Вода

Определения и обозначения

Молекула воды — частица состава H₂O, в которой на два атома водорода приходится один атом кислорода. Связи O–H ковалентные и полярные: общие электроны сильнее притягиваются к кислороду. Это определение помогает связать состав воды с её строением и свойствами.

Водородная связь — притяжение между молекулами, в частности между частично положительным атомом водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой. Она слабее ковалентной связи O–H и не соединяет атомы внутри одной молекулы. Понятие нужно, чтобы объяснять физические свойства воды.

Жёсткость воды — свойство, обусловленное присутствием в ней ионов кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺. Чем больше таких ионов, тем заметнее жёсткость и тем вероятнее образование накипи при нагревании. Это понятие важно для выбора способа обработки воды.

Дистиллированная вода — вода, очищенная от растворённых примесей перегонкой: воду испаряют, а затем охлаждают и собирают образовавшийся конденсат. Большинство нелетучих растворённых веществ остаётся в исходной ёмкости. Такую воду используют, когда примеси могут мешать проведению опыта или работе оборудования.

Как это устроено

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, но атомы расположены не на одной прямой: молекула имеет угловую форму. Кислород обладает большей электроотрицательностью, то есть сильнее притягивает к себе общие электроны в связях O–H. Поэтому у кислорода появляется частичный отрицательный заряд, а у атомов водорода — частичный положительный. Из-за угловой формы эти заряды не компенсируются, и молекула в целом полярна.

Полярные молекулы воды притягиваются друг к другу: частично положительный атом водорода взаимодействует с частично отрицательным атомом кислорода соседней молекулы. Это межмолекулярное взаимодействие называют водородной связью; оно не заменяет ковалентные связи O–H внутри молекулы. Чтобы разорвать множество таких взаимодействий при плавлении или кипении, требуется энергия. Поэтому температуры плавления и кипения воды необычно высоки для вещества с небольшой молекулярной массой; водородные связи влияют и на другие физические свойства.

Полярность помогает воде растворять многие вещества: её молекулы взаимодействуют с заряженными частицами и полярными молекулами растворяемого вещества. При растворении ионного соединения его частицы могут перейти в раствор в виде ионов, а некоторые молекулярные вещества остаются в виде молекул. Поэтому раствор — не обязательно набор только ионов или только молекул. Способность воды растворять вещества важна для природных процессов, живых организмов и химических реакций.

Химические свойства воды проявляются, например, при взаимодействии с активными металлами: могут образоваться гидроксид металла и водород. С основными оксидами некоторых металлов вода образует основания, а с кислотными оксидами — кислоты, если реакция протекает. Условия имеют значение: жидкая вода и водяной пар могут реагировать с металлами по-разному, а менее активные металлы могут не вытеснять водород из воды. Поэтому продукты реакции определяют с учётом вещества и условий, а уравнение проверяют по числу атомов.

Ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ попадают в воду при растворении минералов и обусловливают её жёсткость. При нагревании некоторые растворённые соли разлагаются или превращаются в малорастворимые соединения, которые выпадают в осадок; так уменьшается временная жёсткость. Но кипячение не осаждает все соединения кальция и магния. Для устранения постоянной жёсткости применяют другие методы: например, добавляют вещества, образующие осадок с этими ионами, или удаляют ионы с помощью специальных материалов.

Состав, свойства и способы очистки воды

Таблица связывает строение воды с её свойствами и показывает, откуда берётся жёсткость. Сначала определите, какую характеристику нужно объяснить, затем сопоставьте её с соответствующей причиной или способом обработки. При выборе способа умягчения учитывайте, что кипячение действует не на все соли.

Разбор задач

Задача 1. Составить уравнение реакции натрия с водой и определить продукты. Натрий — активный металл, поэтому при взаимодействии с жидкой водой образуются гидроксид натрия и водород. Запишем формулы продуктов: NaOH и H₂. Затем уравняем реакцию, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало.

