"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Вода H₂O и пероксид водорода H₂O₂ состоят из водорода и кислорода, но отличаются строением и свойствами. У воды угловая полярная молекула, а между молекулами возникают водородные связи, влияющие на её температуру кипения и плотность. В H₂O₂ есть сравнительно легко разрываемая связь O–O, а кислород имеет степень окисления −1. Поэтому пероксид водорода неустойчив и способен быть как окислителем, так и восстановителем.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вода (H₂O) — соединение водорода с кислородом, молекула которого имеет угловое строение. Связи O–H полярны: общие электронные пары смещены к более электроотрицательному кислороду. Это строение объясняет полярность молекулы и её взаимодействия с другими частицами.
Пероксид водорода (H₂O₂) — соединение водорода и кислорода, в молекуле которого два атома кислорода связаны друг с другом. Такая связь O–O называется пероксидной и отличает H₂O₂ от воды. Она важна для понимания неустойчивости вещества и его химических реакций.
Водородная связь — притяжение между атомом водорода, связанным с электроотрицательным атомом, и другим электроотрицательным атомом соседней молекулы. Между молекулами воды такие взаимодействия образуют подвижную сеть. Её перестройка требует энергии и влияет на физические свойства воды.
Пероксидная связь — ковалентная связь между атомами кислорода в пероксидах. Поскольку атомы кислорода имеют одинаковую электроотрицательность, связь O–O неполярна и сравнительно легко разрывается. Это помогает объяснить, почему H₂O₂ может разлагаться и участвовать в окислительно-восстановительных реакциях.
В молекуле воды атом кислорода образует две связи O–H и имеет две неподелённые электронные пары. Электронная плотность каждой связи смещена к кислороду, поэтому её концы получают частичные заряды: у кислорода возникает частичный отрицательный заряд, у водородов — частичный положительный. Из-за углового строения направления полярных связей не противоположны, и их действие не компенсируется. В итоге вся молекула воды полярна и способна притягиваться к соседним молекулам.
Положительно поляризованный водород одной молекулы притягивается к электронным парам кислорода другой, образуя водородную связь. На разрыв множества таких взаимодействий при переходе жидкости в пар требуется дополнительная энергия, поэтому температура кипения воды высока для молекулы такой небольшой массы. При охлаждении молекулы постепенно образуют более упорядоченную структуру; около 4 °C плотность воды максимальна. При дальнейшем охлаждении рыхлая структура занимает больший объём, поэтому лёд менее плотный, чем жидкая вода.
Молекула H₂O₂ содержит цепочку H–O–O–H, причём её строение не совпадает с угловой молекулой воды: здесь есть связь между атомами кислорода. Пероксидная связь относительно слаба, поэтому под действием света, нагревания или катализатора может разрываться. В результате реакции образуются более устойчивые вода и молекулярный кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Катализатор ускоряет этот процесс, но не входит в суммарное уравнение реакции.
В обычных соединениях кислород часто имеет степень окисления −2, но в пероксидах связь O–O меняет распределение электронов между атомами кислорода. В H₂O₂ водород имеет степень окисления +1, поэтому на каждый атом кислорода приходится −1. Это промежуточное значение позволяет кислороду и принимать электроны, переходя к −2, и отдавать их, переходя к 0. Поэтому H₂O₂ способен быть и окислителем, и восстановителем — роль зависит от партнёра по реакции.
Химические свойства этих веществ связаны с их строением. Активные металлы могут вытеснять водород из воды, а основные оксиды при взаимодействии с водой образуют основания; кислотные оксиды часто образуют кислоты. Пероксид водорода разлагается до воды и кислорода, а в окислительно-восстановительных реакциях его атомы кислорода меняют степень окисления. Так, с окислителями H₂O₂ может отдавать электроны, а с восстановителями — принимать их.
| Характеристика | Вода (H₂O) | Пероксид водорода (H₂O₂) |
|---|---|---|
| Строение молекулы | Угловая молекула H–O–H | Молекула H–O–O–H с связью между атомами кислорода |
| Степень окисления кислорода | −2 | −1 |
| Характерные связи и межмолекулярные взаимодействия | Полярные связи O–H; водородные связи между молекулами | Полярные связи O–H и пероксидная связь O–O |
| Относительная устойчивость | Устойчива при обычных условиях | Неустойчива, разлагается на воду и кислород |
| Характерные химические свойства | Реагирует с некоторыми металлами и оксидами | Разлагается; проявляет окислительные и восстановительные свойства |
| Примеры применения | Растворитель, питьё и бытовые нужды | Дезинфекция, отбеливание, окислительные процессы |
Сначала сравнивайте не только формулы, но и связи внутри молекул: именно связь O–O отличает пероксид от воды. Затем связывайте степень окисления кислорода с возможными превращениями. Таблица помогает быстро увидеть, почему H₂O₂ химически активнее и менее устойчив.
