"Химия", Габриелян О.С.
Вода — сложное вещество состава H₂O, необходимое для жизни и большинства природных процессов. Полярные молекулы воды соединяются водородными связями, поэтому вода имеет сравнительно высокие температуры плавления и кипения, большую теплоёмкость и необычные свойства льда. Она хорошо растворяет многие вещества, реагирует с активными металлами и некоторыми оксидами, а также входит в состав кристаллогидратов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вода — сложное вещество с формулой H₂O. Его молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а массовое соотношение элементов равно 1 : 8. Формула показывает число атомов, но не их равные массы.
Водородная связь — притяжение между молекулами, в котором частично положительный атом водорода одной молекулы взаимодействует с атомом кислорода другой. Она слабее обычной химической связи внутри молекулы. Это понятие нужно, чтобы объяснить необычные физические свойства воды.
Кристаллогидрат — кристаллическое вещество, содержащее молекулы воды в определённом соотношении. В формуле это соотношение записывают после точки, например CuSO₄·5H₂O. Такие формулы используют при расчётах состава и массы вещества.
Кристаллизационная вода — вода, входящая в состав кристаллогидрата и выделяющаяся при его нагревании. Она не является случайной влагой на поверхности кристаллов. Её количество определяют по формуле соединения и уравнениям реакций.
В молекуле H₂O атом кислорода связан с двумя атомами водорода общими электронными парами. Кислород притягивает электроны сильнее, поэтому получает частичный отрицательный заряд, а водороды — частичный положительный. Угловая форма молекулы не позволяет этим зарядам полностью компенсироваться, поэтому молекула воды полярна и притягивает соседние молекулы.
Положительно заряженная область одной молекулы притягивается к отрицательно заряженной области другой, и возникает водородная связь. Для её разрыва требуется дополнительная энергия по сравнению с разделением неполярных молекул. Поэтому вода кипит и плавится при сравнительно высоких температурах, а её нагревание требует много энергии: вода обладает большой теплоёмкостью.
В кристалле льда молекулы удерживаются водородными связями в упорядоченной разреженной структуре. Между ними остаются пустоты, поэтому одинаковое количество воды занимает больший объём в твёрдом состоянии. При таянии часть структуры разрушается, молекулы сближаются, и плотность жидкой воды становится больше плотности льда.
Полярные молекулы воды окружают ионы и полярные молекулы растворяемого вещества. Частично заряженные участки воды притягиваются к противоположно заряженным частицам, ослабляют связи между ними и распределяют частицы по всему объёму. Поэтому вода хорошо растворяет многие соли и полярные вещества, но плохо смешивается с неполярными веществами, например с маслами.
Активные металлы вытесняют водород из воды, образуя щёлочь и водород. Основные оксиды некоторых металлов соединяются с водой с образованием оснований, а кислотные оксиды — с образованием кислот. Например: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑; CaO + H₂O → Ca(OH)₂; SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
| Характеристика | Вода |
|---|---|
| Формула и строение молекулы | H₂O; молекула угловая и полярная |
| Агрегатное состояние при обычных условиях | Жидкость |
| Температуры плавления и кипения | 0 °C и 100 °C при нормальном атмосферном давлении |
| Плотность и её изменение при замерзании | При замерзании плотность уменьшается, поэтому лёд плавает |
| Растворяющая способность | Хорошо растворяет многие ионные и полярные вещества |
| Примеры химических реакций | Реакции с активными металлами, основными и кислотными оксидами |
Таблица помогает быстро сопоставить строение воды с её физическими и химическими свойствами. Температуры плавления и кипения указаны для нормального давления, а растворяющая способность зависит от природы вещества. Примеры реакций показывают, что вода может быть не только растворителем, но и участником химических превращений.
Запишите формулу воды и рассчитайте массовое соотношение водорода и кислорода. Индекс 2 означает два атома водорода в одной молекуле. Используем относительные атомные массы H = 1 и O = 16.
Ответ: формула воды H₂O, массовое соотношение водорода и кислорода 1 : 8. Два атома водорода не означают, что их масса равна массе кислорода.
Составьте уравнение реакции натрия с водой и назовите продукты. Натрий — активный металл, поэтому он вытесняет водород из воды. Образуются гидроксид натрия и водород.
Ответ: продукты реакции — NaOH и H₂. Стрелка показывает выделение газа.
При нагревании 25,0 г CuSO₄·5H₂O выделилась вода. Найдём её массу по формуле кристаллогидрата. Молярные массы: M(CuSO₄·5H₂O) = 250 г/моль, пяти молекул воды — 90 г/моль.
Ответ: масса выделившейся воды равна 9,0 г. Соотношение 1 : 5 взято непосредственно из формулы соединения.
Ошибка — считать, что молекулы воды соединены химическими связями друг с другом. Внутри молекулы действуют ковалентные связи, а между молекулами — водородные взаимодействия. Проверьте себя: если частицы остаются отдельными молекулами, речь идёт не о единой молекуле огромного размера.
Ошибка — считать, что H₂O означает равные массы водорода и кислорода. Индексы показывают число атомов, а массу находят с учётом относительных атомных масс. Выполните проверку: 2·1 и 16 дают отношение 1 : 8.
Ошибка — полагать, что лёд тонет в воде. Кристаллическая решётка льда содержит пустоты, поэтому его плотность меньше. Проверка проста: лёд в обычных условиях плавает на поверхности воды.
Ошибка — записывать реакцию воды с любым оксидом. С водой реагируют не все оксиды, поэтому сначала определите, является ли оксид основным или кислотным и способен ли он образовать основание либо кислоту. Затем проверьте состав продуктов и баланс атомов.
Для понимания воды нужны знания о строении атома, химической связи и валентности. Они помогают объяснить полярность молекулы H₂O и правильно составить её формулу. Правила уравнивания реакций нужны при записи взаимодействий воды с металлами и оксидами.
Понятия раствора и растворимости связывают свойства воды с дальнейшим изучением кислот, оснований и солей. Полярность воды объясняет, почему одни вещества растворяются хорошо, а другие почти не растворяются. Эти знания пригодятся при описании состава растворов.
Свойства воды и кристаллогидратов используются при изучении химических реакций и расчётов по уравнениям. По формуле кристаллогидрата можно определить массу кристаллизационной воды. Такой же алгоритм помогает находить количества веществ по химическим формулам.
Почему молекула воды полярна?
Кислород сильнее притягивает общие электроны, чем водород, поэтому у атома кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а у атомов водорода — частичный положительный. Кроме того, молекула H₂O имеет угловую форму, поэтому заряды не компенсируют друг друга.
Почему вода закипает при сравнительно высокой температуре?
Между молекулами воды действуют водородные связи. Чтобы превратить воду в пар, нужно затратить энергию на разрушение значительной части этих связей, поэтому температура кипения воды выше, чем можно ожидать для такого лёгкого вещества.
Почему лёд плавает на воде?
В кристалле льда молекулы воды образуют разреженную структуру с пустотами. Поэтому при замерзании объём увеличивается, плотность уменьшается, и лёд оказывается легче жидкой воды.
Все ли вещества растворяются в воде?
Нет, растворимость зависит от природы вещества и воды. Хорошо растворяются многие ионные и полярные вещества, а неполярные вещества, например масла, растворяются плохо.
Как определить массу воды в кристаллогидрате?
Сначала находят количество вещества кристаллогидрата по его массе и молярной массе. Затем используют соотношение молекул воды в формуле кристаллогидрата и вычисляют массу выделившейся воды.
§ 20. Вода
