"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Вода вступает в реакции с некоторыми металлами и оксидами, поэтому может быть исходным веществом для получения водорода, оснований и кислот. Продукты зависят от активности металла и условий: с жидкой водой активные металлы обычно образуют гидроксид, а с водяным паром при нагревании некоторые металлы дают оксид. Умение различать эти случаи помогает правильно составлять уравнения и предсказывать результат реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гидроксид — соединение металла с одной или несколькими гидроксогруппами OH. Например, NaOH — гидроксид натрия, а Ca(OH)₂ — гидроксид кальция. Некоторые гидроксиды получают взаимодействием воды с основными оксидами. Это понятие помогает распознать продукты реакции воды и понять, почему в формуле основания есть группа OH.
Основный оксид — оксид, которому соответствует основание: например, оксиду CaO соответствует гидроксид Ca(OH)₂. Некоторые основные оксиды соединяются с водой и образуют основание, однако это свойство есть не у всех оксидов. Знание типа оксида позволяет предположить возможный продукт, но возможность реакции нужно проверять отдельно.
Кислотный оксид — оксид, которому соответствует кислота. Многие кислотные оксиды, например SO₃, реагируют с водой с образованием соответствующей кислоты — H₂SO₄. Такой термин нужен, чтобы связывать состав оксида с формулой кислоты, которая может получиться при взаимодействии с водой.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы одного элемента вытесняют атомы другого элемента из соединения. Например, при взаимодействии натрия с водой натрий вытесняет водород, и образуются гидроксид натрия и водород. Это понятие помогает определить роль металла и правильно записать продукты его реакции с водой.
В молекуле воды атомы водорода связаны с кислородом. В некоторых реакциях активный металл вытесняет водород: атомы металла соединяются с частью воды, содержащей кислород и гидроксогруппы, а водород выделяется как простое вещество H₂. Поэтому в продуктах появляются не только водород, но и соединение металла; его состав зависит от условий реакции.
Активные металлы, например натрий и кальций, взаимодействуют с жидкой водой при обычных условиях. В результате образуются гидроксид металла и водород, поскольку атомы металла замещают водород в воде, а оставшаяся часть образует гидроксид. Для натрия уравнение имеет вид 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂, а для кальция — Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂. Сравнение показывает, что вид металла меняет формулу гидроксида, но водород выделяется в обоих случаях.
Некоторые менее активные металлы с жидкой водой не реагируют, но могут взаимодействовать с водяным паром при нагревании. В таких условиях образуется оксид металла, а водород выделяется из воды. Для железа реакция записывается так: 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂↑. Именно различие условий объясняет, почему железо даёт оксид, а активный натрий при реакции с жидкой водой — гидроксид.
Некоторые основные оксиды взаимодействуют с водой с образованием оснований: например, CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Это происходит, когда оксид способен химически соединиться с водой, образуя соответствующий гидроксид. Способ нельзя применять ко всем основным оксидам: часть из них с водой не реагирует, поэтому нельзя выводить продукты только из названия класса.
Многие кислотные оксиды соединяются с водой, образуя кислоты. Состав исходного оксида подсказывает формулу продукта: например, SO₃ + H₂O → H₂SO₄, а CO₂ + H₂O → H₂CO₃. Атомы элементов оксида переходят в состав соответствующей кислоты, а водород и кислород поступают из воды. Но и здесь нужно учитывать, что не любой кислотный оксид обязательно реагирует с водой.
| Тип взаимодействия | Условия и участники | Продукты | Пример уравнения |
|---|---|---|---|
| Взаимодействие с активным металлом | Жидкая вода, активный металл | Гидроксид и водород | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ |
| Взаимодействие металла с водяным паром | Водяной пар, нагревание; некоторые металлы | Оксид металла и водород | 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ |
| Взаимодействие с основным оксидом | Некоторые основные оксиды | Основание (гидроксид) | CaO + H₂O → Ca(OH)₂ |
| Взаимодействие с кислотным оксидом | Многие кислотные оксиды | Кислота | SO₃ + H₂O → H₂SO₄ |
Сначала по условиям и участникам выбери строку таблицы, затем определи ожидаемые продукты. Обрати внимание, что реакции металла с жидкой водой и с паром дают разные продукты. Таблица приводит типичные примеры, а не утверждает, что с водой реагируют все металлы и оксиды.
