Химия Инфо

Вода и её химические свойства

Вода — не только растворитель. Она участвует в реакциях с некоторыми металлами и оксидами, передаёт и принимает протоны, подвергается электролизу. При этом кипение, замерзание и растворение соли нельзя автоматически называть разложением воды. Формула H2O сохраняется при обычных изменениях агрегатного состояния.

Состав и строение

Вода H2O — сложное молекулярное вещество: одна молекула содержит два атома водорода и один атом кислорода. Чистая вода, водный раствор и водяной пар различаются по состоянию или составу системы.

В школьных расчётах при Ar(H) = 1 и Ar(O) = 16 молярная масса воды равна:

M(H2O) = 2 · 1 + 16 = 18 г/моль.

Связи O—H ковалентные полярные. Молекула имеет угловое строение, поэтому частичные заряды не компенсируются по направлению полностью: вода полярна. Между её молекулами возникают водородные связи. Их не следует путать с ковалентными связями O—H внутри молекулы или с отдельными молекулами водорода H2.

В жидкой воде молекулы постоянно движутся и перестраивают окружение. Лёд имеет более открытую структуру и при обычном давлении менее плотен, чем жидкая вода. Поэтому лёд плавает, а замерзание обычно сопровождается увеличением объёма.

Физические свойства и их условия

Чистая вода — бесцветная в небольшом слое жидкость без запаха. При нормальном атмосферном давлении 101,325 кПа она замерзает примерно при 0 °C и кипит примерно при 100 °C. Температура кипения зависит от давления; на высоте она ниже. Максимальная плотность обычной жидкой воды при атмосферном давлении достигается около 4 °C.

Водяной пар невидим; белое облачко состоит из капель жидкости или кристалликов льда. Очень чистая вода проводит электрический ток слабо. Обычная природная или водопроводная вода содержит растворённые ионы, поэтому её электропроводность может быть гораздо выше. Электрические устройства не проверяют с помощью воды.

Вода растворяет многие вещества, но не все. Соль может распределяться в ней в виде гидратированных ионов, сахар — молекул. Вопросы растворимости подробно разобраны в отдельной статье.

Реакции с металлами

Некоторые активные металлы реагируют с жидкой водой. Например, кальций образует гидроксид и водород:

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑.

Кальций окисляется с 0 до +II, часть водорода воды восстанавливается с +I до 0. Следовательно, вода здесь является окислителем. Образование малорастворимого Ca(OH)2 может придавать смеси мутность.

Менее активные металлы ведут себя иначе. Сильно нагретое железо взаимодействует с водяным паром с образованием Fe3O4 и H2:

3Fe + 4H2O(г.) → Fe3O4 + 4H2, сильное нагревание.

Эта запись не описывает обычный контакт железа с холодной водой. Медь при обычных условиях водород из воды не вытесняет. Скорость и возможность реакции зависят от металла, температуры, состояния поверхности и защитных плёнок.

Нельзя переносить одну схему на все металлы и оксиды. Жидкая вода и горячий водяной пар могут давать разные результаты; некоторые вещества с водой в обычных условиях не реагируют.

Реакции с оксидами

Некоторые основные оксиды взаимодействуют с водой с образованием оснований. Оксид кальция даёт гидроксид кальция и выделяет значительное количество теплоты:

CaO + H2O → Ca(OH)2.

Но не каждый основной оксид вступает в такое превращение: CuO в обычной воде не превращается просто в Cu(OH)2. Для получения этого гидроксида используют другую реакцию, например осаждение из раствора соли.

Некоторые кислотные оксиды образуют кислоты. При достаточном количестве воды оксид фосфора(V) даёт ортофосфорную кислоту:

P4O10 + 6H2O → 4H3PO4.

Растворённый углекислый газ находится в равновесии с небольшой долей угольной кислоты:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3.

Эта схема не означает, что весь растворённый CO2 превратился в молекулы H2CO3. Кислотный оксид SiO2 с обычной водой так не реагирует. Название класса помогает искать свойства, но не заменяет сведения о конкретном веществе.

