"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Вода — распространённое сложное вещество, необходимое живым организмам и используемое в быту и промышленности. Её молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому формула воды — H₂O. Вода растворяет многие вещества, при определённых условиях реагирует с металлами и оксидами, а электрический ток разлагает её на водород и кислород. Знание этих свойств помогает понять растворы и химические реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вода — сложное вещество с химической формулой H₂O. В одной молекуле находятся два атома водорода и один атом кислорода, поэтому индекс ₂ относится к водороду, а отсутствие индекса у кислорода означает один атом. Такое обозначение позволяет точно описывать состав вещества и записывать уравнения реакций.
Оксид — бинарное соединение, то есть вещество из двух химических элементов, один из которых кислород. Вода относится к оксидам водорода, потому что состоит только из водорода и кислорода. Это название помогает сопоставлять воду с другими оксидами и предсказывать некоторые способы её получения.
Растворитель — вещество, в котором растворяются другие вещества. Вода — один из самых распространённых растворителей: в ней растворяются, например, поваренная соль и сахар, поэтому её используют в быту, природе и лаборатории. Но растворителем она служит не для всех веществ, и само растворение не всегда означает химическую реакцию.
Кристаллизационная вода — вода, входящая в состав кристаллов некоторых веществ. Она является частью кристаллического вещества, а не просто жидкостью, попавшей между кристаллами. Изучение таких соединений, называемых кристаллогидратами, помогает отличать их состав от состава безводных веществ.
Формула H₂O следует из состава каждой отдельной молекулы: два атома водорода соединены с одним атомом кислорода. Относительные атомные массы водорода и кислорода приблизительно равны 1 и 16, поэтому масса двух атомов водорода равна 2, а одного атома кислорода — 16. Значит, массовое соотношение водорода и кислорода в воде составляет 2:16, или 1:8.
При обычных условиях вода — жидкость без цвета, запаха и вкуса. При охлаждении она замерзает, а при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °C; эти значения помогают описывать её переходы между состояниями. При замерзании вода расширяется, поэтому лёд менее плотный и плавает на поверхности, а вода в трещинах может повреждать горные породы и предметы.
Молекулы воды притягиваются к частицам многих веществ и окружают их, помогая частицам распределиться в жидкости. Поэтому вода растворяет множество веществ и важна для переноса веществ в живых организмах и природных водоёмах. При растворении не обязательно появляются новые вещества: если частицы просто равномерно смешались, это физический процесс, хотя некоторые вещества при растворении могут вступать и в химические изменения.
Некоторые активные металлы вытесняют водород из воды. В результате образуются гидроксид металла и водород: например, 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂; при реакции кальция записывают Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂. Натрий и другие щелочные металлы реагируют особенно бурно, потому что легко отдают электроны; такие опыты проводят только в безопасных условиях.
Вода реагирует с некоторыми оксидами: основные оксиды активных металлов могут образовать основания, например CaO + H₂O → Ca(OH)₂, а кислотные оксиды — кислоты, например SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Однако не всякий оксид взаимодействует с водой. Воду можно разложить электрическим током: 2H₂O → 2H₂ + O₂; обратное соединение водорода с кислородом записывают как 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Таблица собирает основные сведения о воде: от состава молекулы до способов её превращения. Читая строку о реакции, обращай внимание и на исходные вещества, и на продукты. Уравнения в последнем столбце можно использовать как образцы для разбора похожих реакций.
| Характеристика | Описание или пример |
|---|---|
| Формула и состав молекулы | H₂O; два атома водорода и один атом кислорода. Массовое соотношение H:O — 1:8. |
| Физические свойства | При обычных условиях — бесцветная жидкость без запаха и вкуса; при замерзании расширяется. |
| Растворимость веществ в воде | Вода растворяет многие вещества, например соль и сахар, но не все вещества. |
| Взаимодействие с активными металлами | Образуются гидроксид и водород: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. |
| Взаимодействие с оксидами | Некоторые основные оксиды дают основания: CaO + H₂O → Ca(OH)₂; некоторые кислотные — кислоты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. |
| Разложение и получение воды | Электролиз: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Соединение водорода с кислородом: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. |
Задача 1. Укажите формулу воды и определите, сколько атомов каждого элемента содержится в одной её молекуле. Чтобы ответить, нужно прочитать химическую формулу: нижний индекс показывает число атомов элемента. Если индекс не написан, атом этого элемента один.
