Фторирование воды

Фторирование воды
Исследование, проведённое Университетским Колледжем Лондона в 2007 году,
показало, что лечение кариеса обходится обществу дороже, чем лечение остальных болезней.
В то же время известно, что нахождение в воде ионов F​
снижает вероятность кариеса.
Вероятно, это происходит, потому что ионы фтора притягивают к себе ионы кальция
Ca​
+2​
- основную часть эмали зубов - и не дают им вымываться при кариесе.
Но как добавить ионы фтора в воду? Один из самых популярных, хоть и дорогих способов - это растворить в воде фторид натрия, NaF.
В молекулах воды H​
2​
O атом кислорода оттягивает на себя электроны водорода сильнее, чем водород тянет на себя электроны кислорода - из-за разности электроотрицательностей. Кислород получает при этом частично отрицательный заряд, а водород - частично положительный. Частично - потому что электроны не находятся полностью у кислорода или у водорода. Они находятся между ними.
Во фториде натрия ситуация совсем другая. Электроотрицательности натрия и фтора отличаются очень сильно (больше, чем на 1,6), поэтому фтор целиком забирает себе электрон натрия. Теперь фтор - это ион фтора с зарядом -1. А натрий теперь - ион натрия, с зарядом +1. Между ними возникает ионная связь.
Что происходит, когда фторид натрия (это белый порошок, как поваренная соль или пищевая сода) растворяют в воде? Ионы натрия оказываются окружены молекулами воды. Атомы кислорода с частично отрицательным зарядом притягиваются к положительно заряженным ионам натрия. Ионы фтора также окружены молекулами воды, но притягиваются к ионам фтора уже атомы водорода. Молекулы воды разрывают кристаллы NaF на ионы - это и называется растворением. Именно так можно насытить воду ионами фтора (а заодно и полезными ионами Na​
+​
) и предотвратить массовые случаи кариеса.
Пользуясь только таблицей Менделеева, очень просто можно определить, между какими атомами возникнет ионная связь. Посмотрите на формулы NaF, NaCl, CaCl​
2​
,
KBr. Это ионные соединения, и состоят они, как правило, из металла I или II группы таблицы Менделеева и из неметалла VI или VII группы.
Большая часть ионных соединений существует в виде кристаллов. Более того, почти все минералы, существующие в природе - это ионные соединения. Но стоит отметить:
это ещё не значит, что все они будут так же легко растворяться в воде, как фторид натрия. Почему? Узнаем позже.

Почему водоёмы не замерзают зимой?
Известно, что обычно вещества, переходя в твёрдое агрегатное состояние, становятся плотнее. Это происходит, потому что их атомы и молекулы прижимаются плотнее друг к другу. Также известно, что более плотное вещество тонет в менее плотной жидкости.
Так почему же вода, становясь льдом, не тонет в жидкой воде? Мы ведь об этом знаем из личного опыта. Замерзай водоёмы зимой целиком - и все их обитатели вымирали бы ежегодно. Но этого не происходит - а значит, лёд не тонет в воде. Выходит, лёд менее плотный, чем вода. Почему?
Давайте посмотрим на молекулу воды поближе. Она состоит из двух атомов водорода,
между которыми находится атом кислорода.
Атом кислорода более электроотрицательный (ЭО = 3,44) и пытается оттянуть на себя электроны от атомов водорода. Частично ему это удаётся, но водород тоже не промах (ЭО = 2,1) и пытается тянуть к себе электроны кислорода.
Образуется связь, в которой участвуют электроны обоих атомов (здесь - электроны водорода и
кислорода).
Такая связь называется ковалентной.
Электроотрицательности атомов отличаются не так сильно, как в случае ионной связи.
Но они отличаются - и поэтому кислород-таки тянет электроны сильнее. На атоме кислорода образуется частично (а не полностью, как в случае ионов) отрицательный заряд. А на атоме водорода образуется частично положительный заряд (потому что электрон от него почти ушёл к кислороду). Такой тип ковалентной связи, где существует отрицательный ​полюс ​(на атоме кислорода) и положительный ​полюс ​(на атоме водорода), называется ковалентной ​полярной ​связью.
Когда вода находится в жидком состоянии, её молекулы проплывают друг мимо друга и почти не взаимодействуют. Но стоит температуре упасть до 0 °С, и молекулы подходят друг к другу ближе. Коварный атом кислорода из одной молекулы воды начинает охотиться на атомы водорода из другой молекулы (ведь они несут на себе разноимённые заряды). Он притягивает их к себе, и этого хватает, чтобы выстроить шестиугольную решётку из разных молекул. В такой решётке оказывается очень много полостей - и поэтому вода в твёрдом состоянии менее плотная, чем жидкая вода,
которая может течь, как ей вздумается.
По таблице Менделеева можно запросто определить, является ли связь ковалентной полярной. Посмотрите на формулы веществ H​
2​
S, H​
2​
O, SO​
2​
, CO, CO​
2​
. Во всех них связь ковалентная полярная. В таблице они находятся рядом друг с другом, и все, не считая водорода, в правой её части. И более того, все они являются неметаллами. Нужно,
конечно, помнить, что инертные газы не образуют связей вообще, хоть и находятся тоже в правой части таблицы.
Вещества с ковалентными полярными связями встречаются повсеместно. H​
2​
O - это вода, H​
2​
S - сероводород, входящий в состав вулканических выбросов, а CO​
2

