Строение молекулы воды

Молекула $\mathrm{H_2O}$ состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, $M_r = 18$ . Массовое отношение элементов $m(\mathrm{H}) : m(\mathrm{O}) = 2 : 16 = 1 : 8$ .

Атом кислорода находится в состоянии sp³-гибридизации: две гибридные орбитали образуют ковалентные полярные связи с водородом, на двух других находятся неподелённые электронные пары. Поэтому молекула имеет угловое строение, угол $\mathrm{H{-}O{-}H}$ около 104,5°.

Кислород намного электроотрицательнее водорода, связи полярны, а так как они расположены несимметрично, молекула полярна (является диполем). Атом водорода одной молекулы притягивается к атому кислорода соседней, и между молекулами возникает водородная связь. Именно ею объясняются многие необычные свойства воды.

Физические свойства

Чистая вода — бесцветная жидкость без запаха и вкуса.
При нормальном атмосферном давлении вода замерзает при 0 °C и кипит при 100 °C. Сероводород $\mathrm{H_2S}$ , аналог воды, при обычных условиях газ, хотя его молярная масса больше: разницу создают водородные связи.
Наибольшую плотность (1 г/см³) вода имеет при +4 °C. Лёд легче воды, поэтому он плавает, и водоёмы не промерзают до дна.
Удельная теплоёмкость воды очень велика: вода медленно нагревается и медленно остывает, смягчая климат.
Вода — хороший растворитель для полярных и ионных веществ. Чистая вода — очень слабый электролит ( $\mathrm{H_2O \rightleftarrows H^+ + OH^-}$ ) и почти не проводит электрический ток.

Реакции с металлами и неметаллами

Металлы реагируют с водой по-разному в зависимости от активности:

Щелочные и щёлочноземельные металлы ( $\mathrm{Li}$ , $\mathrm{Na}$ , $\mathrm{K}$ , $\mathrm{Ca}$ , $\mathrm{Ba}$ ) уже при комнатной температуре образуют гидроксид и водород: $\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}$ , $\mathrm{Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow}$ .
Магний медленно реагирует с горячей водой: $\mathrm{Mg + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2 + H_2\uparrow}$ .
Металлы средней активности ( $\mathrm{Zn}$ , $\mathrm{Fe}$ ) реагируют только с водяным паром при высокой температуре и образуют оксид: $\mathrm{3Fe + 4H_2O \rightarrow Fe_3O_4 + 4H_2}$ (t).
Металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода ( $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{Ag}$ , $\mathrm{Au}$ ), с водой не реагируют.

Во всех этих реакциях вода — окислитель: водород восстанавливается от +1 до 0.

Из неметаллов раскалённый уголь с водяным паром даёт водяной газ: $\mathrm{C + H_2O \rightarrow CO + H_2}$ (t). Хлор обратимо реагирует с водой: $\mathrm{Cl_2 + H_2O \rightleftarrows HCl + HClO}$ . Фтор разлагает воду: $\mathrm{2F_2 + 2H_2O \rightarrow 4HF + O_2}$ . В этой реакции вода — восстановитель: кислород окисляется от −2 до 0.

Реакции с оксидами и другими веществами

Из основных оксидов с водой соединяются только оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов, образуя щёлочи: $\mathrm{Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH}$ , $\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}$ (гашение извести). $\mathrm{CuO}$ , $\mathrm{FeO}$ , $\mathrm{Fe_2O_3}$ с водой не реагируют.
Кислотные оксиды с водой дают кислоты: $\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}$ , $\mathrm{P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4}$ , $\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3}$ . Оксид кремния $\mathrm{SiO_2}$ с водой не реагирует.
Гидриды и карбиды активных металлов разлагаются водой: $\mathrm{CaH_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + 2H_2\uparrow}$ , $\mathrm{CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2\uparrow}$ .
Многие соли включают воду в свои кристаллы, образуя кристаллогидраты. Белый безводный $\mathrm{CuSO_4}$ с водой превращается в синий медный купорос $\mathrm{CuSO_4\cdot 5H_2O}$ ; по этой реакции обнаруживают воду.
При электролизе вода разлагается: $\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ . Объёмы водорода и кислорода относятся как 2 : 1.
Вода участвует также в гидролизе солей и в гидратации алкенов.

