Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит - и кислоту и основание одновременно (катион H + анион OH -). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония).
Вода химически довольно активное вещество. Она реагирует со многими веществами органической и неорганической химии.
1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:
2Na + 2H 2 O = H 2 + 2NaOH(бурно)
2K + 2H 2 O = H 2 + 2KOH(бурно)
3Fe + 4H 2 O = 4H 2 + Fe 3 O 4 (только при нагревании)
Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.
Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:
C + H 2 O = H 2 + CO(при сильном нагревании)
CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 (при сильном нагревании)
2) Электролиз. Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем.
3) Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:
SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4
CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3
4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой:
CaO + H 2 O = Ca(OH) 2
Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Мы уже встречались с такими оксидами. Это ZnO, TiO 2 , Cr 2 O 3 , из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней.
5) Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом . Например:
CuSO 4 +5H 2 O = CuSO 4 *5H 2 O (кристаллогидрат (медный купорос))
Приведем другие примеры образования гидратов:
H 2 SO 4 + H 2 O = H 2 SO 4 * H 2 O (гидрат серной кислоты)
NaOH + H 2 O = NaOH * H 2 O (гидрат едкого натра)
Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.
6) Фотосинтез. Особая реакция воды– синтез растениями крахмала (C 6 H 10 O 5) n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:
6n CO 2 + 5n H 2 O = (C 6 H 10 O 5) n + 6n O 2 (при действии света)
7) Реакции гидротации в орагической химии.(присоединение воды к молекулам углеводородов.) Например:
С 2 Н 4 + Н 2 О = С 2 Н 5 ОН
Прежде всего следует запомнить, что металлы делят в целом на три группы:
1) Активные металлы: к таким металлам относятся все щелочные металлы, щелочноземельные металлы, а также магний и алюминий.
2) Металлы средней активности: к таковым относят металлы, расположенные между алюминием и водородом в ряду активности.
3) Малоактивные металлы: металлы, расположенные в ряду активности правее водорода.
В первую очередь нужно запомнить, что малоактивные металлы (т.е. те, что расположены после водорода) с водой не реагируют ни при каких условиях.
Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при любых условиях (даже при обычной температуре и на холоде), при этом реакция сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла. Например:
2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2
Магний из-за того, что покрыт защитной оксидной пленкой, реагирует с водой только при кипячении. При нагревании в воде оксидная пленка, состоящая из MgO, разрушается и находящийся под ней магний начинает реагировать с водой. При этом реакция также сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла, который, однако, в случае магния нерастворим:
Mg + 2H 2 O = Mg(OH) 2 ↓ + H 2
Алюминий так же, как и магний, покрыт защитной оксидной пленкой, однако в этом случае кипячением ее разрушить нельзя. Для ее снятия требуются либо механическая чистка (каким-либо абразивом), либо ее химическое разрушение щелочью, растворами солей ртути или солей аммония:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2
Металлы средней активности реагируют с водой лишь тогда, когда она находится в состоянии перегретого водяного пара. Сам металл при этом должен быть нагрет до температуры красного каления (около 600-800 о С). В отличие от активных металлов, металлы средней активности при реакции с водой вместо гидроксидов образуют оксиды металлов. Продуктом восстановления и в этом случае является водород.
Вы уже познакомились с самым удивительным веществом на Земле - оксидом водорода, т. е. с водой Н 2 O.
Наша Родина занимает первое место в мире по запасам пресной воды - на территории России сосредоточена 1/5 её мировых ресурсов. Речной сток составляет 4270 км 3 в год, что соответствует 10% мирового речного стока, т. е. по 30 тысяч м 3 на каждого россиянина. Для сравнения укажем, что засушливые или полузасушливые регионы мира, которые составляют 40% суши, имеют только 2% мировых запасов пресной воды. За источники чистой воды в некоторых странах Азии и Африки идут настоящие войны. По прогнозам, к 2025 г. в странах, испытывающих умеренную или серьёзную нехватку воды, будут жить уже две трети населения планеты.