углекислый газ, который животные выделяют при дыхании. Не все они образуют такие потрясающие решётки, как вода, а почему - узнаем позже.

Как азот может быть жидким?
Молекулы азота, N​
2​
, составляют почти 78% всего окружающего нас воздуха. И,

конечно, получается, что азот при атмосферном давлении и привычной нам температуре воздуха - газ. Может ли он быть жидким?
Как вообще вещество становится жидким, если до этого оно было газообразным?
Обычно для этого вещество достаточно охладить до требуемой температуры. Когда мы охлаждаем вещество, его атомы и молекулы подходят друг к другу и образуют больше связей. Связи между молекулами называются межмолекулярными.
Вода - идеальный пример. В молекуле H​
2​
O атом кислорода собирает на себе частично отрицательный заряд, пытаясь отнять электроны водорода. Поэтому, встречаясь с другой такой же молекулой воды, кислород пытается притянуться и к атомам водорода из той, другой молекулы. Так образуются межмолекулярные связи в воде.
Что же происходит в случае азота. В молекуле азота всего два атома - и они одинаковые. Они оба пытаются оттянуть на себя электроны соседа. Такая связь называется ковалентной. Но так как атомы одинаковые, ни один из них не может оттянуть на себя чужие электроны. И они находятся ровно посередине. Не образуется ни отрицательного ​полюса​, ни положительного - в отличие от молекулы воды.
Поэтому такая связь называется ковалентной ​неполярной​.
Как же ему удаётся образовывать связи между молекулами, чтобы перейти в жидкое состояние? Ведь полюсов нет, не к чему притягиваться.
На помощь приходит непостоянство электронов. Не факт, что они всегда будут находиться там, где находятся теперь. Случается и такое, что ядро атома с одной стороны целиком оголяется - и его положительного заряда хватает на то, чтобы притянуть к
себе электроны соседней молекулы.
За счёт таких кратких взаимодействий азот и может становиться жидким.
Молекул с неполярной связью полно - H​
2​
, N​
2​
, O​
2​
, F​
2​
, Cl​
2​
. Определить по таблице
Менделеева, какие элементы образуют неполярную связь, труда не составит. Обычно это элементы неметаллов, которые взаимодействуют сами с собой. Неметаллы условно отделены от металлов линией, проходящей по бору, кремнию, мышьяку,
теллуру, астату, а теперь ещё и оганессону.
Вещества с неполярной связью встречаются почти везде. Водород H​
2
составляет больше 90% любой звезды в космосе. Азот N​
2
- это 78% нашей атмосферы. Кислород
O​
2
- это её оставшийся 21%. Графит в карандашах и алмазы состоят только из атомов углерода - с ковалентной неполярной связью между ними.

