§ 28. Вода

Определения и обозначения

Вода — сложное вещество состава H₂O: молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Индекс 2 показывает число атомов водорода, а отсутствие индекса у кислорода означает, что он один. По формуле можно определить состав вещества и отличить воду от простых веществ, состоящих из атомов одного элемента.

Водородная связь — притяжение между молекулами воды, возникающее из-за их полярности. Она отличается от химических связей внутри молекулы: те соединяют атомы водорода и кислорода, а водородная связь действует между молекулами. Это понятие помогает объяснить некоторые необычные свойства воды.

Растворимость — способность вещества растворяться в воде. По растворимости вещества условно делят на растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые. Такое деление помогает предсказать, образуется ли однородная смесь и сколько вещества может перейти в раствор.

Массовая доля вещества в растворе — отношение массы растворённого вещества к массе всего раствора. Её обозначают w и находят по формуле w = m(вещества) / m(раствора), а для выражения в процентах умножают результат на 100%. Эта величина показывает, какая часть массы раствора приходится на растворённое вещество.

Как это устроено

В молекуле H₂O атомы водорода и кислорода соединены химическими связями, но электроны в них распределены неравномерно. Кислород сильнее притягивает общие электроны, поэтому около него возникает частичный отрицательный заряд, а около атомов водорода — частичный положительный. Из-за такого разделения зарядов молекула воды полярна: её участки взаимодействуют с заряженными частицами и друг с другом.

Положительно заряженные участки одной молекулы притягиваются к отрицательно заряженным участкам другой. Такое межмолекулярное притяжение и называют водородной связью; оно слабее химической связи внутри молекулы, но действует одновременно между множеством молекул. Чтобы разделить молекулы при нагревании или плавлении, нужно преодолеть это притяжение, поэтому температуры кипения и плавления воды необычно высоки для вещества с такими небольшими молекулами.

Вода встречается в твёрдом, жидком и газообразном состояниях, потому что при изменении температуры меняются движение и взаимное расположение её молекул. При замерзании водородные связи удерживают молекулы в более упорядоченной структуре, в которой есть промежутки. Поэтому вода при замерзании расширяется: одинаковая масса льда занимает больший объём, чем жидкая вода, и плотность льда меньше. Из-за этого лёд плавает на поверхности.

Полярность воды помогает ей растворять многие вещества. Молекулы воды притягиваются к частицам вещества, отделяют их друг от друга и окружают; если взаимодействие достаточно сильное, частицы распределяются по всему объёму. Получается однородный раствор, в котором состав одинаков в разных частях. Однако вода не растворяет всё: результат зависит от того, насколько частицы вещества взаимодействуют с молекулами воды.

При растворении растворитель — это вещество, в котором растворяют, а растворённое вещество — то, которое распределяется в нём; вместе они образуют раствор. Соль в воде обычно растворяется, поэтому отдельные частицы соли оказываются равномерно распределены в жидкости. Некоторые вещества растворяются лишь в небольшом количестве, а другие почти не переходят в воду. Газы тоже могут растворяться: например, углекислый газ содержится в газированной воде, хотя при изменении условий он выходит из раствора пузырьками.

Растворимость веществ в воде и свойства растворов

Сопоставляйте в таблице не только название вещества, но и то, как оно распределяется в воде. Растворимость не означает, что вещество растворяется мгновенно или в любом количестве. Если газированный напиток открыть, часть газа выходит, потому что условия для его растворения меняются.

Разбор задач

Задача 1. Определить число атомов каждого элемента в одной молекуле воды по формуле H₂O. Сначала прочитаем символы элементов: H обозначает водород, O — кислород. Индекс у символа показывает число атомов этого элемента, а если индекса нет, принимают число 1.

1. У водорода H стоит индекс 2, значит, в молекуле два атома водорода.
2. У кислорода O индекса нет, значит, в молекуле один атом кислорода.

Ответ: два атома водорода и один атом кислорода.

Задача 2. В стакане растворили 12 г соли в 188 г воды. Найти массовую долю соли в растворе. В знаменателе формулы нужна масса раствора целиком, поэтому сначала сложим массу соли и воды. Затем разделим массу соли на найденную массу раствора.

1. Находим массу раствора: 12 г + 188 г = 200 г.
2. Находим массовую долю: w = 12 г / 200 г = 0,06.
3. Переводим долю в проценты: 0,06 · 100% = 6%.

Ответ: массовая доля соли равна 6%.

Задача 3. Для приготовления 250 г раствора с массовой долей соли 8% определить массы соли и воды. Процент переводим в десятичную дробь: 8% = 0,08. Массу соли получим как часть от всей массы раствора, а массу воды найдём по разности.

1. Находим массу соли: m(соли) = 0,08 · 250 г = 20 г.
2. Масса раствора складывается из соли и воды, поэтому m(воды) = 250 г − 20 г = 230 г.
3. Проверяем: 20 г + 230 г = 250 г, а 20 г / 250 г = 0,08.

Ответ: нужно взять 20 г соли и 230 г воды.

Типичные ошибки

Некоторые считают, что водородная связь соединяет атомы внутри молекулы H₂O. Путаница возникает потому, что в обоих случаях говорят о притяжении, но химические связи объединяют атомы в одной молекуле, а водородные связи возникают между молекулами. Проверьте себя вопросом: связывает ли рассматриваемое взаимодействие два атома одной молекулы или разные молекулы?

Растворимость иногда принимают за растворение, хотя это разные понятия. Растворимость — способность вещества переходить в раствор, а растворение — сам процесс образования раствора. Чтобы проверить себя, определите, описываете ли вы свойство вещества или то, что происходит при смешивании.

При расчёте массовой доли могут разделить массу растворённого вещества на массу воды. Так делают, если забывают, что раствор включает и растворитель, и растворённое вещество. Сложите их массы и убедитесь, что доля вычисляется от полной массы раствора, а не только от одной его части.

Ещё одна ошибка — считать, что при замерзании вода сжимается, как многие вещества. На самом деле структура льда содержит промежутки между молекулами, поэтому лёд менее плотный и занимает больший объём. Проверка простая: если бы лёд был плотнее воды, он опускался бы на дно, а не плавал на поверхности.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что такое атом, химический элемент и вещество, уметь читать формулы и различать простые и сложные вещества. Эти знания позволяют увидеть в H₂O состав молекулы, а не просто условное обозначение воды. Если формулы пока читаются трудно, начните с повторения индексов.

Строение молекулы воды и водородные связи помогают объяснять свойства вещества и переходы между агрегатными состояниями. Позже эти идеи пригодятся при изучении химической связи и поведения других веществ. Они показывают, как микроскопическое строение связано с наблюдаемыми свойствами.

Понятия растворителя, раствора и массовой доли используются при изучении растворов, кислот, оснований и солей. Умение находить состав раствора пригодится в задачах, где вещества смешивают или готовят в заданной концентрации. Важно различать массу растворённого вещества и массу всей смеси.

Что запомнить

• Формула воды — H₂O.
• Молекула воды полярна.
• Между молекулами воды возникают водородные связи.
• Лёд менее плотный, чем жидкая вода.
• Вода растворяет многие вещества, но не все.
• Массовая доля растворённого вещества — отношение его массы к массе раствора.