§ 53. Вода — оксид водорода. Пероксид водорода

Определения и обозначения

Вода — сложное вещество с химической формулой H₂O. Это означает, что каждая её молекула содержит два атома водорода и один атом кислорода. Вода — наиболее распространённое соединение водорода с кислородом на Земле и необходимое условие жизни. Знание формулы помогает понимать состав воды и выполнять расчёты по химическим уравнениям.

Оксид водорода — бинарное соединение, состоящее из кислорода и ещё одного химического элемента. Слово «бинарное» означает, что в составе вещества присутствуют атомы двух разных элементов. Вода подходит под это определение: в H₂O есть водород и кислород. Поэтому воду относят к оксидам, хотя её свойства заметно отличаются от свойств многих других оксидов.

Пероксид водорода — соединение водорода и кислорода с формулой H₂O₂. В его молекуле по два атома каждого элемента, тогда как в молекуле воды кислорода только один. Разница в составе отражена индексами: двойка после O относится к кислороду. Формула нужна, чтобы отличать это вещество от воды и правильно описывать его реакции.

Пероксиды — соединения, в которых атомы кислорода связаны друг с другом. В H₂O₂ такая связь обозначается O–O, и каждый из связанных атомов кислорода входит в состав пероксидной группы. Поэтому пероксид водорода относят к пероксидам. Это понятие помогает объяснить его особое строение и отличия в свойствах от воды.

Как это устроено

Формула вещества показывает, какие элементы входят в его состав и сколько атомов каждого элемента содержится в частице. В H₂O нижний индекс 2 стоит после H, значит, атомов водорода два, а отсутствие индекса у O означает один атом кислорода. В H₂O₂ индекс 2 стоит и после H, и после O, поэтому атомов каждого элемента по два. Если перед формулой появляется коэффициент, он показывает число молекул и умножает количество всех атомов в одной молекуле.

Степень окисления — условный заряд атома, который используют для описания распределения электронов в соединении. В воде водород имеет степень окисления +1, а молекула в целом нейтральна. Поэтому для двух атомов водорода получается +2, а кислород должен иметь −2, чтобы сумма стала равна нулю. В H₂O₂ водород также имеет +1, но суммарный отрицательный вклад двух атомов кислорода равен −2, значит, на каждый приходится −1.

Физические и химические свойства зависят не только от того, какие элементы входят в состав, но и от того, как соединены их атомы. Вода и пероксид водорода содержат водород и кислород, однако формулы и строение их молекул различны. В H₂O₂ есть связь O–O, которой нет в молекуле воды; она связана с химической неустойчивостью пероксида. Поэтому два вещества нельзя считать одним и тем же только из-за общего набора элементов.

Пероксид водорода способен разлагаться на воду и кислород, потому что его молекулы могут превращаться в более устойчивые продукты. Свет ускоряет это превращение, а катализатор — вещество, ускоряющее реакцию, но само не расходующееся в ней, — тоже помогает ему идти быстрее. Уравнение реакции: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Коэффициенты показывают, что из двух молекул пероксида образуются две молекулы воды и одна молекула кислорода; число атомов каждого элемента при этом сохраняется.

Пероксид водорода проявляет окислительные свойства: он может участвовать в реакциях, в которых изменяется степень окисления других веществ. В частности, окисление некоторых окрашенных частиц приводит к тому, что они теряют окраску, поэтому пероксид применяют для отбеливания. Воздействие на микроорганизмы позволяет использовать его как дезинфицирующее средство. Применение зависит от концентрации раствора и требует соблюдения мер безопасности.

Сравнение воды и пероксида водорода

Используйте таблицу, чтобы сравнить вещества по одному признаку и не путать состав со строением. Например, одинаковые элементы в формулах не означают одинаковые свойства. При проверке степени окисления учитывайте, что в нейтральной молекуле сумма степеней окисления всех атомов равна нулю.

Разбор задач

Задача 1. Определите число атомов водорода и кислорода в 3 молекулах воды и в 2 молекулах пероксида водорода. Сначала прочитаем индексы: формула одной молекулы показывает число атомов каждого элемента, а коэффициент перед формулой — число молекул. Значит, для каждого элемента количество атомов в одной молекуле нужно умножить на число молекул. Запишем вычисления отдельно для двух веществ.

1. В H₂O содержатся 2 атома H и 1 атом O. Для трёх молекул: H — 3 · 2 = 6 атомов, O — 3 · 1 = 3 атома.
2. В H₂O₂ содержатся 2 атома H и 2 атома O. Для двух молекул: H — 2 · 2 = 4 атома, O — 2 · 2 = 4 атома.

