О.С.ГАБРИЕЛЯН, Т.Н.ПОПКОВА,
Г.А.СИВКОВА, С.А.СЛАДКОВ

Вода в нашей жизни

Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы

Продолжение. Начало см. в № 3, 4/2009

§ 2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Цель. Расширить и углубить представления учащихся о химических свойствах воды. Отработать умения прогнозировать и составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций. Сформировать представление об амфотерных свойствах воды и реакциях гидролиза.

Форма занятия. Лекция с элементами беседы, демонстрационный эксперимент исследовательского характера, лабораторная работа, тест.

Оборудование и реактивы. Химические стаканы, пробирки, индикаторы; растворы хлорида и карбоната натрия, хлорида цинка, сульфата магния, оксиды кальция и фосфора(V).

В курсе химии за 8-й класс (учебно-методический комплект О.С.Габриеляна) представлены некоторые химические свойства этого соединения при изучении темы «Типы химических реакций на примере свойств воды». На данном уроке предстоит не только повторить, но и расширить представления учащихся о химических свойствах воды.

План лекции

• Окислительно-восстановительные свойства.
• Кислотно-основные свойства.
• Реакции гидратации.
• Реакции гидролиза.

Окислительно-восстановительные свойства

Учитель. В молекуле воды и водород, и кислород находятся в устойчивых степенях окисления, соответственно +1 и –2. Поэтому вода не обладает ярко выраженными окислительно-восстановительными свойствами. Они проявляются при взаимодействии воды только с очень активными восстановителями или окислителями.

В роли окислителя вода выступает с такими сильными восстановителями, как щелочные и щелочно-земельные металлы. Взаимодействие протекает при обычной температуре:

Учащиеся комментируют записанные схемы, указывая изменение степеней окисления, определяют окислители и восстановители, процессы окисления и восстановления.

Ученик. Реакция с натрием протекает бурно, поэтому не случайно во всех инструкциях по технике безопасности особо указывается, что при возникновении пожара на складе с натрием нельзя применять воду.

Ученики поясняют, что выделяющийся водород при определенных условиях загорается и реагирует с кислородом воздуха, что может привести к взрыву.

Учитель. Образование воды – экзотермическая реакция, при большой концентрации водорода в воздухе происходит взрыв. Ученые приложили немало усилий и направили разрушительную силу гремучей смеси (так называется соотношение объемов водорода и кислорода 2:1) на практические цели. Например, ни одна ракета не покинула бы территорию космодрома, если бы при этом не образовывалась… вода. В момент запуска космического аппарата энергия направленного взрыва водорода и кислорода является своеобразным «запалом», а дальнейшее движение осуществляется за счет горения сложной смеси ракетного топлива (гептила), которое содержит и некоторые токсические компоненты.

При нагревании протекает взаимодействие водяного пара и с менее активными металлами:

Последняя реакция (в присутствии атмосферного кислорода) является причиной коррозии металла, перед которой не устоять трубопроводам, мостам и другим металлическим конструкциям. Химики-технологи разработали достаточно эффективные способы замедления коррозии, но до полной победы над ней еще далеко. Вездесущая влага рано или поздно проникает через защитные покрытия и разрушает сплавы железа, принося многомиллионные убытки.

Кроме того, вода взаимодействует с гидридами щелочных и щелочно-земельных металлов, являющимися очень сильными восстановителями:

Данной реакцией очень удобно пользоваться в полевых условиях, если возникает необходимость в получении водорода, например при заправке гидрометеорологических шаров-зондов.

Вода выступает в роли восстановителя с сильными окислителями, например со фтором:

Эта реакция, проведенная в изолированных условиях, из-за ядовитости галогена, очень удивила ученых. В атмосфере фтора вода сгорала голубоватым пламенем.

Ничего нет вечного и в химии – при температуре выше 1000 °С водяной пар разлагается на водород и кислород, т.е. происходит внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс:

В природных условиях разложение воды по данной схеме ничтожно мало, столь высокие температуры создаются только при грозовых разрядах.

