Apa este cel mai comun solvent de pe planeta Pământ, determinând în mare măsură natura chimiei terestre ca știință. Cea mai mare parte a chimiei, la începuturile sale ca știință, a început tocmai ca chimia soluțiilor apoase de substanțe. Uneori este considerat un amfolit - atât un acid, cât și o bază în același timp (cation H + anion OH -). În absența substanțelor străine în apă, concentrația ionilor de hidroxid și a ionilor de hidrogen (sau ionii de hidroniu) este aceeași.
Apa este o substanță destul de activă din punct de vedere chimic. Reacționează cu multe substanțe din chimia organică și anorganică.
1) Apa reacționează cu multe metale pentru a elibera hidrogen:
2Na + 2H 2 O = H 2 + 2NaOH (bulos)
2K + 2H 2 O = H 2 + 2KOH (bulos)
3Fe + 4H 2 O = 4H 2 + Fe 3 O 4 (numai când este încălzit)
Nu toate, dar numai metalele suficient de active pot participa la reacțiile redox de acest tip. Metalele alcaline și alcalino-pământoase din grupele I și II reacționează cel mai ușor.
Din nemetale De exemplu, carbonul și compusul său de hidrogen (metanul) reacționează cu apa. Aceste substanțe sunt mult mai puțin active decât metalele, dar sunt încă capabile să reacționeze cu apa la temperaturi ridicate:
C + H 2 O = H 2 + CO (la căldură mare)
CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 (cu căldură mare)
2) Electroliza. Apa se descompune în hidrogen și oxigen atunci când este expusă curent electric. Aceasta este, de asemenea, o reacție redox, în care apa este atât un agent oxidant, cât și un agent reducător.
3) Apa reacționează cu mulți oxizi nemetalici. Spre deosebire de cele anterioare, aceste reacții nu sunt redox, ci reacții de cuplare:
SO2 + H2O = H2SO3
SO3 + H2O = H2SO4
CO2 + H2O = H2CO3
4) Unii oxizi de metal pot reacționa și cu apa:
CaO + H2O = Ca(OH)2
Nu toți oxizii metalici sunt capabili să reacționeze cu apa. Unele dintre ele sunt practic insolubile în apă și, prin urmare, nu reacţionează cu apa. Am întâlnit deja astfel de oxizi. Acestea sunt ZnO, TiO 2, Cr 2 O 3, din care, de exemplu, se prepară vopsele rezistente la apă. Oxizii de fier sunt, de asemenea, insolubili în apă și nu reacţionează cu aceasta.
5) Apa formează numeroși compuși în care molecula ei este complet conservată. Aceștia sunt așa-numiții hidrați. Dacă hidratul este cristalin, atunci se numește hidrat cristalin. De exemplu:
CuSO4 +5H2O = CuSO4*5H2O (hidrat cristalin (sulfat de cupru))
Iată și alte exemple de formare a hidratului:
H 2 SO 4 + H 2 O = H 2 SO 4 * H 2 O (hidrat de acid sulfuric)
NaOH + H 2 O = NaOH * H 2 O (hidrat de sodă caustică)
Compușii care leagă apa în hidrați și hidrați cristalini sunt utilizați ca desicanți. Cu ajutorul lor, de exemplu, vaporii de apă sunt îndepărtați din aerul atmosferic umed.
6) Fotosinteza. O reacție specială a apei este sinteza amidonului de către plante (C 6 H 10 O 5) n și alți compuși similari (carbohidrați), care apar odată cu eliberarea de oxigen:
6n CO 2 + 5n H 2 O = (C 6 H 10 O 5) n + 6n O 2 (sub lumină)
7) Reacții de hidratare în chimia oragică (adăugarea de apă la moleculele de hidrocarburi.) De exemplu:
C2H4 + H20 = C2H5OH
În primul rând, amintiți-vă că metalele sunt în general împărțite în trei grupuri:
1) Metale reactive: Aceste metale includ toate metalele alcaline, metalele alcalino-pământoase, precum și magneziul și aluminiul.
2) Metale cu activitate intermediară: acestea includ metalele situate între aluminiu și hidrogen în seria de activități.
3) Metale slab active: metale situate în seria de activitate în dreapta hidrogenului.
În primul rând, trebuie să rețineți că metalele slab active (adică cele situate după hidrogen) nu reacționează cu apa în nicio condiție.
