"Химия", Кузнецова Л.М.
Вода — вещество с формулой H₂O, способное вступать в разные химические реакции. Активные металлы вытесняют из неё водород, некоторые оксиды превращают воду в основания или кислоты, а электрический ток разлагает её на водород и кислород. Знание свойств воды помогает предсказывать продукты реакций и составлять уравнения. Главное — учитывать активность реагентов, проверять формулы веществ и уравнивать реакцию коэффициентами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вода — сложное вещество с формулой H₂O. Каждая её молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В реакциях вода может быть реагентом: её атомы входят в состав новых веществ или сама вода разлагается.
Реакция воды с активными металлами — взаимодействие, при котором обычно образуются гидроксид металла и водород. Гидроксид содержит атом металла и группу OH; например, формула гидроксида натрия — NaOH. Это определение помогает предсказать продукты реакции, если известен металл.
Основный оксид — оксид, который при взаимодействии с водой может образовать основание. Например, оксид кальция CaO соединяется с водой и даёт гидроксид кальция Ca(OH)₂. По этому признаку можно распознавать один из способов получения оснований.
Кислотный оксид — оксид, который при взаимодействии с водой может образовать кислоту. Так, оксид серы(VI) SO₃ образует серную кислоту H₂SO₄. Это понятие помогает предсказать образование кислоты, но не означает, что любой кислотный оксид обязательно реагирует с водой.
Активный металл способен вытеснять водород из воды, потому что его атомы легко отдают электроны и переходят в состав соединения. Атомы водорода из молекул воды соединяются попарно, образуя молекулы газа H₂. При реакции натрия с холодной водой возникает раствор гидроксида натрия и выделяется водород; менее активные металлы могут не реагировать при таких условиях. Поэтому продукты предсказывают с учётом активности металла и температуры, а не только по слову «металл».
Основные оксиды некоторых металлов присоединяют воду, и в результате возникает основание. Например, кальций оксид превращается в гидроксид кальция: CaO + H₂O → Ca(OH)₂; оксид натрия также даёт основание: Na₂O + H₂O → 2NaOH. В продуктах появляются группы OH, характерные для гидроксидов. Однако принадлежность оксида к основным сама по себе не гарантирует реакции: например, CuO с водой обычно не взаимодействует.
Некоторые кислотные оксиды при соединении с водой образуют кислоты, потому что состав нового вещества включает атомы водорода и кислотный остаток. Например, SO₃ + H₂O → H₂SO₄, а CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Вторая реакция обратимая: знак ⇄ показывает, что превращение может идти в обе стороны. Не любой кислотный оксид вступает в такую реакцию, поэтому формулы продуктов нужно знать или обоснованно предсказывать.
При пропускании электрического тока вода разлагается на более простые вещества — водород и кислород; такой процесс называется электролизом. Чистая вода проводит ток очень слабо, поэтому для проведения опыта обычно нужны электроды и небольшое количество растворённого электролита. Уравнение реакции: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Коэффициенты показывают, что на две части объёма кислорода приходятся четыре части водорода, то есть объёмы газов относятся как 2:1 при одинаковых условиях.
Чтобы составить уравнение, сначала определяют реагенты и тип реакции, затем записывают формулы возможных продуктов. После этого подбирают коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало. Индексы внутри формул при уравнивании не меняют: например, нельзя превращать H₂O в H₂O₂, потому что это уже другое вещество. В конце полезно пересчитать атомы и убедиться, что формулы продуктов соответствуют их названиям.
| Реагент | Пример уравнения | Продукты реакции | Условия или примечание |
|---|---|---|---|
| Активный металл | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ | Гидроксид металла и водород | Натрий реагирует с холодной водой |
| Основный оксид | CaO + H₂O → Ca(OH)₂ | Основание | Реагируют не все основные оксиды |
| Кислотный оксид | SO₃ + H₂O → H₂SO₄ | Кислота | Реагируют не все кислотные оксиды |
| Электрический ток | 2H₂O → 2H₂ + O₂ | Водород и кислород | Электролиз; объёмы газов 2:1 |
Сначала определите, к какому виду относится реагент, и сопоставьте его с соответствующей строкой. Уравнение показывает формулы веществ и соотношение их количеств, а примечание напоминает об условиях и ограничениях. Для реакции другого вещества проверьте, действительно ли оно взаимодействует с водой: правила не охватывают все оксиды и металлы.