Многие научные коллективы пытаются найти практическое применение данной реакции и решить ряд энергетических и экологических проблем. Если в будущем появится удачное техническое решение, то автомобилисты вместо бензина начнут заливать в бак простую воду, она будет разлагаться на составляющие компоненты и соединяться вновь. Как известно, взаимодействие водорода и кислорода сопровождается выделением энергии, ее с лихвой хватит на движение автомобиля. В крупных городах население наконец-то получит возможность дышать свежим воздухом, ведь из выхлопной трубы будет выделяться только водяной пар. В нашем ХХI в. это уже не фантастика, опытные образцы подобных двигателей созданы, но они достаточно громоздки и пока намного дороже автомобилей с бензиновым двигателем.

Кислотно-основные свойства

Учитель. В самих названиях «кислота» и «основание» уже заложен намек на агрессивность соединений.

Не зря гласит пословица: «в тихом омуте черти водятся». Ей можно дать и химическое толкование – в обычной воде присутствуют одновременно и кислота, и основание. Это происходит в ходе своеобразной борьбы молекул воды друг с другом. Одна из шустрых молекул «умудряется» вырвать у соседки протон и присвоить его себе. При этом «хулиганка» превращается в ион гидроксония, т.е. кислоту, а «пострадавшая» молекула становится гидроксид-ионом, т.е. основанием. Такому явлению присвоено особое название – самоионизация. Данный процесс связан с тепловым движением частиц и взаимным притяжением диполей. Происходит ослабление и разрыв связей О–Н, в итоге протон присоединяется к атому кислорода соседней молекулы по донорно-акцепторному механизму:

В сущности, ион гидроксония является гидратированным ионом водорода Н⁺•Н₂О. Упрощенно процесс ионизации воды обычно выражают следующим уравнением:

Таким образом, при ионизации одновременно образуются катионы водорода и гидроксид-
анионы, т.е. вода является слабым амфотерным электролитом. Легко заметить, что ионы образуются в равном соотношении и при диссоциации воды реакция среды нейтральна.

Степень ионизации воды незначительна. При комнатной температуре лишь одна из 10⁸ молекул воды находится в диссоциированной форме, что подтверждается весьма низкой электропроводностью чистой воды. Вода – не просто слабый, а очень слабый электролит. Концентрации ионов Н⁺ и ОН^– в воде равны 10^–7 моль/л. Вода не проявляет явно выраженных кислотных или основных свойств. Однако этот «нейтралитет» достаточно условен. Если химическим методом связывать один из ионов, т.е. смещать равновесие реакции самоионизации, можно создавать в водных растворах кислую или шелочную среду. Далее мы узнаем, что такие процессы имеют немаловажное значение.

Вода оказывает сильное ионизирующее действие на растворяемые в ней электролиты. Под действием диполей воды полярные ковалентные связи в молекулах растворенных веществ превращаются в ионные. В частности, на этих свойствах воды основана работа многих аккумуляторов.

Реакции гидратации

Учитель. Полярность и малые размеры молекулы воды определяют ее сильные гидратирующие свойства.

Гидратация – это присоединение воды к веществу.

Учащиеся записывают схемы реакций кислотных оксидов с водой:

SO₃ + H₂O = H₂ SO₄,

CО₂ + H₂O H₂СО₃.

 

Демонстрационный эксперимент «Взаимодействие оксидов с водой»

Учитель предлагает ученикам помочь лаборанту различить содержимое склянок, на которых испорчены этикетки. Предположительно, в них содержались оксиды кальция и фосфора.

Двое учащихся выполняют демонстрационный эксперимент, добавляя в стаканчики с небольшой порцией белых порошков (0,5 г) воду. Остается только проверить кислотность среды и записать на доске соответствующие уравнения:

Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄,

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂.