Вода как кислота и основание

В протонной теории вода может принять протон от кислоты или передать его основанию. В первом случае она ведёт себя как основание:

HCl + H2O → H3O+ + Cl−.

В реакции с аммиаком вода, напротив, отдаёт протон и ведёт себя как кислота:

NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH−.

Это свойство называют амфипротностью. Оно не означает, что чистая вода одновременно имеет кислую и щелочную среду. В ней концентрации гидроксония и гидроксид-ионов равны:

2H2O ⇌ H3O+ + OH−.

Равновесие сильно смещено к молекулам воды. При 25 °C нейтральной воде соответствует pH около 7; при другой температуре нейтральное значение может отличаться.

Электролиз и изменения состояния

В электролизёре с затратой электрической энергии воду разлагают на водород и кислород. Для проводимости используют подходящий электролит или специальную мембранную систему, а газы получают раздельно. Суммарная запись:

2H2O → 2H2↑ + O2↑.

Кипение не является электролизом или химическим разложением. При кипении молекулы H2O переходят в газовую фазу; при электролизе образуются новые вещества H2 и O2.

Три разобранных примера

1. Сколько воды нужно оксиду кальция

В условной задаче полностью прореагировали 5,6 г CaO, примесей нет. Используем школьные Ar(Ca) = 40, Ar(O) = 16, Ar(H) = 1: M(CaO) = 56, M(H2O) = 18, M(Ca(OH)2) = 74 г/моль.

n(CaO) = 5,6/56 = 0,10 моль; m(H2O) = 0,10 · 18 = 1,8 г.

m(Ca(OH)2) = 0,10 · 74 = 7,4 г = 5,6 г + 1,8 г.

Расчёт относится к израсходованной воде, а не ко всему её возможному избытку.

2. Проверка реакции железа с паром

В уравнении 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2 слева и справа три атома Fe, четыре O и восемь H. Один моль Fe3O4 соответствует четырём молям выделившегося H2. Коэффициент 4 перед водой не меняет её формулу H2O.

3. Одна вода — разные роли

С HCl вода принимает протон и является основанием. С NH3 она отдаёт протон и является кислотой. С Ca вода служит окислителем. Эти названия относятся к разным признакам и конкретным превращениям; их не выбирают только по общей формуле H2O.

Частые ошибки

  • Объяснять кипение распадом молекулы на H и O.
  • Путать молекулу H2O с растворёнными H3O+ и OH−.
  • Считать, что все металлы выделяют водород из холодной воды.
  • Автоматически получать основание из любого оксида металла и воды.
  • Принимать нейтральный pH за неизменное число 7 при любой температуре.

Проверьте себя

  1. Чем кипение воды отличается от её электролиза?
  2. Уравняйте реакцию кальция с водой, назовите газ.
  3. Образуются ли Cu(OH)2 из CuO и H2SiO3 из SiO2 простым добавлением обычной воды?
  4. Какая роль воды в реакции с NH3 по протонной теории?
  5. При полном электролизе 3,6 г воды найдите количества H2 и O2. Используйте школьное M(H2O) = 18 г/моль.

Ответы с объяснениями

  1. При кипении меняется состояние H2O, при электролизе с затратой электрической энергии образуются другие вещества — H2 и O2.

  2. Образуются гидроксид кальция и водород:

    Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑.

  3. Нет в обычных условиях. Эти оксиды не вступают в указанные прямые реакции с водой; принадлежность к основным или кислотным оксидам не даёт универсального правила взаимодействия.

  4. Вода отдаёт протон, поэтому ведёт себя как кислота. Продукты — NH4+ и OH−, равновесие обратимо.

  5. Воды 0,20 моль. На два моля H2O образуются два моля H2 и один моль O2:

    n(H2O) = 3,6/18 = 0,20 моль; n(H2) = 0,20 моль; n(O2) = 0,10 моль.

Связанные темы

Водород, кислород, оксиды, гидролиз солей.

Источники

Химические свойства воды и её строение: Химический факультет МГУ, «Водород, кислород, вода». Физические свойства: USGS, Properties of Water. Протонные равновесия: OpenStax, Acids and Bases.