Задача 1. Определите степени окисления элементов в H₂O и H₂O₂ и объясните различие положения кислорода. В нейтральной молекуле сумма степеней окисления равна нулю, а водород в обоих соединениях обычно имеет +1. Для H₂O₂ нужно учитывать, что это пероксид, в котором кислород имеет особое значение степени окисления.
Ответ: в H₂O водород +1, кислород −2; в H₂O₂ водород +1, кислород −1. Значение −1 указывает, что кислород в пероксиде может как принимать, так и отдавать электроны.
Задача 2. Запишите разложение H₂O₂, расставьте коэффициенты и укажите изменение степеней окисления. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой один и тот же элемент одновременно окисляется и восстанавливается. Такой процесс называют диспропорционированием.
Ответ: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂; кислород одновременно восстанавливается и окисляется.
Задача 3. При разложении раствора H₂O₂ используют катализатор. Найдите объём кислорода для раствора массой 200 г с массовой долей H₂O₂ 3%; расчёт выполнен для нормальных условий. Если в условии заданы другие масса или массовая доля, подставьте их вместо этих иллюстративных значений.
Ответ: около 2,0 л кислорода. Катализатор ускоряет разложение, но его массу не прибавляют к продуктам реакции.
Ошибка — приравнивать строение H₂O₂ к строению H₂O. Их формулы похожи, поэтому можно не заметить дополнительный атом кислорода и связь O–O. Проверка: нарисуйте последовательность атомов в молекуле; у пероксида она H–O–O–H.
Ошибка — указывать кислороду в H₂O₂ степень окисления −2. Так делают, автоматически перенося правило для воды и большинства оксидов. Проверьте сумму: при H = +1 два атома кислорода в нейтральной молекуле должны дать −2 вместе, то есть по −1 каждый.
Ошибка — считать H₂O₂ только окислителем. Такое представление возникает из знакомых реакций, где пероксид принимает электроны. Сверяйте степень окисления кислорода до и после реакции: переход −1 → −2 означает восстановление пероксида, а переход −1 → 0 — его окисление и роль восстановителя.
Ошибка — записывать катализатор как израсходованный реагент при разложении H₂O₂. Его присутствие в опыте не означает, что он входит в продукты или меняет суммарное уравнение. Проверка: катализатор ускоряет реакцию, но не расходуется; уравнение остаётся 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.
Чтобы понять строение воды и H₂O₂, нужны знания о строении атома, электроотрицательности и полярной ковалентной связи. Правила степеней окисления помогают определять, какие превращения возможны для кислорода в пероксиде. Эта тема пригодится при изучении окислительно-восстановительных реакций и катализа, а свойства водородных связей объясняют особенности веществ и биологическую роль воды.
Почему вода имеет угловую форму молекулы?
У атома кислорода в молекуле H₂O две связи с атомами водорода и две неподелённые электронные пары. Они отталкиваются друг от друга, поэтому связи O–H располагаются под углом, а молекула приобретает угловую форму.
Как водородные связи влияют на свойства воды?
Водородные связи притягивают молекулы воды друг к другу, и для их разделения требуется энергия. Поэтому вода кипит при сравнительно высокой температуре, а её плотность достигает максимума при 4 °C из-за особенностей структуры и перестройки связей при охлаждении.
Почему пероксид водорода со временем разлагается?
В молекуле H₂O₂ есть связь O–O, которая сравнительно легко разрывается. Разложение ускоряют свет, нагревание и некоторые примеси или катализаторы; в результате образуются вода и кислород.
Почему кислород в H₂O₂ имеет степень окисления −1?
В нейтральной молекуле сумма степеней окисления равна нулю, а водород обычно имеет степень окисления +1. Два атома водорода дают +2, значит, на два атома кислорода приходится −2, то есть по −1 на каждый.
В каких реакциях пероксид водорода выступает восстановителем?
Он выступает восстановителем, когда реагирует с более сильным окислителем, например с перманганатом в кислой среде. При этом кислород в H₂O₂ повышает степень окисления с −1 до 0, отдавая электроны.
15.3. Вода и пероксид водорода