Ответ: H₂O; два атома водорода и один атом кислорода.
Задача 2. Составьте уравнение реакции воды с натрием и расставьте коэффициенты. Активный металл образует с водой гидроксид, а атомы водорода из воды соединяются попарно в молекулы водорода. Поэтому сначала записываем схему Na + H₂O → NaOH + H₂, а затем проверяем число атомов с обеих сторон.
Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
Задача 3. При электролизе воды получили 6 моль водорода. Определите количество вещества кислорода и воды, израсходованной по уравнению реакции. Сначала используем уравнение 2H₂O → 2H₂ + O₂: коэффициенты показывают соотношение количеств веществ в молях. На каждые 2 моль H₂ образуется 1 моль O₂ и расходуется 2 моль H₂O.
Ответ: 3 моль кислорода и 6 моль воды.
Формулу воды иногда записывают как HO, забывая индекс у водорода. Так происходит, если формулу воспринимать как перечень элементов, а не как указание на состав молекулы. Проверь себя: в каждой молекуле на один атом кислорода приходятся два атома водорода, поэтому запись должна быть H₂O.
Растворение любого вещества иногда считают химической реакцией. Причина ошибки — раствор может выглядеть однородным, и кажется, что исходное вещество исчезло. Чтобы проверить вывод, спроси себя, появились ли новые вещества: смешивание частиц само по себе не доказывает реакцию.
В реакции металла с водой могут забыть записать водород или указать оксид вместо гидроксида. Путают продукты, потому что названия соединений металлов с кислородом кажутся похожими. Сверь продукты с типичной схемой: активный металл + вода → гидроксид + H₂, затем проверь, есть ли в уравнении все атомы.
При уравнивании нельзя менять индексы в формулах, например превращать H₂O в H₂O₂ ради равенства числа атомов. Так изменится само вещество, а не только количество его молекул. Меняй только коэффициенты перед формулами и после каждого шага пересчитывай атомы элементов слева и справа.
Для изучения воды нужно уметь читать химические формулы, понимать обозначения элементов и знать, как составляют уравнения реакций. Понятия валентности помогают разбираться в составе веществ, а коэффициенты — правильно описывать превращения. Эти навыки пригодятся при изучении растворов и оснований, а также кислот и реакций в водной среде. Свойства воды помогают объяснить, почему многие химические процессы удобно проводить в растворах.
Почему формула воды — H₂O, а не HO?
В молекуле воды на один атом кислорода приходятся два атома водорода. Индекс ₂ после H показывает количество атомов водорода, а отсутствие индекса у O означает один атом кислорода.
Какие физические свойства воды можно наблюдать в обычных условиях?
При обычных условиях вода — бесцветная жидкость без запаха и вкуса. Она замерзает при 0 °C и кипит при 100 °C при нормальном атмосферном давлении.
Почему воду называют хорошим растворителем?
Молекулы воды взаимодействуют с частицами многих веществ и помогают им распределиться в объёме жидкости. Однако вода растворяет не всё: например, многие масла в ней практически не растворяются.
Что образуется при реакции активного металла с водой?
Обычно образуются гидроксид металла и водород. Например, натрий реагирует с водой с образованием гидроксида натрия и водорода: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
На какие вещества разлагается вода при электролизе?
При пропускании электрического тока вода разлагается на водород и кислород. Уравнение процесса: 2H₂O → 2H₂ + O₂.
§ 31. Вода