1. Записываем схему: Na + H₂O → NaOH + H₂.
2. В молекуле H₂ есть два атома водорода, поэтому ставим коэффициент 2 перед Na и H₂O, а затем 2 перед NaOH.
3. Проверяем число атомов: слева 2 Na, 4 H и 2 O; справа — столько же. Уравнение: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.

Ответ: образуются гидроксид натрия и водород; уравнение реакции — 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.

Задача 2. Какой объём водорода при н. у. выделится при реакции 4,6 г натрия с избытком воды? Вначале нужно найти количество натрия, а затем использовать коэффициенты уравнения: два моля Na дают один моль H₂. Поскольку вода взята в избытке, ограничивающим реагентом является натрий. При нормальных условиях один моль газа занимает 22,4 л.

1. Записываем уравнение: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.
2. Находим количество натрия: n(Na) = m/M = 4,6 г / 23 г/моль = 0,2 моль.
3. По соотношению 2:1 получаем n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль.
4. Рассчитываем объём: V(H₂) = 0,1 × 22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л водорода при н. у.

Задача 3. Для умягчения 200 л воды нужно осадить ионы кальция карбонатом натрия. Концентрация Ca²⁺ равна 2,0 ммоль/л; требуется найти массу безводного Na₂CO₃. Сначала определим общее количество ионов кальция в указанном объёме, затем учтём соотношение веществ в реакции. Осаждение происходит при образовании малорастворимого карбоната кальция.

1. Находим количество Ca²⁺: n = cV = 2,0 ммоль/л × 200 л = 400 ммоль = 0,400 моль.
2. Записываем уравнение: Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓. Одному молю ионов кальция нужен один моль карбонат-ионов; один моль Na₂CO₃ даёт один моль CO₃²⁻.
3. Значит, n(Na₂CO₃) = 0,400 моль. Молярная масса Na₂CO₃ равна 106 г/моль, поэтому m = 0,400 × 106 = 42,4 г.

Ответ: потребуется 42,4 г безводного Na₂CO₃.

Типичные ошибки

Считать молекулу воды линейной — значит не учитывать угловое расположение связей O–H. Так ошибаются, представляя формулу H₂O как простой ряд символов, а не как пространственную модель. Проверь себя: у молекулы есть угол, и полярности связей не направлены строго в противоположные стороны, поэтому вода полярна.

Называть водородную связь связью O–H внутри молекулы — значит смешивать два разных взаимодействия. Это происходит потому, что оба понятия содержат слово «водород». Проверь себя: ковалентная связь O–H удерживает атомы в одной молекуле, а водородная связь возникает между соседними молекулами.

Считать, что кипячение устраняет любую жёсткость, неверно: оно помогает удалить только временную жёсткость. Ошибка возникает из наблюдения за накипью, которая появляется при нагревании, но не все соли кальция и магния при этом осаждаются. Проверь себя, определив, временная или постоянная жёсткость рассматривается; для постоянной нужны другие способы умягчения.

Записывать продукты реакции воды с металлом без учёта активности металла и условий — риск получить неверное уравнение. Не всякий металл реагирует с жидкой водой так же, как активный натрий, а с водяным паром возможны другие продукты. Проверь себя: уточни металл, агрегатное состояние воды и условия, затем уравняй число атомов в уравнении.

Связь с другими темами

Для понимания строения воды нужны знания о строении атома, электроотрицательности и химической связи: они помогают объяснить полярность молекулы. Уравнения реакций опираются на умение составлять формулы оксидов и расставлять коэффициенты. Позже свойства воды пригодятся при изучении растворов, электролитической диссоциации и гидролиза солей, а также при разборе реакций в водной среде. Жёсткость и очистка воды связывают химию с экологией, бытовой химией и водоподготовкой.

Что запомнить

• Формула воды — H₂O.
• Молекула воды имеет угловое строение и является полярной.
• Между молекулами воды образуются водородные связи.
• Вода реагирует с некоторыми металлами и оксидами.
• Ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ обусловливают жёсткость воды.
• Кипячение устраняет временную, но не постоянную жёсткость.