Metalele alcaline și alcalino-pământoase reacționează cu apa în orice condiții (chiar și la temperaturi obișnuite și la rece), iar reacția este însoțită de eliberarea de hidrogen și formarea de hidroxid de metal. De exemplu:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
Magneziul, datorită faptului că este acoperit cu o peliculă de oxid protector, reacționează cu apa doar când este fiert. Când este încălzit în apă, filmul de oxid format din MgO este distrus și magneziul de dedesubt începe să reacționeze cu apa. În acest caz, reacția este însoțită și de eliberarea de hidrogen și formarea de hidroxid de metal, care, totuși, în cazul magneziului este insolubil:
Mg + 2H20 = Mg(OH)2↓ + H2
Aluminiul, ca și magneziul, este acoperit cu o peliculă de oxid de protecție, dar în acest caz nu poate fi distrus prin fierbere. Pentru a-l îndepărta, este necesară fie curățarea mecanică (cu un fel de abraziv), fie distrugerea sa chimică cu alcaline, soluții de săruri de mercur sau săruri de amoniu:
2Al + 6H20 = 2Al(OH)3 + 3H2
Metalele cu activitate medie reacţionează cu apa numai atunci când aceasta este în stare de vapori de apă supraîncălziţi. Metalul în sine trebuie încălzit la o temperatură roșie (aproximativ 600-800 o C). Spre deosebire de metalele active, metalele cu activitate intermediară reacţionează cu apa pentru a forma oxizi metalici în loc de hidroxizi. Produsul de reducere în acest caz este hidrogenul.
Ați făcut deja cunoștință cu cea mai uimitoare substanță de pe Pământ - oxidul de hidrogen, adică apa H2O.
Patria noastră se află pe primul loc în lume în ceea ce privește rezervele de apă dulce - 1/5 din resursele sale mondiale sunt concentrate în Rusia. Debitul râului este de 4270 km 3 pe an, ceea ce corespunde la 10% din debitul fluviului mondial, adică 30 mii m 3 pentru fiecare cetățean rus. Spre comparație, regiunile aride sau semiaride ale lumii, care alcătuiesc 40% din masa pământului mondial, au doar 2% din apa dulce a lumii. Pentru surse apă curată Există războaie reale în unele țări din Asia și Africa. Se estimează că până în 2025, două treimi din populația lumii va trăi în țări care se confruntă cu stres moderat sau sever de apă.
Și deși în Rusia, pe lângă râuri, mai mult de 26 de mii de km 3 de apă dulce sunt concentrate și în lacuri și există 2000 de rezervoare, al căror volum este de peste 1 milion de m 3 fiecare, problema poluării rezervoarelor și deficit apă potabilă este una dintre cele mai relevante.
Folosind exemplul proprietăți chimice apa, cea mai importantă substanță de pe planeta noastră, vom repeta principalele tipuri de reacții chimice pe baza „numărului și compoziției substanțelor inițiale și a produselor de reacție”.
Reacția de descompunere.
Te-ai familiarizat deja cu această reacție, care are loc sub influența curentului electric direct și se numește electroliză:
Plantele descompun apa în hidrogen și oxigen prin procesul de fotosinteză. Dacă o ramură a unei plante acvatice Elodea este plasată în dispozitivul prezentat în Figura 112 și expusă la lumina puternică a soarelui, atunci în 10-15 minute oxigenul se va acumula în partea superioară a eprubetei, care s-a format ca urmare a descompunerii. a apei în lumină - fotoliză (fotografii - lumină, lysos - descompunere). După cum știți de la cursul de biologie, hidrogenul format în acest caz, cu ajutorul a numeroase reacții biochimice, formează o substanță organică cu dioxid de carbon - glucoză C 6 H 12 O 6. Combinația tuturor acestor procese se numește fotosinteză. Procesul de fotosinteză poate fi scris folosind următoarea ecuație generalizată:
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2.
Reacții compuse.
Ați considerat acest tip de reacție pe proprietatea apei de a se combina cu oxizi de metale și nemetale pentru a forma alcali și, respectiv, acizi solubili care conțin oxigen.
Dacă puneți mai multe bucăți de var nestins - oxid de calciu CaO - într-o cană de porțelan, apoi adăugați treptat apă la ele, permițând să fie absorbit, deasupra canei vor apărea aburi. Bucățile de oxid de calciu vor începe să se încălzească și se vor transforma în fulgi pufosi sau pulbere dintr-o substanță nouă - hidroxid de calciu sau var stins (Fig. 113):
Orez. 113.
