Химия - 8-9 класс

Молекула воды за счет одной из неподеленных пар электронов атома кислорода атакует положительно заряженный атом серы (Δ +) и присоединяется к нему связью O– S, на атоме кислорода при этом возникает формальный заряд B. Получив лишние электроны, атом серы перестает удерживать электронную пару одной из -связей, которая полностью переходит к соответствующему атому кислорода, на котором за счет этого возникает формальный заряд A. Затем неподеленная пара электронов этого атома кислорода акцептируется одним из атомов водорода, входившего в состав молекулы воды, который таким образом переходит от одного атома кислорода к другому. В итоге образуется молекула серной кислоты. Уравнение реакции:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

Аналогично, но несколько более сложно с водой реагирует N₂O₅, P₄O₁₀ и некоторые другие молекулярные оксиды. Все они – кислотные оксиды.

N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃;

P₄O₁₀ + 6H₂O = 4H₃PO₄.

Во всех этих реакциях образуются кислоты, которые при наличии избытка воды с ней реагируют. Но, прежде чем рассмотреть механизм этих реакций, посмотрим, как реагирует с водой хлороводород – молекулярное вещество с сильно полярными ковалентными связями между атомами водорода и хлора:

Полярная молекула хлороводорода, попав в воду, ориентируется так, как это показано на схеме (разноименные заряды диполей притягиваются). Разреженная из-за поляризации электронная оболочка (1s-ЭО) атома водорода акцептирует неподеленную пару sp³-гибридных электронов атома кислорода, и водород присоединяется к молекуле воды, полностью отдав атому хлора пару электронов, которая связывала эти атомы в молекуле хлороводорода. В результате атом хлора превращается в хлорид-ион, а молекула воды – в ион оксония. Уравнение реакции:

HCl_г + H₂O = H₃O_aq + Cl_aq.

При низких температурах из такого раствора может быть выделен кристаллический хлорид оксония (H₃O)Cl (t_пл = –15 °С).

Взаимодействие HCl и H₂O можно представить себе и по-другому:

то есть как результат передачи протона от молекулы хлороводорода к молекуле воды. Следовательно, это кислотно-основная реакция.

Аналогично происходит взаимодействие с водой азотной кислоты

что тоже можно представит как передачу протона:

Кислоты, в молекулах которых несколько гидроксилов (OH-групп), реагируют с водой в несколько стадий (ступенчато). Пример – серная кислота.

Второй протон отщепляется значительно труднее, чем первый, поэтому вторая стадия этого процесса обратима. Сравнив величину и распределение зарядов в молекуле серной кислоты и в гидросульфат-ионе, попробуйте самостоятельно объяснить это явление.

При охлаждении из растворов серной кислоты могут быть выделены индивидуальные вещества: (H₃O)HSO₄ (t_пл = 8,5 °С) и (H₃O)₂SO₄ (t_пл = – 40 °С).

Анионы, образующиеся из молекул кислот после отрыва одного или нескольких протонов, называются кислотными остатками.

Из молекулярных простых веществ с водой при обычных условиях реагируют только F₂, Cl₂, Br₂ и, в крайне незначительной степени, I₂. Фтор бурно реагирует с водой, полностью ее окисляя:

2F₂ + H₂O = 2HF + OF₂.

При этом протекают также и другие реакции.

Значительно важнее реакция хлора с водой. Обладая высокой склонностью к присоединению электронов (молярная энергия сродства к электрону атома хлора равна 349 кДж/моль), атомы хлора частично сохраняют ее и в молекуле (молярная энергия сродства к электрону молекулы хлора равна 230 кДж/моль). Поэтому, растворяясь, молекулы хлора гидратируются, притягивая к себе атомы кислорода молекул воды. У некоторых из этих атомов кислорода атомы хлора могут акцептировать неподеленную пару электронов. Дальнейшее показано на схеме механизма:

Суммарное уравнение этой реакции

Cl₂ + 2H₂O = HClO + H₃O + Cl.

Но реакция обратима, поэтому устанавливается равновесие:

Cl₂ + 2H₂O HClO + H₃O + Cl.

Получившийся раствор называют " хлорной водой" . За счет присутствия в нем хлорноватистой кислоты он обладает сильными окислительными свойствами и используется в качестве отбеливающего и дезинфицирующего средства.

Вспомнив, что Cl и Н₃О образуются при взаимодействии (" растворении" ) хлороводорода в воде, можно записать " молекулярное" уравнение:

Cl₂ + H₂O HClO_p + HCl_p.

Аналогично с водой реагирует бром, только равновесие в этом случае сильно смещено влево. Йод же с водой практически не реагирует.

Чтобы представить себе, в какой степени хлор и бром физически растворяются в воде, а в какой – реагируют с ней, используем количественные характеристики растворимости и химического равновесия.

Мольная доля хлора в насыщенном при 20°С и атмосферном давлении водном растворе равна 0,0018, то есть на каждую 1000 молекул воды приходится примерно 2 молекулы хлора. Для сравнения, в насыщенном при тех же условиях растворе азота мольная доля азота равна 0,000012, то есть одна молекула азота приходится примерно на 100000 молекул воды. А для получения насыщенного при тех же условиях раствора хлороводорода на каждые 100 молекул воды нужно взять около 35 молекул хлороводорода. Отсюда можно сделать вывод, что хлор хоть и растворим в воде, но незначительно. Растворимость брома несколько больше – примерно 4 молекулы на 1000 молекул воды.

Константа равновесия обратимой химической реакции хлора с водой

Cl₂ + 2H₂O HClO + H₃O + Cl

равна 1,36·10– ⁷. Отсюда следует, что при комнатной температуре в среднем 35 молекул хлора из 100 подвергнуты этому превращению. В случае брома это число намного меньше: примерно 1 молекула из 1000.

КИСЛОТНЫЙ ОСТАТОК

1.Составьте ионные и " молекулярные" уравнения реакций, протекающих при взаимодействии с водой а) калия, б) бария.

2.Изобразите схему, иллюстрирующую механизм взаимодействия с водой кальция.

3.Почему металлы IА группы бурно реагируют с водой, а медь, железо, хром или свинец практически не реагируют?

4.Составьте ионные и " молекулярные" уравнения реакций с водой оксидов натрия, стронция и бария. Для реакции с водой оксида лития приведите схему, иллюстрирующую ее механизм.

5.Приведите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

а) Li Li₂O LiOH; б) Ca CaO Ca(OH)₂.

6.Составьте уравнения реакций, по которым можно получить а) хромовую кислоту (H₂CrO₄) из оксида хрома(VI), б) йодноватую кислоту (HIO₃) из оксида йода(V), в) селеновую кислоту (H₂SeO₄) из оксида селена (VI).

7.Приведите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие превращения: