§ 28. Вода

Определения и обозначения

Вода (H₂O) — вещество, молекула которого состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Буквы H и O — обозначения химических элементов, а маленькая цифра 2 после H показывает число атомов водорода. У кислорода индекс не записан, потому что его атом в молекуле один. Чтение формулы помогает определить состав вещества и не перепутать число атомов.

Физические свойства воды — это характеристики, которые можно наблюдать или измерять, не превращая воду в другое вещество. К ним относятся агрегатное состояние, цвет, запах, температуры плавления и кипения, плотность. Такие свойства позволяют описывать и сравнивать вещества. Например, температура кипения помогает отличить воду от жидкостей с другими свойствами.

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Растворитель — компонент, в котором распределяется другое вещество; растворённое вещество — компонент, который в нём растворили. Вода часто служит растворителем, поэтому с её помощью можно получать однородные смеси, например раствор соли. Это понятие нужно, чтобы описывать состав смесей и отличать их от чистых веществ.

Растворимость — способность вещества растворяться в воде. Хорошо растворимые вещества образуют раствор в заметном количестве, малорастворимые растворяются лишь в небольшой степени, а практически нерастворимые — в крайне малой. Эти названия не означают, что вещество обязательно исчезает или растворяется полностью. Понятие растворимости помогает сравнивать вещества при одинаковых условиях, особенно при одной и той же температуре.

Как это устроено

В химической формуле H₂O отражён состав каждой отдельной молекулы: два атома водорода и один атом кислорода. Поскольку молекула включает атомы разных химических элементов, вода относится к сложным веществам, а не к простым. Индекс относится только к символу, стоящему перед ним: поэтому двойка увеличивает число атомов водорода, но не меняет число атомов кислорода. Так формула кратко передаёт состав вещества.

При обычных условиях молекулы воды находятся близко друг к другу и могут перемещаться, но не разлетаются свободно, как частицы газа. Поэтому вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда: это признаки жидкости. Чистая вода пропускает видимый свет и не имеет собственного заметного цвета или запаха. При нормальном давлении нагревание до 100 °C приводит к кипению, а охлаждение до 0 °C — к замерзанию; изменение давления может сдвинуть эти температуры.

Плотность показывает, какая масса вещества содержится в определённом объёме. При охлаждении воды от комнатной температуры примерно до 4 °C её плотность растёт, а при дальнейшем охлаждении — уменьшается. При нагревании выше 4 °C вода расширяется, и её плотность также становится меньше. Наибольшая плотность около 4 °C объясняется особенностями расположения молекул воды; при замерзании их структура становится более рыхлой, поэтому лёд занимает больший объём и плавает.

При растворении частицы некоторых веществ отделяются друг от друга и распределяются между частицами воды. Они остаются в смеси, хотя становятся невидимыми невооружённым глазом; поэтому растворение не означает исчезновения вещества. Это физический процесс, если частицы исходного вещества лишь распределились в воде, а новые вещества не образовались. Химическое превращение отличается именно образованием веществ с новым составом и свойствами, поэтому растворение нельзя автоматически считать реакцией.

Вещества растворяются неодинаково, потому что их частицы по-разному взаимодействуют с частицами воды и друг с другом. Одно и то же количество воды может растворить много одного вещества и совсем немного другого. Поэтому вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые. Растворимость зависит также от температуры: сравнивать её корректно можно при одинаковой температуре, а количество вещества, уже добавленное в конкретную порцию воды, само по себе не является мерой растворимости.

Основные свойства воды и её взаимодействие с веществами

В таблице собраны признаки, по которым можно описать чистую воду и сравнить её с другими веществами. При использовании значений температур учитывайте указанное условие: нормальное давление. Растворимость сравнивайте при одной температуре, иначе вывод может быть неверным.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, сколько атомов каждого элемента содержится в одной молекуле H₂O и сколько всего атомов в ней. Сначала нужно прочитать индексы в формуле, а затем учесть символ без индекса. Так можно не спутать количество атомов отдельного элемента с общим количеством частиц в молекуле.

1. После H стоит индекс 2, значит, в молекуле два атома водорода.
2. После O индекса нет, значит, атом кислорода один.
3. Складываем числа атомов: 2 + 1 = 3.

Ответ: два атома водорода, один атом кислорода, всего три атома.

Задача 2. Вещество массой 12 г полностью растворили в 100 г воды. Определите массу полученного раствора. Растворение распределяет вещество в воде, но в условии не сказано, что часть вещества или воды потеряна. Значит, применяем сохранение массы и складываем массы компонентов.

1. Записываем массу растворённого вещества: 12 г.
2. Записываем массу растворителя — воды: 100 г.
3. Находим общую массу раствора: 12 г + 100 г = 112 г.

Ответ: масса раствора равна 112 г.

Задача 3. При 20 °C в 100 г воды растворяется не более 36 г вещества. Сколько такого вещества можно растворить в 250 г воды при той же температуре? Температура не меняется, поэтому данные о растворимости можно пропорционально перенести на большую массу воды. Нужно найти, во сколько раз 250 г больше 100 г, и во столько же раз увеличить массу вещества.

1. Составляем отношение масс воды: 250 г / 100 г = 2,5.
2. Увеличиваем предельную массу растворяемого вещества в 2,5 раза: 36 г × 2,5 = 90 г.
3. Проверяем условие: вода и температура те же по составу условия, а масса растворителя возросла в 2,5 раза.

Ответ: в 250 г воды при 20 °C можно растворить не более 90 г этого вещества.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что индекс 2 в H₂O относится к кислороду. Её допускают, если читают формулу слева направо, не проверяя, к какому символу относится цифра. Индекс записан после H, значит, он показывает число атомов водорода; у O индекс не указан, поэтому атом один. Для проверки прочитайте формулу словами: два атома водорода и один кислорода.

Ошибка: называть водопроводную или природную воду чистым веществом. Прозрачность создаёт впечатление, что в воде нет других компонентов, но многие растворённые вещества не видны глазом. Чистое вещество состоит из частиц одного вида, а в природной и водопроводной воде обычно есть примеси и растворённые вещества. Проверяйте не только внешний вид, но и состав.

Ошибка: считать, что при растворении вещество исчезает. Так кажется потому, что его отдельные частицы перестают быть видимыми. На самом деле частицы распределяются в растворе, и масса сохраняется, если ничего не пролили и не потеряли. Проверить себя можно, вспомнив состав раствора: в нём остаются растворитель и растворённое вещество.

Ошибка: путать растворимость с количеством вещества, уже растворённого в порции воды. Например, 10 г вещества в стакане не показывают, сколько максимально растворится в воде при этих условиях. Растворимость задают для определённой температуры, а фактическое количество зависит ещё и от того, сколько вещества добавили. Чтобы сравнить растворимость, сопоставляйте одинаковые массы воды и одинаковую температуру.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в составе воды, нужно знать химические элементы, атомы и молекулы, различать простые и сложные вещества и уметь читать химические формулы. Эти знания помогают понять, почему запись H₂O сообщает о составе молекулы, а не о числе молекул воды. Они также нужны для описания других веществ и их свойств.

Понятия раствора и растворимости пригодятся при изучении химических реакций в растворах, а также кислот, оснований и солей. Знание состава смеси помогает понять, какие вещества находятся в растворе и как они могут взаимодействовать. Умение учитывать растворимость позволяет рассуждать о том, останется ли вещество в растворе или выделится из него.

Что запомнить

• Формула воды — H₂O.
• Молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода.
• При нормальном давлении вода плавится при 0 °C и кипит при 100 °C.
• Наибольшая плотность воды наблюдается примерно при 4 °C.
• Раствор состоит из растворителя и растворённого вещества.
• Растворимость зависит от вещества и температуры.
• Природная вода обычно содержит растворённые вещества и примеси.