Почему вода поднимается от корней дерева к листьям?
Необходимая часть растения - её корни. Они впитывают воду и содержащиеся в ней ионы, необходимые для жизни растений. Но как вода поднимается вверх - к листьям?
Для этого существует несколько причин, но в этом тексте мы поговорим только об одной.
Во-первых, примем это как факт, вода действительно поднимается от корней к листьям. Во-вторых, находясь в листьях, вода нагревается солнцем и начинает испаряться. Здесь и происходит самое интересное.
Испарение - это переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Как же это получается? На самом деле, одни молекулы получают больше энергии (например, от солнечного нагрева) и отделяются от остальных, разрывая с ними связи… Так, стоп.

Какие связи?
Посмотрим на молекулу воды, H​
2​
O. Атом кислорода в ней более электроотрицателен,
и поэтому тянет на себя электроны водорода сильнее, чем водород тянет электроны кислорода. Поэтому на кислороде образуется частично отрицательный заряд, а на водороде - частично положительный. Завидев поблизости ещё одну молекулу воды и её положительно заряженные атомы водорода, кислород начинает к ней тянуться и образует водородную связь. Водородная связь - это связь между молекулами. Она возникает только между водородом и
атомами с
самой высокой электроотрицательностью. Например, между водородом и кислородом или водородом и фтором.
Пользуясь этим, можно определить атомы, с которыми водород образует водородную связь, только с помощью таблицы Менделеева. Просто нужно вспомнить, что электроотрицательность возрастает в таблице снизу вверх и справа налево.
Итак, молекула воды испаряется с листа дерева. Она освобождает место, куда тут же подтягивается другая молекула и тянет за собой с помощью водородных связей всю остальную цепочку - от самых корней.
Водородные связи - частое явление в природе. Они есть между молекулами воды,
фтороводорода HF, этилового спирта C​
2​
H​
5​
OH. Фтороводород применяют, например,
для травления стекла, а этиловый спирт - это химический растворитель и один из вариантов для замены топлива в автомобилях будущего.

Почему чайник делают металлическим?
Если у вас дома стоит металлический чайник, вы поймёте суть вопроса. Если у вас электрический чайник, то вспомните, что у него есть нагревательный элемент. Он тоже металлический. Почему именно металл?

И что вообще такое металл?
Металл - это элемент таблицы Менделеева. Помимо них в таблице есть ещё
неметаллы. Металлы и неметаллы условно отделяются линией, проходящей по бору,
кремнию, мышьяку, теллуру, астату, а теперь ещё и оганессону. Эта линия, опять же условно, называется полуметаллами или металлоидами.
Металлы могут образовывать связи с неметаллами - обычно это ионные связи. Но когда мы говорим о металле самом по себе - например, об алюминии или железе - в этом металле возникает металлическая связь. Это связь между атомами. Что же в ней такого уникального, что именно из металлов делают все нагреватели?
Давайте подумаем, что такое нагрев? По сути, это быстрое движение атомов, их трение друг об друга. И чем быстрее атомы трутся друг о друга, тем сильнее нагрев.
Для максимального нагрева нужно, чтобы атомы были чуть ли не вплотную прижаты к своим соседям. И это как раз случай металлов.
У металлов всегда есть 1-3 электрона на внешнем уровне, чтобы с кем-нибудь да поделиться. За неимением жадных неметаллов они готовы отдать и металлам.
Представьте себе кусок алюминия.
В
нём миллионы атомов алюминия.
Сосредоточьтесь на вон том атоме, в центре. Чуть левее. Да, на этом. У него есть несколько соседей - тоже атомы алюминия. Вокруг каждого из них существует целое облако электронов. Не всегда они равномерно окружают свои ядра. Бывает и такое,
что ядро атома оголяется чуть сильнее, чем обычно, и ядру удаётся притянуть к себе чужие электроны. Например, электроны того атома, на котором вы сосредоточились.
Итак, наш атом отдал электроны и стал ионом алюминия. А тому атому, который электроны забрал, они вскоре стали ни к чему, у него и так хватает. В это время электроны удаётся притянуть ещё одному атому.
Так эти несчастные электроны летают и плавают между огромным числом атомов и ионов. Ионы становятся атомами, атомы - ионами, а электроны принадлежат сразу огромному количеству атомов. Вот примерно так и выглядит металлическая связь.
А хаотическое движение электронов и постоянные колебания атомов и ионов металла только способствуют нагреву вашего стального чайника или чугунной сковороды.