"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Вода — не только распространённый растворитель, но и участник химических реакций. Активные металлы вытесняют из неё водород, некоторые основные оксиды превращаются в основания, а кислотные — в кислоты. Электрический ток разлагает воду на водород и кислород. Знание этих свойств помогает объяснить способы получения веществ и понять, почему вода нужна как растворитель, участник химических процессов, средство охлаждения и тушения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Взаимодействие воды с активными металлами — это реакция, в которой металл вытесняет из воды водород. Обычно образуются основание и водород: например, при реакции натрия получается NaOH и H₂. Чем активнее металл, тем энергичнее взаимодействие, поэтому по реакции можно судить о свойствах металла.
Взаимодействие воды с основными оксидами — это реакция некоторых оксидов металлов с водой, в результате которой образуется основание. Например, CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Формула продукта показывает, какое основание возникло; это помогает связать оксид с соответствующим ему гидроксидом.
Взаимодействие воды с кислотными оксидами — это образование кислоты при реакции или растворении ряда таких оксидов в воде. Например, SO₃ + H₂O → H₂SO₄. По формуле кислотного оксида часто можно установить, какая кислота получится, и записать уравнение её получения.
Электролиз воды — её разложение под действием электрического тока на водород и кислород. Уравнение процесса: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Оно показывает состав продуктов и их количественное соотношение, поэтому нужно для расчёта объёмов выделившихся газов.
При столкновении активного металла с частицами воды металл отдаёт электроны и вытесняет водород. Оставшаяся часть молекулы воды соединяется с металлом, образуя гидроксид, то есть основание; водород выделяется в виде газа. Активные металлы, например натрий, реагируют быстро и бурно, потому что легко вступают в химическое взаимодействие. Менее активные металлы при обычных условиях могут совсем не реагировать, а для некоторых требуются нагревание и водяной пар.
Основной оксид — соединение кислорода с металлом, которому может соответствовать основание. Но наличие такой связи ещё не означает, что оксид вступит в реакцию с водой: это зависит от свойств конкретного вещества. Например, CaO реагирует с водой, а CuO при обычных условиях — нет. Если реакция идёт, в формуле продукта металл сохраняется, а к нему присоединяются группы OH: CaO превращается в Ca(OH)₂.
Кислотные оксиды — оксиды, которым соответствуют кислоты. При взаимодействии с водой частицы оксида и воды образуют кислоту с тем же кислотным остатком: например, SO₃ даёт H₂SO₄. Это объясняет, почему растворение некоторых таких оксидов приводит к кислой среде. Однако не каждый кислотный оксид обязательно реагирует с водой: возможность реакции зависит от свойств самого оксида.
Во время электролиза через воду пропускают электрический ток. На электродах частицы воды превращаются в молекулы газов: на одном выделяется водород, на другом — кислород. Уравнение 2H₂O → 2H₂ + O₂ означает, что образуются две части молекул H₂ на одну часть молекул O₂. При одинаковых температуре и давлении одинаковые объёмы газов содержат одинаковое число частиц, поэтому объём водорода вдвое больше.
Способность воды растворять многие вещества позволяет готовить растворы и проводить реакции в жидкой среде. Вода участвует и в самих химических превращениях, например при получении оснований и кислот из оксидов. Она также поглощает значительное количество тепла, поэтому подходит для охлаждения оборудования и переноса тепла. Для тушения пожаров воду используют потому, что она охлаждает горящие предметы, хотя применять её можно не при каждом виде возгорания.
В таблице собраны типичные реакции воды и важные условия их протекания. Сначала определите, с каким классом веществ она взаимодействует, затем сравните уравнение и продукты. Помните, что приведённые примеры не означают, будто так реагируют все вещества данного класса.
| Вид взаимодействия | Пример уравнения | Продукты и условие |
|---|---|---|
| С активным металлом | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ | Основание и водород; активный металл, обычные условия. |
| С основным оксидом | CaO + H₂O → Ca(OH)₂ | Основание; реагируют некоторые основные оксиды. |
| С кислотным оксидом | SO₃ + H₂O → H₂SO₄ | Кислота; реакция характерна для некоторых кислотных оксидов. |
| Разложение электрическим током | 2H₂O → 2H₂ + O₂ | Водород и кислород; пропускание электрического тока. |
Натрий относится к активным металлам, поэтому для него подходит схема «металл + вода → основание + водород». Сначала составим формулы продуктов, а затем проверим, одинаково ли число атомов каждого элемента слева и справа. Это позволяет не угадывать коэффициенты, а подобрать их по сохранению состава веществ.
