Химические свойства воды

Химические свойства воды H₂O: она реагирует с активными металлами (образуются щёлочь и водород), с оксидами активных металлов (образуются щёлочи) и с кислотными оксидами (образуются кислоты), с галогенами и раскалённым углём, разлагает гидриды, карбиды и некоторые соли (гидролиз), присоединяется к веществам при гидратации и входит в состав кристаллогидратов. Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород. Ниже — химические реакции с водой с уравнениями и условиями, а также необычные свойства воды.

Строение молекулы и аномалии воды

Молекула воды угловая: два атома водорода присоединены к атому кислорода под углом около 104,5°. Связи O–H сильно полярны, и молекула в целом — диполь. Между молекулами воды возникают водородные связи, и именно они объясняют аномалии воды:

высокие температуры плавления (0 °C) и кипения (100 °C): сероводород H₂S с почти вдвое большей молярной массой при обычных условиях — газ, он кипит около −60 °C;
наибольшая плотность воды — при +4 °C, а не в точке замерзания;
лёд легче жидкой воды и плавает на её поверхности, поэтому водоёмы замерзают сверху, и подо льдом сохраняется жизнь;
очень высокая теплоёмкость — моря и океаны смягчают климат;
высокое поверхностное натяжение и способность растворять множество веществ: вода — самый распространённый растворитель.

Чистая вода — очень слабый электролит: H₂O ⇄ H⁺ + OH⁻. Её среда нейтральная (pH = 7), индикаторы в ней окраску не меняют.

Реакции воды с металлами

Вода окисляет металлы, а сама восстанавливается до водорода. Продукты зависят от активности металла:

Металлы	Условия	Продукты	Пример
Li, Na, K, Ca, Ba	комнатная температура	щёлочь + H₂	2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂↑
Mg	горячая вода	гидроксид + H₂	Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂↑ t°
Zn, Fe	раскалённый водяной пар	оксид + H₂	Zn + H₂O → ZnO + H₂ t° (пар)
Cu, Ag, Au	—	не реагируют	—

Чем активнее металл, тем энергичнее реакция: литий реагирует спокойно, натрий плавится и бегает по воде, калий воспламеняется. В опыте «Натрий и вода» в воду заранее добавлен фенолфталеин — малиновая окраска показывает, что образуется щёлочь NaOH: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Почему металлы ведут себя по-разному, объясняет ряд активности — см. химические свойства металлов.

Реакции металлов с водой

Реакции воды с оксидами

Основные оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов соединяются с водой, образуя щёлочи. Гашение негашёной извести сопровождается сильным разогревом:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂
Na₂O + H₂O → 2NaOH
BaO + H₂O → Ba(OH)₂

Кислотные оксиды при взаимодействии с водой дают кислоты:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄
P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ t°
N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃
CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃

Реакции углекислого и сернистого газов с водой обратимы: образующиеся кислоты слабые и неустойчивые. Растворение оксидов серы и азота в атмосферной влаге — причина кислотных дождей.

Не реагируют с водой оксиды большинства металлов (CuO, Fe₂O₃, Al₂O₃, ZnO) и оксид кремния SiO₂: соответствующие гидроксиды и кремниевую кислоту получают косвенно, через соли. Подробнее о классификации оксидов — на странице оксиды.

Оксиды и вода

Реакции воды с неметаллами

С водой реагируют галогены и раскалённый уголь:

Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO — получается хлорная вода; хлорноватистая кислота HClO — сильный окислитель, поэтому хлором обеззараживают воду и отбеливают ткани;
2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂↑ — фтор настолько активен, что вода в его атмосфере горит;
C + H₂O → CO + H₂ t° > 1000 °C — при пропускании пара через раскалённый уголь получается «водяной газ», топливо и сырьё для химических синтезов.