И хотя в России, кроме рек, сосредоточено также более 26 тысяч км 3 пресных вод в озёрах и существует 2000 водохранилищ, объём которых более 1 млн м 3 каждое, проблема загрязнения водоёмов и нехватки питьевой воды является одной из актуальных.
На примере химических свойств воды, этого важнейшего из веществ на нашей планете, повторим основные типы химических реакций по признаку «число и состав исходных веществ и продуктов реакции».
Реакция разложения.
С этой реакцией, которая протекает под действием постоянного электрического тока и называется электролизом, вы уже знакомились:
Растения разлагают воду на водород и кислород в процессе фотосинтеза. Если веточку водного растения элодеи поместить в прибор, изображённый на рисунке 112, и выставить на яркий солнечный свет, то уже через 10- 15 мин в верхней части пробирки соберётся кислород, который образовался в результате разложения воды на свету - фотолиза (фотос - свет, лизос - разложение). Как вы знаете из курса биологии, образовавшийся при этом водород с помощью многочисленных биохимических реакций образует с углекислым газом органическое вещество - глюкозу С 6 Н 12 O 6 . Совокупность всех этих процессов и называют фотосинтезом. Процесс фотосинтеза можно записать с помощью следующего обобщённого уравнения:
6СO 2 + 6Н 2 O = С 6 Н 12 O 6 + 6O 2 .
Реакции соединения.
Вы рассматривали этот тип реакций на свойстве воды соединяться с оксидами металлов и неметаллов с образованием соответственно щелочей и растворимых кислородсодержащих кислот.
Если в фарфоровую чашечку поместить несколько кусочков уже известной вам негашёной извести - оксида кальция СаО, а затем приливать к ним постепенно воду, давая ей впитываться, над чашкой появится пар. Кусочки оксида кальция начнут разогреваться и превратятся в пушистые хлопья или порошок нового вещества - гидроксида кальция, или гашёной извести (рис. 113):
Рис. 113.
Взаимодействие оксида кальция (негашёной извести) с водой
Теперь вам стало понятно, почему эту реакцию называют гашением извести.
Образуют щёлочи при взаимодействии с водой все оксиды металлов IA группы (главной подгруппы I группы) Периодической системы Д. И. Менделеева, поэтому эти элементы называют щелочными. Оксиды металлов главной подгруппы II группы (IIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева - кальция, стронция, бария (их в старину называли землями) - также образуют при взаимодействии с водой щёлочи. Поэтому эти элементы называют щёлочноземельными.
А вот оксиды неметаллов взаимодействуют с водой, образуя кислоты, в которых неметалл будет иметь ту же степень окисления, что и в соответствующем оксиде:
Теперь вам, очевидно, стало понятно, почему основания и кислородсодержащие кислоты называют в химии одним словом «гидроксиды».
Вам следует запомнить несложное правило: вода реагирует с оксидами металлов и оксидами неметаллов в том случае, если образуется растворимый гидроксид (щёлочь или кислородсодержащая кислота):
Реакции замещения.
Щелочные и щёлочноземельные металлы с водой могут образовывать щёлочи не только с помощью своих оксидов, но и при непосредственном взаимодействии. Только это будут уже реакции другого типа - реакции замещения, например:
2Na + 2Н 2 О = 2NaOH + Н 2 ,
Са + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + Н 2 .
Нальём в чашку Петри, находящуюся на столике кодоскопа, немного воды и добавим к ней несколько капель фенолфталеина. Затем поместим в сосуд кусочек очищенного натрия величиной со спичечную головку. На экране будет проецироваться происходящая при этом химическая реакция (рис. 114): кусочек натрия превращается в круглый шарик (плавится, так как реакция экзотермическая), бегает по поверхности воды (натрий легче воды и подталкивается образующимся в результате взаимодействия газообразным водородом), оставляя за собой малиновый след (это изменяет окраску фенолфталеина получившаяся в результате реакции щёлочь - гидроксид натрия).