Задача. Запишите и уравняйте реакцию натрия с водой, укажите продукты. Натрий — активный металл, поэтому используем правило взаимодействия активного металла с водой. Проверим, что в уравнении сохраняется число атомов каждого элемента.
Ответ. Образуются гидроксид натрия и водород; уравнение реакции: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Коэффициент перед водородом равен единице, поэтому его можно не писать. Индексы в формулах веществ не менялись.
Задача. Запишите уравнение реакции оксида кальция с водой и определите тип полученного вещества. CaO — основный оксид, который взаимодействует с водой. Значит, ожидаемое семейство продукта — основание, то есть гидроксид металла.
Ответ. CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Продукт Ca(OH)₂ — основание, гидроксид кальция. Круглые скобки показывают, что группа OH встречается в формуле два раза.
Задача. При электролизе воды получили 6 л водорода. Какой объём кислорода образовался при тех же условиях? Запишите уравнение реакции. Для газов при одинаковых условиях объёмные отношения соответствуют отношениям коэффициентов в уравнении.
Ответ. Образовалось 3 л кислорода. Уравнение электролиза: 2H₂O → 2H₂ + O₂; объёмное соотношение водорода и кислорода равно 2:1.
Ошибка — считать, что любой металл одинаково реагирует с водой. Так думают, потому что общее правило о металлах принимают за универсальное, не учитывая ряд активности и условия. Проверьте активность металла и уточните, идёт ли речь о холодной воде или паре: реакция натрия с водой и поведение малоактивного металла различаются.
Иногда при реакции активного металла с водой записывают оксид вместо гидроксида. Это происходит, когда смешивают данную реакцию с другими способами взаимодействия металлов с кислородом. Для реакции активного металла с водой проверьте, что среди продуктов есть гидроксид и H₂, а число атомов уравнено.
Неверно утверждать, что любой основной или кислотный оксид реагирует с водой. Такое обобщение возникает из-за запоминания типичных примеров без оговорки «некоторые». Перед записью уравнения убедитесь, что конкретный оксид взаимодействует с водой: CaO реагирует, а CuO обычно нет.
При уравнивании нельзя менять индексы в формулах веществ. Изменение индекса меняет состав и означает запись другого вещества, а ошибка часто возникает из желания быстро сравнять число атомов. Сохраняйте формулы реагентов и продуктов, подбирайте только коэффициенты перед ними и затем пересчитайте атомы с обеих сторон.
Для работы с реакциями воды нужны навыки чтения химических формул, понимание валентности и умение расставлять коэффициенты. Предсказание продуктов опирается на классификацию оксидов, кислот и оснований, а реакции металлов — на ряд активности. Позже эти знания помогут разбирать растворы и электролиз, а также способы получения водорода и кислорода. Особенно полезно связывать уравнение с наблюдаемыми признаками: выделением газа или появлением нового вещества.
Почему вода реагирует не со всеми металлами?
Металлы имеют разную химическую активность. С холодной водой реагируют наиболее активные металлы, а менее активные могут не реагировать или взаимодействовать с водяным паром при нагревании.
Какие вещества образуются при реакции активного металла с водой?
Обычно образуются гидроксид металла и водород. Например, при реакции натрия с водой получаются гидроксид натрия и H₂.
Все ли оксиды реагируют с водой?
Нет, взаимодействуют только некоторые оксиды. Например, CaO и SO₃ реагируют с водой, а CuO и SiO₂ с ней обычно не взаимодействуют.
Как определить, образуется при реакции оксида с водой кислота или основание?
Некоторые основные оксиды дают с водой основания, например CaO образует Ca(OH)₂. Некоторые кислотные оксиды образуют кислоты: SO₃ с водой даёт H₂SO₄.
В каком объёмном соотношении выделяются водород и кислород при электролизе воды?
Объёмы водорода и кислорода относятся как 2:1. Это следует из уравнения 2H₂O → 2H₂ + O₂.
§ 32. Вода. Химические свойства