Получаем уравнение 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Продукты реакции — гидроксид натрия, относящийся к основаниям, и водород. Стрелка вверх обозначает выделение газа.
Оксид кальция — основной оксид, который реагирует с водой с образованием соответствующего основания. Кальций имеет заряд +2, а каждая группа OH — заряд −1, поэтому формула гидроксида кальция содержит две группы OH. После записи формул проверим, нужны ли коэффициенты.
Уравнение: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Продукт — гидроксид кальция, основание. В отличие от растворимых щелочей, он малорастворим в воде.
Объёмы газов при одинаковых условиях относятся так же, как коэффициенты перед их формулами в уравнении. Поэтому сначала важно правильно записать и уравнять процесс электролиза, а затем применить найденное соотношение. В условии дан объём кислорода, значит его коэффициент будет опорным для расчёта.
Ответ: объём водорода равен 12 л; уравнение реакции — 2H₂O → 2H₂ + O₂. Результат разумен: водорода должно получиться вдвое больше, чем кислорода.
Ошибка — считать, что с водой реагируют все металлы. Её допускают, если запоминают только один пример и переносят его на весь класс веществ. Проверяйте активность металла и условия: натрий реагирует с холодной водой, а железо при обычных условиях — нет, хотя может взаимодействовать с паром при нагревании.
Ошибка — записывать образование щёлочи при взаимодействии любого основного оксида с водой. Причина в том, что определение основного оксида связывают с основанием, забывая о различиях между веществами. Проверяйте, известна ли реакция именно этого оксида: CaO с водой реагирует, а CuO — нет при обычных условиях.
Ошибка — путать продукты реакций воды с основными и кислотными оксидами. В первом случае, если реакция происходит, образуется основание; во втором — кислота. Чтобы проверить себя, определите класс исходного оксида, а затем сравните формулу ожидаемого продукта с уравнением.
Ошибка — считать, что при электролизе образуются равные объёмы газов. Так бывает, если не учитывать коэффициенты перед формулами веществ. Проверьте уравнение 2H₂O → 2H₂ + O₂: коэффициенты показывают отношение H₂ : O₂ = 2 : 1, значит водорода по объёму вдвое больше.
Чтобы разбирать реакции воды, нужно знать классы неорганических веществ: оксиды, кислоты и основания. Понадобятся также умение составлять формулы веществ и правила расстановки коэффициентов в уравнениях реакций. Эти знания помогают понять, как получают кислоты и основания из оксидов, и применять закон сохранения атомов при расчётах.
Тема продолжает изучение химических реакций и способов получения веществ. Она пригодится при знакомстве со свойствами кислот и оснований, а также с реакциями металлов. Практическая сторона темы связана с использованием воды как растворителя, теплоносителя, средства охлаждения и тушения.
Почему натрий реагирует с водой бурно, а железо — нет при обычных условиях?
Натрий — очень активный металл, поэтому быстро вытесняет водород из воды; реакция сопровождается выделением тепла. Железо менее активно и с холодной водой заметно не реагирует. С водяным паром при нагревании железо взаимодействовать может.
Все ли основные оксиды образуют основания при взаимодействии с водой?
Нет. С водой реагируют лишь некоторые основные оксиды, например оксиды натрия и кальция. Многие другие, в том числе оксид меди(II), при обычных условиях с водой не взаимодействуют.
Почему при электролизе воды получают вдвое больше водорода, чем кислорода?
Уравнение реакции 2H₂O → 2H₂ + O₂ показывает, что на две частицы водорода образуется одна частица кислорода. При одинаковых условиях объёмы газов относятся так же, как количества их частиц, поэтому водорода получается вдвое больше.
Какие продукты образуются при реакции воды с активным металлом?
Обычно образуются основание и водород. Например, при взаимодействии натрия с водой получается гидроксид натрия и выделяется водород: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑.
Почему вода используется как растворитель и средство охлаждения?
Многие вещества растворяются в воде, поэтому её удобно использовать для приготовления растворов и проведения химических процессов. Вода также способна поглощать много тепла, не нагреваясь слишком быстро, поэтому её применяют для охлаждения.
§ 32. Химические свойства и применение воды