Условие. Составить и уравнять реакцию натрия с водой, указать продукты. Натрий — активный металл, поэтому рассматриваем его взаимодействие с жидкой водой. Нужно проверить, чтобы число атомов каждого элемента совпадало в обеих частях уравнения.
Ответ. 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Продукты реакции — гидроксид натрия и водород.
Условие. Записать реакцию кальция с водой и определить, сколько молекул водорода образуется по уравнению. Слово «молекул» означает, что нужно прочитать соотношение частиц по коэффициентам. Перед подсчётом уравнение необходимо уравнять.
Ответ. Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂; образуется одна молекула H₂ на одну частицу Ca.
Условие. Железо нагрели в водяном паре; образуется Fe₃O₄. Составить уравнение и найти объём водорода, соответствующий 1 моль железа при н. у. Здесь важно не подменить пар жидкой водой: продукт реакции железа с паром — оксид, а не гидроксид.
Ответ. 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂; для 1 моль железа получается около 29,9 л водорода при н. у.
Считать, что любой металл реагирует с жидкой водой, — ошибка: активность металлов различна, и железо, например, с холодной водой практически не реагирует. Так думают, потому что запоминают общий пример с натрием и распространяют его на все металлы. Проверяй условия реакции и активность конкретного металла, а не делай вывод по одному примеру.
Записывать для активного металла и жидкой воды оксид вместо гидроксида — значит смешивать разные условия. Гидроксид обычно получается при реакции активного металла с жидкой водой, тогда как некоторые металлы с паром при нагревании образуют оксид. Перед записью продукта уточни, реагирует ли металл с водой или с паром.
Менять индексы при уравнивании нельзя: индекс задаёт состав вещества, а коэффициент — число его частиц. Ошибка возникает, когда формулу пытаются подогнать под нужное количество атомов. Проверяй равенство атомов, изменяя только коэффициенты перед формулами; например, NaOH нельзя превращать в Na₂OH.
Полагать, что любой основной или кислотный оксид реагирует с водой, тоже неверно. Название класса показывает связь оксида с основанием или кислотой, но не гарантирует, что реакция произойдёт. Проверь свойства конкретного вещества и не записывай уравнение, если взаимодействие невозможно.
Для записи реакций воды нужно знать формулы оксидов и оснований, составлять формулы веществ по валентности и уравнивать реакции. Понятие реакции замещения связывает эту тему с изученными типами химических реакций: в рассмотренных случаях металл вытесняет водород. Эти знания пригодятся при изучении способов получения кислот и оснований, а также окислительно-восстановительных реакций, где меняются свойства и состав участников.
Почему натрий реагирует с водой бурно, а железо — нет?
Натрий очень активен и реагирует с жидкой водой уже при обычных условиях, выделяя водород и много тепла. Железо с холодной водой практически не реагирует; для реакции с водяным паром его нагревают.
Как отличить реакцию металла с водой от реакции с водяным паром?
Смотри на условия и продукты. Активный металл с жидкой водой обычно образует гидроксид и водород, а некоторые металлы с горячим паром — оксид и водород.
Почему при реакции натрия с водой образуется гидроксид, а не оксид?
В реакции с жидкой водой натрий образует соединение с гидроксогруппой OH, то есть гидроксид натрия. Оксиды металлов характерны для реакций некоторых металлов с водяным паром при нагревании.
Все ли основные оксиды реагируют с водой?
Нет, взаимодействуют только некоторые основные оксиды, например оксиды натрия и кальция. Для многих других таких оксидов реакция с водой не происходит.
Как определить, какие продукты образуются при взаимодействии оксида с водой?
Сначала определи тип оксида. Некоторые основные оксиды дают гидроксиды, а многие кислотные оксиды — кислоты; затем проверь, возможна ли реакция для данного оксида, и уравняй её.
§ 33. Химические свойства воды