Учитель. Многие виды гидратации имеют практическое значение. С их помощью в промышленности получают азотную, серную кислоты. В строительном деле, например, не обойтись без оксида кальция (негашеной извести). При добавлении воды образуется соответствующий гидроксид – гашеная известь, которая применяется в смесях для побелки, строительных растворах для кладки кирпичных стен.

Оксид фосфора(V) очень активно связывает воду и часто необходим для полной осушки некоторых органических растворителей. Данному процессу присвоен особый термин – абсолютирование. Для некоторых синтезов ученые используют абсолютно сухие вещества, нередко химики проводят реакции при полном отсутствии влаги в реакционной среде и даже вынуждены осушать воздух или какой-либо инертный газ оксидом фосфора(V) или концентрированной серной кислотой.

Реакции гидролиза

Учитель. Гидролизом называется процесс разложения веществ в результате обменного взаимодействия между молекулами вещества и молекулами воды.

По своей сути гидролиз – это «насильственное» связывание одного из ионов, образующихся при диссоциации воды, которое приводит к изменению кислотности растворов.

Различают несколько типов гидролиза.

1) Гидролиз по аниону характерен для соли, образованной сильным основанием и слабой кислотой:

Без этой полезной реакции сложно представить стирку белья в жесткой воде. Сходно гидролизуется и питьевая сода – гидрокарбонат натрия. Именно за счет щелочной среды «работают» содовые лечебные растворы. Они используются для полоскания полости рта в случае воспалительных процессов. В экстренных случаях раствор питьевой соды применяется при изжоге, вызванной повышенной кислотностью желудочного сока.

Труднорастворимые соли тоже подвергаются гидролизу, но он идет очень медленно. Так, при внесении в кислые почвы извести – карбоната кальция, постепенно идет гидролиз, выделяющиеся гидроксид-ионы участвуют в устранении кислотности почвы. В конечном счете, плодородие почвы восстанавливается. Это имеет большое значение для растениеводства, т.к. многие сельскохозяйственные культуры плохо развиваются на кислых почвах.

Нерациональное вмешательство в природу нередко приводит к трагическим последствиям. Так, в районах, прилегающих к озеру Баскунчак, очень велика кислотность почв. Вспашка таких целинных земель нередко сопровождается пыльными бурями, которые рассеивают по окрестностям много солей, подвергающихся гидролизу.

2) Гидролиз по катиону протекает с солями, образованными слабым основанием и сильной кислотой:

3) Гидролиз по катиону и аниону характерен для солей, образованных слабым основанием и слабой кислотой:

Карбонаты и ацетаты аммония используются в производстве кондитерских изделий как разрыхлители, их добавляют в тесто для придания воздушности выпечке. Под действием высокой температуры гидролиз усиливается, газообразные продукты (углекислый газ и аммиак) улетучиваются и придают дополнительную рыхлость кондитерскому изделию. Любителям домашней выпечки полезно читать информацию на пакетиках с разрыхлителями. Так, обозначение Е-503 свидетельствует о содержании в них карбоната аммония.

4) Необратимый (полный) гидролиз:

Al₂S₃ + 6HOН = 2Al(OH)₃ + 3H₂S.

В этом случае ионы водорода связываются в летучую кислоту, а гидроксид-анионы – в малодиссоциирующее соединение, т.е. сульфид алюминия в растворах практически не существует. В таблице растворимости такие соли отмечены знаком «минус».

Для закрепления материала проводится эксперимент.

Лабораторная работа «Распознавание солей»

Учитель предлагает распознать вещества. В пробирки налиты растворы хлорида и карбоната натрия, хлорида цинка, сульфата магния. Последние растворы выдают себя характерной окраской при добавлении индикатора.

Учитель предлагает пояснить причину использования соды при стирке белья и записать в тетрадях схемы гидролиза карбоната натрия, сульфата магния, хлорида цинка.