Запомните

Молекула воды угловая (≈104,5°), кислород в sp³-гибридизации, молекула полярна; между молекулами есть водородные связи.
Наибольшая плотность воды при +4 °C (1 г/см³); лёд легче воды.
Активный металл + вода → гидроксид + $\mathrm{H_2}$ ; $\mathrm{Zn}$ , $\mathrm{Fe}$ + водяной пар (t) → оксид + $\mathrm{H_2}$ ; $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{Ag}$ , $\mathrm{Au}$ с водой не реагируют.
С водой реагируют оксиды активных металлов (дают щёлочи) и кислотные оксиды (дают кислоты); $\mathrm{SiO_2}$ — исключение.
В реакциях с металлами вода — окислитель, в реакции со фтором — восстановитель.

Разобранные примеры

Пример 1
4,6 г натрия внесли в 95,6 г воды. Вычислите массовую долю гидроксида натрия в полученном растворе.
Решение
1. Уравнение реакции: $\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}$ .
2. $n(\mathrm{Na}) = \frac{4{,}6}{23} = 0{,}2$ моль. По уравнению $n(\mathrm{NaOH}) = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{H_2}) = 0{,}1$ моль.
3. $m(\mathrm{NaOH}) = 0{,}2 \cdot 40 = 8$ г, $m(\mathrm{H_2}) = 0{,}1 \cdot 2 = 0{,}2$ г.
4. Водород уходит из раствора, поэтому масса раствора: $4{,}6 + 95{,}6 - 0{,}2 = 100$ г.
5. $\omega(\mathrm{NaOH}) = \frac{8}{100} \cdot 100\% = 8\%$ .
Ответ: 8%.
Пример 2
Сколько граммов кристаллизационной воды содержится в 50 г медного купороса $\mathrm{CuSO_4\cdot 5H_2O}$ ? Какова масса безводной соли?
Решение
1. $M(\mathrm{CuSO_4\cdot 5H_2O}) = 160 + 5 \cdot 18 = 250$ г/моль.
2. $n = \frac{50}{250} = 0{,}2$ моль.
3. В каждом моле кристаллогидрата 5 моль воды: $n(\mathrm{H_2O}) = 0{,}2 \cdot 5 = 1$ моль, $m(\mathrm{H_2O}) = 18$ г.
4. $m(\mathrm{CuSO_4}) = 50 - 18 = 32$ г. Проверка: $0{,}2 \cdot 160 = 32$ г.
Ответ: 18 г воды и 32 г безводного $\mathrm{CuSO_4}$ .

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какой оксид реагирует с водой при комнатной температуре?
1. $\mathrm{CuO}$
2. $\mathrm{SiO_2}$
3. $\mathrm{Fe_2O_3}$
4. $\mathrm{SO_3}$
5. $\mathrm{Al_2O_3}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D $\mathrm{SO_3}$
$\mathrm{SO_3}$ — кислотный оксид, с водой он образует серную кислоту: $\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}$ . $\mathrm{CuO}$ , $\mathrm{Fe_2O_3}$ и $\mathrm{Al_2O_3}$ в воде не растворяются и с ней не реагируют. Хотя $\mathrm{SiO_2}$ — кислотный оксид, с водой он не реагирует.
Сколько литров кислорода (н. у.) выделится при электролизе 9 г воды?
1. 2,8 л
2. 5,6 л
3. 11,2 л
4. 16,8 л
5. 22,4 л
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B 5,6 л
$\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ . $n(\mathrm{H_2O}) = \frac{9}{18} = 0{,}5$ моль, $n(\mathrm{O_2}) = 0{,}25$ моль, $V = 0{,}25 \cdot 22{,}4 = 5{,}6$ л. 11,2 л — это объём водорода, а 16,8 л — общий объём обоих газов.
В какой реакции вода является восстановителем?
1. $\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2}$
2. $\mathrm{C + H_2O \rightarrow CO + H_2}$
3. $\mathrm{2F_2 + 2H_2O \rightarrow 4HF + O_2}$
4. $\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}$
5. $\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C $\mathrm{2F_2 + 2H_2O \rightarrow 4HF + O_2}$
В реакции со фтором кислород воды окисляется от −2 до 0, то есть вода отдаёт электроны и является восстановителем. В A и B вода — окислитель (водород понижает степень окисления от +1 до 0), а D и E не являются окислительно-восстановительными.

Типичные ошибки

Считать, что все металлы дают с водой гидроксиды: железо и цинк реагируют только с раскалённым водяным паром и образуют оксиды, а медь с водой не реагирует совсем.
Забывать вычесть массу выделившегося водорода, когда считают массу раствора после реакции металла с водой.
Думать, что плотность воды наибольшая при 0 °C: максимум плотности при +4 °C, а лёд легче воды.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото