Химия · Химия элементов · 7 класс

Вода: состав и свойства

Почему при разложении воды током водорода выделяется вдвое больше, чем кислорода?

Ситуация

Каждый день мы завариваем чай, моем посуду, пьём воду — и вода кажется самым простым веществом. Но в 1800 году английские учёные Николсон и Карлайл пропустили через воду электрический ток, и она разложилась на два разных газа. Зимой озеро покрывается льдом, а рыбы на дне остаются живы; если залить негашёную известь водой, она нагревается. Из каких элементов состоит вода, почему лёд плавает и как вода вступает в реакции с другими веществами?

Тема

Вода: состав, свойства и реакции. Разложение воды током и повторный синтез: H₂ : O₂ = 2 : 1; вода с натрием, негашёной известью и оксидами

Ключевые понятия

Состав воды H₂O
Аномалия при 4 °C
Вода и оксиды

Формулы

2 H_{2} O \overset{\overset{}{эл. ток}}{\to} 2 H_{2} ↑ + O_{2} ↑

Разложение воды (электролиз): при одинаковых условиях $V (H_{2}) : V (O_{2}) = 2 : 1$ , отношение масс $1 : 8$ .

2 H_{2} + O_{2} \overset{}{\to} 2 H_{2} O

Синтез: водород горит в кислороде и снова образует воду (Г. Кавендиш, 1781).

ω (H) = \frac{2 A_{r} (H)}{M_{r} (H_{2} O)} = \frac{2}{18} \approx 11,1 %

Массовая доля водорода в воде (по школьным значениям; точное значение 11,19 %), кислорода — 88,9 %.

n (H_{2}) = \frac{I t}{2 F}, n (O_{2}) = \frac{I t}{4 F}

При электролизе на одну молекулу H₂ нужно 2 электрона, на одну молекулу O₂ — 4, поэтому водорода получается вдвое больше ( $F$ = 96 485 Кл/моль).

CaO + H_{2} O \overset{}{\to} Ca (OH)_{2}

Основный оксид + вода → основание (щёлочь); кислотный оксид + вода → кислота: $SO_{3} + H_{2} O \overset{}{\to} H_{2} SO_{4}$ .

Теория

Состав воды: разложение и синтез

Чистая вода плохо проводит ток, поэтому в воду аппарата Гофмана добавляют немного сульфата натрия. На катоде (−) молекулы воды принимают электроны, и выделяется водород: $4 H_{2} O + 4 e^{-} \overset{}{\to} 2 H_{2} ↑ + 4 OH^{-}$ ; на аноде (+) они отдают электроны, и выделяется кислород: $2 H_{2} O - 4 e^{-} \overset{}{\to} O_{2} ↑ + 4 H^{+}$ . В равных объёмах газов при одинаковых условиях содержится равное число молекул (закон Авогадро), значит, $V (H_{2}) : V (O_{2}) = 2 : 1$ показывает, что в молекуле воды 2 атома H и 1 атом O — формула $H_{2} O$ . Отношение масс 1 : 8. Обратный процесс — синтез: Г. Кавендиш в 1781 году взорвал водород и кислород в отношении 2 : 1 и получил только воду; А. Лавуазье в 1783–1784 годах доказал, что вода — сложное вещество. Если в эвдиометре пропустить искру через смесь газов в отношении 2 : 1, никакого газа не остаётся.

Физические свойства воды (практическая работа)

Чистая вода бесцветна, не имеет запаха и вкуса; при нормальном давлении (101,3 кПа) замерзает при 0 °C и кипит при 100 °C, плотность ≈ 1 г/мл. Удельная теплоёмкость очень велика — 4,18 кДж/(кг·К): моря и озёра смягчают климат, в системах отопления вода переносит теплоту. Молекула воды угловая (104,5°) и полярная: атом O частично отрицателен, атомы H — частично положительны. Поэтому молекулы образуют друг с другом водородные связи. Сероводород ( $H_{2} S$ , $M$ = 34 г/моль), похожий по строению, но почти вдвое тяжелее, кипит при −60 °C, а вода ( $M$ = 18 г/моль) — только при 100 °C благодаря водородным связям. Вода хорошо растворяет многие вещества — это важнейший растворитель.