Interacțiunea oxidului de calciu (var nestins) cu apa
Acum înțelegeți de ce această reacție se numește stingerea varului.
Toți oxizii metalici din grupa IA (subgrupul principal al grupului I) din Tabelul periodic al lui Mendeleev formează alcalii atunci când interacționează cu apa, motiv pentru care aceste elemente sunt numite alcaline. Oxizii de metal din subgrupul principal al grupului II (grupul IIA) din tabelul periodic al lui D.I Mendeleev - calciu, stronțiu, bariu (în vremuri erau numite pământuri) - formează, de asemenea, alcalii atunci când interacționează cu apa. Prin urmare, aceste elemente sunt numite elemente alcalino-pământoase.
Dar oxizii nemetalici interacționează cu apa, formând acizi în care nemetalul va avea aceeași stare de oxidare ca și în oxidul corespunzător:
Acum, evident, ți-a devenit clar de ce bazele și acizii care conțin oxigen sunt numiți „hidroxizi” în chimie.
Ar trebui să-ți amintești regula simpla: Apa reacționează cu oxizii metalici și oxizii nemetalici atunci când se formează un hidroxid solubil (alcalin sau acid care conține oxigen):
Reacții de substituție.
Metalele alcaline și alcalino-pământoase cu apa pot forma alcali nu numai cu ajutorul oxizilor lor, ci și prin interacțiune directă. Numai acestea vor fi reacții de alt tip - reacții de substituție, de exemplu:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2,
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2.
Să turnăm puțină apă în vasul Petri situat pe masa retroproiectorului și să adăugăm câteva picături de fenolftaleină. Apoi puneți în vas o bucată de sodiu purificat de mărimea unui cap de chibrit. Reacția chimică care are loc va fi proiectată pe ecran (Fig. 114): o bucată de sodiu se transformă într-o bilă rotundă (se topește, deoarece reacția este exotermă), se desfășoară de-a lungul suprafeței apei (sodiul este mai ușor decât apa și este împins de hidrogenul gazos format în urma interacțiunii), lăsând în urmă o urmă de zmeură (aceasta schimbă culoarea fenolftaleinei; alcaliul rezultat în urma reacției este hidroxidul de sodiu).
Orez. 114. Reacția sodiului cu apa
Reacții de schimb.
Dacă acordați atenție tabelului deja familiar al solubilității hidroxizilor și sărurilor în apă, veți observa în mod evident că în unele celule din acest tabel există liniuțe, care indică faptul că această substanță se descompune într-un mediu apos sau, după cum se spune, hidrolizează (hidrolizează - apă, lisos - descompunere).
Hidroliza poate fi reversibilă (veți afla despre ea la chimie de liceu) sau ireversibilă. De exemplu, sulfura de aluminiu este hidrolizată ireversibil:
Dacă se toarnă apă distilată într-o eprubetă la 1/3 din volumul acesteia și apoi se pune în ea o bucată de carbură de calciu CaC 2 de mărimea unui bob de mazăre, atunci puteți observa eliberarea de gaz - acetilenă C 2 H 2 și dacă apoi turnați o soluție de fenolftaleină în eprubetă, atunci apariția unei culori purpurie indică formarea de alcali - hidroxid de calciu:
Hidroliza substanțelor organice - grăsimi, proteine și carbohidrați, care are loc în organismele vii - este baza vieții lor.
În consecință, apa nu este doar cea mai importantă substanță de pe Pământ, ci este și un compus cu mai multe fațete, cu proprietăți chimice diverse.
Cuvinte și expresii cheie
- Electroliză.
- Fotoliză.
- Fotosinteză.
- Metale alcaline și alcalino-pământoase.
- Hidroxizi (baze și acizi care conțin oxigen).
- Condiții de interacțiune a oxizilor metalici și nemetalici cu apa.
- Hidroliză.
Lucrul cu un computer
- Consultați aplicația electronică. Studiați materialul lecției și finalizați sarcinile atribuite.
- Găsiți adrese de e-mail pe Internet care pot servi drept surse suplimentare care dezvăluie conținutul cuvintelor cheie și al expresiilor din paragraf. Oferiți-vă ajutorul profesorului în pregătirea unei noi lecții - faceți un raport asupra cuvintelor și frazelor cheie din următorul paragraf.