Рис. 114. Взаимодействие натрия с водой
Реакции обмена.
Если вы обратите внимание на уже знакомую вам таблицу растворимости гидроксидов и солей в воде, то, очевидно, заметите, что в некоторых клетках этой таблицы стоят прочерки, которые обозначают, что данное вещество в водной среде разлагается, или, как говорят, гидролизуется (гидро - вода, лизос - разложение).
Гидролиз может быть обратимым (с ним вы будете знакомиться при изучении химии в старших классах) и необратимым. Например, необратимо гидролизуется сульфид алюминия:
Если в пробирку прилить на 1/3 её объёма дистиллированной воды, а затем поместить в неё кусочек карбида кальция СаС 2 величиной с горошину, то можно заметить выделение газа - ацетилена С 2 Н 2 , а если затем в пробирку прилить раствор фенолфталеина, то появление малиновой окраски укажет на образование щёлочи - гидроксида кальция:
Гидролиз органических веществ - жиров, белков и углеводов, протекающий в живых организмах, - это основа их жизнедеятельности.
Следовательно, вода - не только самое важное вещество на Земле, но это и многоликое соединение, обладающее разнообразными химическими свойствами.
Ключевые слова и словосочетания
- Электролиз.
- Фотолиз.
- Фотосинтез.
- Щелочные и щёлочноземельные металлы.
- Гидроксиды (основания и кислородсодержащие кислоты).
- Условие взаимодействия оксидов металлов и неметаллов с водой.
- Гидролиз.
Работа с компьютером
- Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
- Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.
Вопросы и задания
Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность растворять вещества разной химической природы.
Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: капля камень точит.
Лишь в незначительной степени протекает электролитическая диссоциация (автодиссоциация воды) по схеме:
Н 2 О Н + + ОН -
Однако, приведённое уравнение условное: не может существовать в водной среде лишённый электронной оболочки протон Н + . Он сразу гидратируется водой до катионов оксония Н 3 О + . Однако для простоты записи обычно используется обозначение Н + .
По Бренстенду такая реакция называется автопротолизом воды:
Н 2 О + Н 2 О Н 3 О + + ОН -
Электролитическая диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышении температуры.
Образование воды из элементов по реакции:
Н 2 + 1/2 О 2 Н 2 О -242 кДж/моль для пара
286 кДж/моль для жидкой воды
При низких температурах в отсутствии катализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 550 0 С она происходит со взрывом. При понижении давления и повышении температуры равновесие сдвигается влево.
Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н + и ОН - .
Вода окисляется атомарным кислородом:
Н 2 О + О Н 2 О 2
При взаимодействии с F 2 образуется НF, а также О 2 ;О 3 ; Н 2 О 2 ; F 2 О и другие соединения. С остальными галогенами при низких температурах вода реагирует с образованием смеси кислот Н Гал. и Н Гал. О.
При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворённого в ней СI 2 и значительно меньшие количества Br 2 и J 2 . При повышенных температурах СI 2 и Br 2 разлагают воду с образованием Н Гал. и О 2 .
При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ:
Н 2 О + С СО + Н 2
При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН 4 и другими углеводородами, например:
Н 2 О + СО СО 2 + Н 2
Н 2 О + СН 4 СО + 3Н 2
Эти реакции используют для промышленного получения водорода.
Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:
6Н 2 О + 3Р 2НРО 3 + 5Н 2
Вода взаимодействует со многими металлами с образованием Н 2 и соответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами (кроме Мg) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду при повышенной температуре, например, Мg и Zn – выше 100 0 С; Fe – выше 600 0 С:
2Fe + 3H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2
При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания.
Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI 2 только в присутствии следов воды.
Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH 3 .
Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО 2 , CI 2 , (CH 2) 2 O , CHCI 3 и многими другими веществами газовые гидраты.
ЗАПОМНИТЕ!!!
Щелочные металлы – это I группа, А - главная подгруппа – Li , Na , K , Rb , Cs , Fr
Щелочно-земельные металлы – это II группа, А – главная подгруппа (Be , Mg не относятся) – Ca , Sr , Ba , Ra
n I
Основания Ме(ОН) n
ОН – гидроксильная группа, с валентностью (I )
Щёлочи – это растворимые в воде основания (см. ТАБЛИЦУ РАСТВОРИМОСТИ)
I n
Кислоты – это сложные вещества с общей формулой Н n (КО)
(КО) – кислотный остаток
V - VII
Кислотный оксид – неМе х О у иМе х О у
I, II
Основные оксиды – Ме х О у
I. Взаимодействие воды с металлами.
В зависимости от активности металла, реакция протекает при различных условиях и образуются разные продукты.
1). Взаимодействие с самыми активными металлами , стоящими в периодической системе в I А иI I А группах (щелочные и щелочно-земельные металлы) и алюминий . В ряду активности эти металлы расположены до алюминия (включительно)
Реакция протекает при обычных условиях, при этом образуется щелочь и водород.
I I
2Li + 2 H 2 O =2 Li OH + H 2
HOH гидроксид
лития
I II
Ba + 2 H 2 O= Ba (OH) 2 + H 2
2 Al + 6 H 2 O = 2Al (OH) 3 + 3 H 2
гидроксид
алюминия
ОН – гидроксогруппа, она всегда одновалентна
ВЫВОД – активные металлы - Li , Na , K , Rb , Cs , Fr , Ca , Sr , Ba , Ra + Al – реагируют так
|
Me + H 2 O =Me(OH) n + H 2 ( р . замещения ) Основание |
2) Взаимодействие с менее активными металлами , которые расположены в ряду активности от алюминия до водорода.
Реакция протекает только с парообразной водой, т.е. при нагревании.
При этом образуются: оксид этого металла и водород.
I II I
Fe + H 2 O = FeO + H 2 (протекает реакция замещения)
оксид
железа
Ni + H 2 O = NiO + H 2
(Валентность металла можно легко определить по ряду активности металлов, над их символом стоит значение, например +2, это означает, что валентность этого металла равна 2) .
ВЫВОД – металлы средней активности, стоящие в ряду активности до (Н 2) – Be , Mg , Fe , Pb , Cr , Ni , Mn , Zn – реагируют так
3) Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с водой.
Cu + H 2 O = нет реакции
I I.Взаимодействие с оксидами (основными и кислотными)
С водой взаимодействуют только такие оксиды, которые при взаимодействии с водой дают растворимый в воде продукт(кислоту или щелочь).
1). Взаимодействие с основными оксидами.
С водой взаимодействуют только основные оксиды активных металлов, которые расположены в в I А иI I А группах, кроме Ве и Mg (оксид алюминия не реагирует, т.к. он амфотерный). Реакция протекает при обычных условиях, при этом образуется только щелочь.
I II
Na 2 O + H 2 O = 2 NaOHBaO + H 2 O =Ba (OH) 2 (протекает реакция соединения)
2) Взаимодействие кислотных оксидов с водой.
Кислотные оксиды реагируют с водой все. Исключение составляет только SiO 2 .
При этом образуются кислоты. Во всех кислотах на первом месте расположен водород, поэтому уравнение реакции записывают так:
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 P 2 O 5 + H 2 O=2 HPO 3
SO 3 холодная
+H 2 O P 2 O 5
H 2 SO 4+ H 2 O
H 2 P 2 O 6
P 2 O 5 +3 H 2 O=2 H 3 PO 4
Горячая
P 2 O 5
+ H 6 O 3
H 6 P 2 O 8
Обратите внимание , что в зависимости от температуры воды при взаимодействии с Р 2 О 5 образуются разные продукты.
IV Взаимодействие воды c неметаллами
Примеры: Cl 2 +H 2 O =HCl +HClO
C +H 2 O =CO +H 2
угольугарный газ
Si +2H 2 O =SiO 2 +2H 2 .