Учитель. Реакции гидролиза сложных соединений лежат и в основе обмена веществ в организме человека и животных. Например, гидролиз белков представляет собой сложный многостадийный процесс, конечным продуктом которого являются аминокислоты – строительный материал всех тканей организма. Гидролиз сахарозы, которую мы добавляем в чай или кофе, проходит до глюкозы – ценного питательного и энергетического вещества. Аналогично, до глюкозы, протекает и многоступенчатый гидролиз крахмала, входящего в состав многих продуктов питания (изделий из муки, риса, картофеля). Реакции гидролиза в организме протекают под действием биологических катализаторов – ферментов. Без воды невозможно представить обменные процессы в живом организме. Не случайно в медицинских вузах очень большое внимание уделяется изучению химии – органической и биологической.

После завершения лекции ученикам предлагается домашняя работа по выполнению тестов, позволяющих проверить знания по химическим свойствам воды.

Вопросы для собеседованияпо теме «Химические свойства воды»

1. Напишите уравнения химических реакций, отражающие окислительные свойства воды.

2. Приведите примеры химических реакций, в которых вода проявляет восстановительные свойства.

3. Допишите уравнения химических реакций:

K + Н₂О —> … ,

SО₂ + Н₂О —> … ,

Na₂O + H₂O —> … ,

N₂O₃ + H₂O —> … ,

NaH + H₂O —> … .

4. Почему вода является амфотерным соединением?

5. Приведите уравнения химических реакций гидролиза в молекулярной и ионной формах для солей, которые гидролизуются по: а) катиону; б) аниону; в) катиону и аниону.

6. Для каких веществ гидролиз протекает необратимо? Приведите примеры такого гидролиза для солей и других бинарных соединений.

7. Известные пословицы гласят: «Вода и камень точит», «Вода разбивает камень не силой, а частым падением». Можно ли пояснить их с позиций физических и химических процессов?

8. Какое из удобрений следует применить агроному для нейтрализации кислотности почв: а) кальциевую селитру – Са(NО₃)₂; б) известь – СаСО₃; в) калийную селитру – KNО₃? Ответ поясните.

Тест «Химические свойства воды»

1. При комнатной температуре с водой реагируют оба металла, указанные в паре:

а) барий и медь; б) кальций и литий;

в) алюминий и ртуть; г) серебро и натрий.

2. К реакции замещения относится взаимодействие воды:

а) с гидридом калия;

б) с оксидом серы(VI);

в) с натрием металлическим;

г) с оксидом кальция.

3. Обменное взаимодействие веществ с водой, приводящее к их разложению, называют:

а) гидрированием; б) гидрогенизацией;

в) гидролизом; г) гидратацией.

4. Вода не образуется в результате химической реакции между:

а) соляной кислотой и гидроксидом калия;

б) оксидом кальция и азотной кислотой;

в) гидроксидом натрия и оксидом углерода(IV);

г) нитратом серебра и соляной кислотой.

5. Какие два оксида при взаимодействии с водой образуют соответствующие им кислоты?

а) SO₃, СаO; б) N₂O₃ , P₂O₅;

в) Mn₂O₇ , СO; г) СO₂ , Аl₂O₃.

6. Укажите оксид, образующий при растворении в воде две кислоты:

а) P₂O₅; б) NO₂; в) N₂O₅; г) SO₃.

7. При обычной температуре в химическую реакцию с водой не вступает:

а) оксид серы(IV); б) хлорид аммония;

в) оксид кальция; г) хлорид натрия.

8. Вода – это не только оксид водорода, но и оксид:

а) основный; б) амфотерный;

в) несолеобразующий; г) кислотный.

9. Масса воды (в г), которая образуется при нейтрализации 2 моль гидроксида натрия соляной кислотой, равна:

а) 18; б) 54; в) 9; г) 36.

10. С какой парой веществ взаимодействует вода:

а) K, SiO₂ ; б) Na, CaO;

в) CuO, SO₃; г) Ag, NH₃.

О т в е т ы. 1 – б; 2 – в; 3 – в; 4 – г; 5 – б; 6 – б; 7 – г; 8 – б; 9 – г; 10 – б.

 

Печатается с продолжением