Întrebări și sarcini
Printre proprietățile chimice ale apei, capacitatea moleculelor sale de a se disocia (de descompunere) în ioni și capacitatea de a dizolva substanțe de natură chimică diferită sunt deosebit de importante.
Rolul apei ca solvent principal și universal este determinat în primul rând de polaritatea moleculelor sale și, în consecință, de constanta sa dielectrică extrem de ridicată. Sarcinile electrice opuse, și în special ionii, sunt atrași unul de celălalt în apă de 80 de ori mai slab decât ar fi atrași în aer. Forțele de atracție reciprocă dintre moleculele sau atomii unui corp scufundat în apă sunt, de asemenea, mai slabe decât în aer. În acest caz, este mai ușor ca mișcarea termică să spargă moleculele. Acesta este motivul pentru care are loc dizolvarea, inclusiv a multor substanțe puțin solubile: o picătură uzează o piatră.
Disocierea electrolitică (autodisociarea apei) are loc doar într-o mică măsură conform următoarei scheme:
H2O H + + OH -
Cu toate acestea, ecuația de mai sus este condiționată: protonul H +, lipsit de înveliș de electroni, nu poate exista într-un mediu apos. Este imediat hidratat de apă până la cationii de oxoniu H 3 O +. Cu toate acestea, pentru ușurința notării, se folosește de obicei notația H+.
Potrivit lui Brønstend, această reacție se numește autoprotoliza apei:
H2O + H2O H3O + + OH -
Disocierea electrolitică a apei este cauza hidrolizei sărurilor acizilor și bazelor slabe. Gradul de disociere electrolitică crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii.
Formarea apei din elemente în funcție de reacție:
H2 + 1/2 O2H2O -242 kJ/mol pentru abur
286 kJ/mol pentru apă lichidă
La temperaturi scăzute în absența catalizatorilor se produce extrem de lent, dar viteza de reacție crește brusc odată cu creșterea temperaturii, iar la 550 0 C are loc exploziv. Pe măsură ce presiunea scade și temperatura crește, echilibrul se deplasează spre stânga.
Sub influența radiațiilor ultraviolete, apa se fotodisociează în ioni H + și OH -.
Apa este oxidată de oxigenul atomic:
H2O + OH2O2
Când interacționează cu F2, se formează HF, precum și O2; H202; F 2 O și alți compuși. Apa reacționează cu alți halogeni la temperaturi scăzute pentru a forma un amestec de acizi H Gal. şi N Gal. DESPRE.
În condiții normale, până la jumătate din CI2 s-a dizolvat în acesta și cantități semnificativ mai mici de Br2 și J2 interacționează cu apa. La temperaturi ridicate CI2 şi Br2 descompun apa pentru a forma H Gal. și O2.
Când vaporii de apă sunt trecuți prin cărbunele fierbinte, se descompune și se formează așa-numitul gaz de apă:
H2O + CCO + H2
La temperaturi ridicate în prezența unui catalizator, apa reacționează cu CO; CH 4 și alte hidrocarburi, de exemplu:
H2O + CO CO2 + H2
H2O + CH4CO + 3H2
Aceste reacții sunt utilizate pentru producerea industrială a hidrogenului.
Fosforul, atunci când este încălzit cu apă sub presiune în prezența unui catalizator, este oxidat în acid metafosforic:
6H2O + 3P 2HRO3 + 5H2
Apa reacționează cu multe metale pentru a forma H2 și hidroxidul corespunzător. Cu metale alcaline și alcalino-pământoase (cu excepția Mg), această reacție are loc deja la temperatura camerei. Metalele mai puțin active descompun apa la temperaturi ridicate, de exemplu, Mg și Zn - peste 100 0 C; Fe – peste 600 0 C:
2Fe + 3H2O Fe2O3 + 3H2
Când mulți oxizi reacţionează cu apa, formează acizi sau baze.
Apa poate servi ca catalizator, de exemplu, metalele alcaline și hidrogenul reacționează cu CI2 numai în prezența urmelor de apă.
Uneori, apa este o otravă catalitică, de exemplu, pentru un catalizator de fier în sinteza NH3.