Ответ: в 3 молекулах воды — 6 атомов водорода и 3 атома кислорода; в 2 молекулах пероксида водорода — по 4 атома каждого элемента.

Задача 2. Запишите уравнение разложения пероксида водорода на воду и кислород и расставьте коэффициенты. Сначала запишем формулы исходного вещества и продуктов: H₂O₂ → H₂O + O₂. Затем сравним число атомов по обе стороны стрелки: кислород и водород пока не совпадают. Коэффициенты подбирают перед формулами, не изменяя индексы внутри них, потому что изменение индекса означало бы другое вещество.

1. Поставим 2 перед H₂O₂ и 2 перед H₂O: слева и справа теперь по 4 атома H.
2. Слева стало 4 атома O. Справа в двух молекулах воды 2 атома O, поэтому ещё 2 атома O должны дать одна молекула O₂.
3. Проверим баланс: слева H — 4 и O — 4; справа H — 4 и O — 2 + 2 = 4.

Ответ: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Проверка числа атомов показывает, что уравнение составлено правильно.

Задача 3. В 34 г пероксида водорода определите количество вещества и число молекул. Количество вещества связывает массу образца с молярной массой: n = m/M. Для числа молекул понадобится постоянная Авогадро Nₐ ≈ 6,02 · 10²³ моль⁻¹, то есть число частиц в одном моле вещества. Сначала найдём молярную массу по формуле, затем выполним два расчёта.

1. Молярная масса H₂O₂: M = 2 · 1 + 2 · 16 = 34 г/моль.
2. Количество вещества: n = 34 г / 34 г/моль = 1 моль.
3. Число молекул: N = nNₐ = 1 · 6,02 · 10²³ = 6,02 · 10²³ молекул.

Ответ: n(H₂O₂) = 1 моль; в образце содержится примерно 6,02 · 10²³ молекул.

Типичные ошибки

Ошибка — считать воду и пероксид водорода одним веществом, потому что оба содержат водород и кислород. Обычно забывают, что состав можно сравнивать только по точным формулам: H₂O и H₂O₂ содержат разное число атомов кислорода. Кроме того, связи между атомами в их молекулах устроены по-разному. Проверьте себя: прочитайте индексы у каждого символа и не делайте вывод о свойствах только по набору элементов.

При чтении H₂O₂ иногда считают, что индекс 2 относится только к водороду. Индекс в химической формуле относится к символу, который стоит непосредственно перед ним, поэтому после O он показывает два атома кислорода. Индексы после H и O действуют независимо. Проверка проста: посмотрите на каждый элемент отдельно — в этой формуле атомов H два и атомов O тоже два.

Нельзя приравнивать степень окисления кислорода в H₂O₂ к −2, как в воде. Такое правило запоминают для воды и многих оксидов, но в пероксидах с связью O–O кислород имеет степень окисления −1. Чтобы проверить значение, сложите степени окисления: два атома H дают +2, два атома O с −1 дают −2, а итог равен нулю. Для H₂O такая проверка, напротив, даёт кислороду −2.

Ещё одна ошибка — записать разложение H₂O₂ без коэффициентов или подобрать их так, что число атомов слева и справа различается. Это происходит, если проверяют только один элемент или меняют индексы вместо коэффициентов. Правильная запись: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Пересчитайте отдельно атомы H и O по обе стороны: их должно быть поровну для каждого элемента.

Связь с другими темами

Чтобы читать H₂O и H₂O₂, нужно уметь определять состав вещества по химической формуле и понимать значение индексов. Понятия валентности и степени окисления помогают описывать соединение атомов и проверять правильность формулы. Тема оксидов объясняет, почему вода относится к этой группе, а знания о химической связи позволяют сравнить строение её молекул с пероксидом.

Уравнение разложения связывает тему с законом сохранения атомов и навыком расстановки коэффициентов. Свойства пероксида водорода пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций: в таких реакциях меняются степени окисления. Образование кислорода при разложении также связано с темой способов получения и распознавания этого газа.

Что запомнить

• Формула воды — H₂O, пероксида водорода — H₂O₂.
• Вода — оксид водорода.
• В молекуле H₂O степень окисления кислорода равна −2.
• В пероксиде водорода степень окисления кислорода равна −1.
• Пероксид водорода разлагается с образованием воды и кислорода.
• Свойства вещества зависят не только от состава, но и от строения его частиц.