Разложение воды

Вода — очень устойчивое вещество. При кипячении она только испаряется (это физическое явление), а заметно разлагаться на водород и кислород начинает лишь при температуре в тысячи градусов. В лаборатории и промышленности воду разлагают электрическим током — это электролиз; для проводимости в воду добавляют щёлочь или сульфат натрия:

2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑ эл. ток

Водорода по объёму выделяется вдвое больше, чем кислорода, — это следует из коэффициентов уравнения. Схемы процесса — на странице электролиз растворов и расплавов. Обратная реакция — горение водорода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O t°.

Гидратация и кристаллогидраты

Гидратация — присоединение воды к веществу. Её примеры — гашение извести и реакции оксидов, рассмотренные выше, а в органической химии — получение этанола из этилена: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH t°, p, кат. H₃PO₄ (подробнее — на странице алкены). Аммиак при растворении в воде тоже образует гидрат: NH₃ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O.

Многие соли при кристаллизации из раствора захватывают молекулы воды — образуются кристаллогидраты, а такую воду называют кристаллизационной.

Кристаллогидрат	Формула	Цвет
медный купорос	CuSO₄·5H₂O	синий
железный купорос	FeSO₄·7H₂O	светло-зелёный
кристаллическая сода	Na₂CO₃·10H₂O	бесцветный
глауберова соль	Na₂SO₄·10H₂O	бесцветный
гипс	CaSO₄·2H₂O	белый
шестиводный хлорид кобальта(II)	CoCl₂·6H₂O	розовый (безводная соль — синяя)

Безводный сульфат меди(II) — белый порошок; от воды он синеет, поэтому служит реактивом на воду: CuSO₄ + 5H₂O → CuSO₄·5H₂O. При нагревании кристаллогидрат теряет воду и снова белеет: CuSO₄·5H₂O → CuSO₄ + 5H₂O t°. В свободном режиме лаборатории можно выпарить раствор соли досуха на спиртовке и рассмотреть сухой остаток.

Гидролиз: вода разлагает соли и бинарные соединения

Вода разлагает и многие сложные вещества — это гидролиз. Соли слабых кислот или слабых оснований гидролизуются обратимо и меняют среду раствора. Например, раствор соды щелочной: Na₂CO₃ + H₂O ⇄ NaHCO₃ + NaOH, в ионном виде CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻. Подробнее — на странице гидролиз солей.

Необратимо, до конца, водой разлагаются карбиды, нитриды, гидриды, пероксиды и некоторые сульфиды:

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂↑ — получение ацетилена
Mg₃N₂ + 6H₂O → 3Mg(OH)₂↓ + 2NH₃↑
CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑ — гидрид кальция служит компактным источником водорода
2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑

В органической химии гидролизу подвергаются сложные эфиры, жиры, углеводы и белки, например C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → 2C₆H₁₂O₆ H⁺, t°. А главная реакция с участием воды в живой природе — фотосинтез: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑ hν, хлорофилл.

Гидролиз в справочнике

Проведите опыт онлайн

Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.

Натрий и вода

Натрий в воде с фенолфталеином: плавает, шипит, раствор малиновый.

Открыть в лаборатории

Частые вопросы

С какими веществами реагирует вода?

С активными металлами, оксидами щелочных и щёлочноземельных металлов, большинством кислотных оксидов, галогенами, раскалённым углём, а также с гидридами, карбидами, нитридами и солями слабых кислот или оснований (гидролиз).

Какие металлы реагируют с водой при обычных условиях?

Щелочные (литий, натрий, калий) и щёлочноземельные (кальций, барий) металлы: образуются щёлочь и водород.

Какие оксиды не реагируют с водой?

Оксид кремния SiO₂ и оксиды большинства металлов — меди, железа, алюминия, цинка. С водой не реагируют и несолеобразующие оксиды CO, NO, N₂O.

Почему лёд плавает на воде?

При замерзании молекулы воды связываются водородными связями в рыхлую кристаллическую решётку с пустотами, поэтому плотность льда меньше плотности жидкой воды.

Как обнаружить воду в веществе?

С помощью безводного сульфата меди(II): белый порошок синеет, превращаясь в кристаллогидрат CuSO₄·5H₂O.