Capacitatea moleculelor de apă de a forma rețele tridimensionale de legături de hidrogen îi permite să formeze hidrați de gaz cu gaze inerte, hidrocarburi, CO 2, CI 2, (CH 2) 2 O, CHCI 3 și multe alte substanțe.
ȚINE minte!!!
Metale alcaline – acesta este grupul I, A este subgrupul principal – Li, N / A, K, Rb, Cs, pr
Metale alcalino-pământoase – acesta este grupul II, A – subgrupul principal (Be, Mg nu aparțin) – Ca, Sr Ba, Ra
n eu
Motive Eu (OH) n
OH – grupare hidroxil, cu valență (I)
Alcaline – acestea sunt baze solubile în apă (vezi TABELUL DE SOLUBILITATE)
eu n
Acizi - sunt substante complexe cu formula generala N n (KO)
(KO) – reziduu acid
V - VII
Oxid acid – neMe x O yŞi Blana x O y
I, II
Oxizii bazici – Blana x O y
eu. Interacțiunea apei cu metalele.
În funcție de activitatea metalului, reacția are loc la conditii diferiteși se formează diferite produse.
1). Interacțiunea cu cele mai active metale , stând în tabelul periodic la Grupele I A și I I A (metale alcaline și alcalino-pământoase) și aluminiu . În seria de activități, aceste metale sunt situate până la aluminiu (inclusiv)
Reacția se desfășoară în condiții normale, producând alcali și hidrogen.
eu eu
2Li + 2 H2O = 2 Li OH + H2
hidroxid de HOH
litiu
I II
Ba + 2H2O= Ba (OH)2 + H2
2Al + 6H2O = 2Al (OH)3 + 3H2
hidroxid
aluminiu
OH este o grupare hidroxo, este întotdeauna monovalentă
CONCLUZIE - metale active - Li, N / A, K, Rb, Cs, fr, Ca, Sr Ba, Ra+ Al - reacționează așa
|
Me + H20 = Me(OH)n + H2( r. substituţie) Baza |
2) Interacțiunea cu metale mai puțin active, care se află în seria de activitate de la aluminiu la hidrogen.
Reacția are loc numai cu apă cu abur, adică. când este încălzită.
În acest caz, se formează: oxidul acestui metal și hidrogenul.
I II I
Fe + H2O = FeO + H2 (apare reacția de substituție)
oxid
glandă
Ni + H20 = NiO + H2
(Valența unui metal poate fi determinată cu ușurință de seria de activitate a metalelor; deasupra simbolului lor există o valoare, de exemplu +2, aceasta înseamnă că valența acestui metal este 2).
CONCLUZIE – metale cu activitate medie, situate în seria de activitate până la (H 2) – Fi, Mg, Fe, Pb, Cr, nu, Mn, Zn - reacționează astfel
3) Metalele din seria de activitate după hidrogen nu reacţionează cu apa.
Cu + H2O = nicio reacție
eu eu. Interacțiunea cu oxizii (bazici și acizi)
Doar acei oxizi care reacţionează cu apa reacţionează cu apa pentru a produce un produs solubil în apă (acid sau alcalin).
1). Interacțiunea cu oxizii bazici.
Doar principalii oxizi ai metalelor active, care se află în grupele I A și I I A, interacționează cu apa, cu excepția Be și Mg (oxidul de aluminiu nu reacționează, deoarece este amfoter). Reacția se desfășoară în condiții normale și se formează doar un alcalin.
I II
Na 2 O + H 2 O = 2 NaOHBaO + H 2 O = Ba (OH) 2 (are loc o reacție compusă)
2) Interacțiunea oxizilor acizi cu apa.
Toți oxizii acizi reacționează cu apa. Singura excepție este SiO2.
Aceasta produce acizi. În toți acizii, hidrogenul este primul, deci ecuația reacției este scrisă după cum urmează:
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 P 2 O 5 + H 2 O = 2 HPO 3
SO 3 rece
+H2O P2O5
H2SO4 + H2O
H2P2O6
P2O5+3H2O=2H3PO4
fierbinte
P2O5
+ H 6 O 3
H6P2O8
Vă rugăm să rețineți că, în funcție de temperatura apei, la interacțiunea cu P 2 O 5 se formează diferiți produse.
IVInteracțiunea apei cnemetale
Exemple: CI2 +H20 =HCI +HCIO
C +H20 =CO +H2
dioxid de carbon
Si +2H20 =Si02+2H2.