Аномалия 4 °C и опыт Хоупа

Большинство жидкостей при охлаждении становятся плотнее. А вода наиболее плотна при 3,98 °C (999,97 кг/м³), при более низкой температуре она снова становится легче, а при замерзании её объём увеличивается примерно на 9 %: плотность льда 0,917 г/см³ — лёд плавает. Причина — водородные связи в льду выстраивают молекулы в «ажурную» шестиугольную решётку. В 1805 году шотландский химик Т. Хоуп охладил середину столба воды в длинном цилиндре смесью льда и соли: нижний термометр опустился до 4 °C и остановился, а верхний потом охладился до 0 °C, и вода замёрзла сверху. Так и в озере: у дна вода ≈ 4 °C, а лёд лежит сверху и защищает нижнюю воду от холода.

Химические свойства воды (практическая работа)

Активные металлы (Na, K, Ca) разлагают воду при комнатной температуре: образуются щёлочь и водород — $2 Na + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 NaOH + H_{2} ↑$ . Основные оксиды (CaO, Na₂O) с водой дают щёлочь: $CaO + H_{2} O \overset{}{\to} Ca (OH)_{2}$ — при гашении извести выделяется ≈ 65 кДж/моль теплоты. Кислотные оксиды (SO₃, P₂O₅, CO₂) с водой дают кислоту: $P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O \overset{}{\to} 2 H_{3} PO_{4}$ ; угольная кислота слабая и неустойчивая: $CO_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} H_{2} CO_{3}$ . Оксид меди(II), оксиды железа и песок ( $SiO_{2}$ ) с водой не реагируют. Полученный раствор проверяем индикатором: щёлочь — фенолфталеин малиновый, универсальный индикатор сине-фиолетовый; кислота — универсальный индикатор красный.

Круговорот воды в природе

Под теплом Солнца вода испаряется с поверхности морей, озёр и почвы, пар выделяют и листья растений (транспирация). Пар вверху остывает и конденсируется в мелкие капли — появляется облако. Капли укрупняются и выпадают в виде осадков (дождь, снег); в горах накапливаются в виде снега и ледников, тают и попадают в реки, часть впитывается в почву и переходит в подземные воды, и в итоге всё снова возвращается в море. Примерно 97 % воды на Земле солёная (в основном океаны), пресной всего ≈ 2,5 %, да и та в основном в ледниках и под землёй. В задачах: $n = m / M$ , $V = n \cdot V_{m}$ ( $V_{m}$ = 22,4 л/моль, н. у.), коэффициенты в уравнении реакции — отношение количеств вещества.

Безопасность и модель

Безопасность: натрий хранят под керосином, берут пинцетом, кусочек не больше горошины, работать нужно в защитных очках и за экраном; P₂O₅ и SO₃ обжигают кожу и бурно реагируют с водой — только в вытяжном шкафу. Смесь водорода и кислорода («гремучий газ») взрывоопасна — опыт проводят с малыми объёмами в толстостенном эвдиометре. Если щёлочь попала в глаза — промойте большим количеством воды. Никогда не пробуйте на вкус. Модель: газы идеальные, при 20 °C и 101,3 кПа (давление водяного пара и столба жидкости не учтено), весь ток идёт на электролиз; в аппарате Гофмана время ускорено в 30 раз, в опыте Хоупа — в 300 раз, столб одномерный, конвекция мгновенная, стенки не проводят теплоту, цвет воды — температура (условный цвет). Растворы идеальные (25 °C): настоящий pH известковой воды ≈ 12,4 (в модели 12,7); принято, что вся теплота реакции переходит в воду.

Знаете ли вы?

Воду впервые разложили электрическим током в 1800 году английские учёные Уильям Николсон и Энтони Карлайл — через несколько недель после того, как Алессандро Вольта объявил о своём «столбе» (первом химическом источнике тока).
Лёд занимает примерно на 9 % больше места, чем жидкая вода, поэтому зимой стеклянная ёмкость или водопроводная труба, заполненные водой, при замерзании могут лопнуть.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Воздух: состав и загрязнение — 7 класс
Кислород и озон — 7 класс
Водород — самый лёгкий газ — 7 класс
Полезные ископаемые — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс