барий:

\[M_{(s)} + 2H_2O_{(l)} \longrightarrow M(OH)_{2(aq)}+H_{2\;(g)} \label{5}\]

Магний (Mg) реагирует с водяным паром с образованием гидроксида магния и газообразного водорода. Бериллий (Be) — единственный щелочноземельный металл, не вступающий в реакцию с водой. Это связано с его небольшими размерами и высокой энергией ионизации по сравнению с другими элементами группы.

Оксиды щелочноземельных металлов и вода

Подобно оксидам щелочных металлов, монооксиды щелочноземельных металлов соединяются с водой с образованием гидроксидных солей металлов (как показано в приведенном ниже уравнении). Исключением из этого общего предположения является бериллий, оксид которого (BeO) не реагирует с водой.

\[MO_{(s)}+H_2O_{(l)} \longrightarrow M(OH)_{2(s)} \label{6}\]

Одним из наиболее известных оксидов щелочноземельных металлов является CaO или негашеная известь. Это вещество часто используется для очистки воды и удаления вредных \(SO_{2(g)}\) из промышленных дымовых труб.

Гидриды щелочноземельных металлов и вода

За исключением бериллия (Be), гидриды щелочных металлов реагируют с водой с образованием гидроксида металла и газообразного водорода. Реакцию этих гидридов металлов можно описать ниже:

\[MH_{2(s)}+2H_2O_{(l)} \longrightarrow M(OH)_{2(aq)}+2H_{2(g)} \label{7} \]

Жесткая вода

Два типа жесткой воды включают временную жесткую воду и постоянную жесткую воду. Временно жесткая вода содержит бикарбонат (HCO ₃ ^— ), который при нагревании образует CO ₃ ^-2 (водн.), CO ₂ (г) и H ₂ O. Ионы бикарбоната реагируют с катионами щелочноземельных металлов и выпадают в осадок из раствора, вызывая образование накипи и проблемы в водонагревателях и сантехнике. Общие катионы в воде включают Mg ⁺² и Ca ⁺² . Чтобы смягчить воду, в водоочистные сооружения добавляют гидроксид щелочноземельного металла, такой как гашеная известь [Ca(OH) ₂ ]. Это твердое вещество растворяется в воде с образованием иона металла (M ⁺² ) и ионов гидроксида (OH ^—). Ионы гидроксида объединяются с ионами бикарбоната в воде, образуя воду и ион карбоната. Затем ион карбоната осаждается вместе с ионом металла с образованием MCO ₃ (s). Установки водоподготовки способны удалять осажденный карбонат металла и, таким образом, смягчать воду.

Другой тип жесткой воды – постоянная жесткая вода. Постоянная жесткая вода содержит ионы бикарбоната (HCO ₃ ^— ), а также другие анионы, такие как сульфат-ионы (SO ₄ ^-2 ). Затвердевающие частицы часто не удается выпарить. Для смягчения постоянной воды добавляется карбонат натрия (Na ₂ CO ₃ ). Карбонат натрия осаждает ионы Mg ⁺² и Ca ⁺² в виде соответствующих карбонатов металлов и вводит Na ⁺ ионов в растворы.

Группа 13: Семейство бора

Элементы группы 13 слабо реагируют с водой. На самом деле бор (B) не реагирует с водой. Одной из примечательных реакций в этой группе является реакция алюминия (Al) с водой. Алюминий, по-видимому, не реагирует с водой, потому что внешний слой оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ) образует твердое вещество и защищает остальную часть металла.

Группа 14: Семейство углерода

По большей части элементы группы 14 не реагируют с водой. Одним интересным следствием этого является то, что олово (Sn) часто напыляют в качестве защитного слоя на железные банки, чтобы предотвратить коррозию банки.

Рис.: Пустая консервная банка. Стальные банки изготавливаются из белой жести (сталь с луженым покрытием) или из стали, не содержащей олова. из Википедии.

Группа 15: Семейство азота

Чистые элементы этого семейства не вступают в реакцию с водой. Соединения азота (нитраты и нитриты), а также газообразный азот (N ₂ ) растворяются в воде, но не вступают в реакцию.

Группа 16: Семейство кислорода

Как упоминалось ранее, многие оксиды групп 1 и 2 реагируют с водой с образованием гидроксидов металлов. Оксиды неметаллов реагируют с водой с образованием оксокислот. Примеры включают фосфорную кислоту и серную кислоту.

Группа 17: Галогены

Обычно галогены реагируют с водой с образованием галогенидов и гипогалогенидов. Газообразные галогены по-разному реагируют с водой из-за их различной электроотрицательности. Поскольку фтор (\(\ce{F2}\)) настолько электроотрицателен, он может вытеснять газообразный кислород из воды. Продукты этой реакции включают газообразный кислород и фтористый водород. Галогениды водорода реагируют с водой с образованием галоидоводородных кислот (\(\ce{HX}\)). За исключением \(\ce{HF}\), галогеноводородные кислоты являются сильными кислотами в воде. Примером является соляная кислота (\(\ce{HCl}\)), сильная кислота.

\[\ce{Cl2(г) + 2h3O(ж) → HCl(водн.) + HOCl(водн.)}\]

Хлорноватистая (\(\ce{HOCl}\)) кислота является сильным отбеливающим агентом и не очень стабилен в растворе и легко разлагается, особенно под воздействием солнечного света, с выделением кислорода.

\[\ce{ 2 HClO -> 2 HCl + O2}\]

Жидкий бром медленно растворяется в воде с образованием желтовато-коричневого раствора.

\[\ce{Br2(g) + 2h3O(l) → HBr(aq) + HOBr(aq)}\]

Бромноватая (\(\ce{HOBr}\)) кислота является слабым отбеливающим агентом.

\[\ce{I2(g) + 2h3O(l) → HI(aq) + HOI(aq)}\]

Лишь небольшое количество йода растворяется в воде с образованием желтоватого раствора и гипойодистого (\(\ce {HOI}\)) кислота обладает очень слабой отбеливающей способностью.

Группа 18: Инертные газы

Инертные газы не вступают в реакцию с водой.

Общие сведения

Ссылки

1. Бирк, Джеймс П. «Предсказание неорганических реакций». Применение экспертных систем в химии . Вашингтон: Американское химическое общество, 1989. Печать.
2. Хьюи, Джеймс Э., Эллен А. Кейтер и Ричард Л. Кейтер. Неорганическая химия: принципы строения и относительности . 4-е изд. Нью-Йорк: Колледж ХарперКоллинз, 1993. Печать.
3. Massey, A.G. Химия основной группы . Лондон: Эллис Хорводд, 1990. Печать.
4. Петруччи и др. Общая химия: принципы и современные приложения. 9изд. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси, 2007 г.

.

Задачи

1. Предскажите продукты следующих реакций:
   1. \(Be_{(s)}+2H_{2}O_{(l)} \longrightarrow\)
   2. \(Ne_{(g)}+2H_{2}O_{(l)} \longrightarrow\)
   3. \(Cl_{2\;(g)}+2H_{2}O_{(l)} \longrightarrow\)
   4. \(Li_2O_{(s)}+2H_{2}O_{(l)} \longrightarrow\)
2. Верно/Ложно
   1. Оксиды металлов образуют основные растворы в воде
   2. Дифтор не реагирует с водой.