Уравнение реакции при кипении воды

Химические свойства воды. 6 основных типов химических реакций для воды.

Давайте вспомним все уже известные нам реакции, в которых участвует вода. Для этого вновь напишем уравнения встречавшихся ранее реакций и систематизируем их. Оказывается, вода – весьма активное в химическом отношении вещество.

1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.

Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

C + H₂O = H₂ + CO (при сильном нагревании)

2) Электролиз. Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем.

3) Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

Из чего образуются пузыри при закипании воды?

Если вы когда-нибудь кипятили воду, то наверняка заметили, что при нагревании воды образуются очень маленькие пузырьки, которые поднимаются снизу вверх. Сначала пузырьки немногочисленны, но по мере нагревания воды начинает образовываться все больше пузырьков больших размеров. Дальнейшее повышение температуры приводит к появлению еще более крупных пузырьков, которые образуются довольно часто и сразу же поднимаются вверх. Эта эскалация достигает пика, когда вода начинает кипеть.

Но почему кипящая вода образует пузырьки?

Ответ на этот вопрос связан с химией самой воды. Точнее, это связано со всеми растворенными в воде веществами, а также с характером связи между молекулами воды.

Химические свойства молекул воды

Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Оба атома H ковалентно связаны с единственным атомом O. Каждый элемент в природе стремится достичь состояния с минимально возможной энергией. Это состояние достигается путем потери или приобретения электронов для достижения ближайшей конфигурации инертного газа.

Иллюстрация молекулы воды

Атом кислорода имеет шесть электронов в своей валентной (внешней) оболочке. Ближайший инертный газ, неон, имеет восемь электронов в своей валентной оболочке. Таким образом, O имеет сильную тенденцию получить два электрона и достичь стабильной электронной конфигурации (перейти в состояние с наименьшей энергией). Водород имеет один электрон в своей валентной оболочке, в то время как ближайший благородный газ, гелий, имеет два электрона на своей валентной оболочке. Таким образом, H стремится получить один электрон, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации.

Оба атома H делят по одному электрону с O, а O делит два электрона, по одному на каждый H. Это ковалентная связь. Кислород имеет сильную тенденцию притягивать к себе общие электроны благодаря свойству, называемому электроотрицательностью. Таким образом, электроны проводят больше времени возле атома O, чем возле атома H, что приводит к частичному отрицательному заряду на O и частичному положительному заряду на H.

Геометрия молекулы воды такова, что заряды не компенсируются, и есть разделение центров заряда (поляризация). Когда две молекулы воды с небольшой поляризацией приближаются друг к другу, частично отрицательный O одной молекулы притягивает частично положительный H другой молекулы, образуя слабую межмолекулярную связь. Это называется водородной связью, и это сила, отвечающая за удержание молекул воды вместе.

Визуализация водородной связи.

Поскольку водородная связь слабая, вода остается жидкой при комнатной температуре, а при повышении температуры молекулы получают больше энергии для преодоления межмолекулярной водородной связи. При 100 °C энергии достаточно для того, чтобы молекулы вырвались на свободу.

Растворенные вещества в воде

Растворение одного вещества в другом возможно только при наличии взаимодействия между молекулами двух веществ. Подобным образом, некоторые газы, например, O₂, CO₂, N₂, NH₃ и SO₂, растворяются в воде, потому что между молекулами воды и молекулами газа существует притягательное взаимодействие.

Есть два способа растворения газов в воде: ван-дер-ваальсова связь и водородная связь.

Гетероядерные молекулы (т.е. имеющие атомы из разных элементов), такие, как NH₃ или CO₂, имеют разницу в электроотрицательности между атомами. N и O более электроотрицательны, чем H и C, соответственно. Таким образом, N и O остаются частично отрицательными, а H и C становятся частично положительными. Это приводит к частичной поляризации молекул NH₃ и CO₂.

Отрицательные концы (N и O) притягиваются к частично положительному H воды; в то же время положительные концы (H и C) притягиваются к частично отрицательному O воды. Это и есть водородная связь. Чем больше поляризация газообразной молекулы, тем лучше она растворяется в воде.

Гомоядерные молекулы (т.е. имеющие атомы одного и того же элемента), такие, как O₂ и N₂, неполярны и плохо растворимы (очень низкая растворимость) в воде. Слабые ван-дер-ваальсовы силы притяжения удерживают эти газы с молекулами воды. Они намного слабее, чем диполь-дипольные взаимодействия.

Слабые силы Ван-дер-Ваальса возникают из-за изменения распределения заряженных электронов вокруг атомов, что приводит к временной индуцированной поляризации.

Растворимость газов в воде уменьшается при повышении температуры.

Последовательность событий при кипении воды

Возьмем жидкую воду при комнатной температуре (25 °С). При этой температуре растворимость O₂ составляет 8,27 мг/л, а CO₂ — 1,5 г/л. При повышении температуры молекулы газа и воды приобретают больше кинетической энергии. Благодаря этой энергии всем молекулам легче преодолеть межмолекулярное притяжение. При температуре 50 °С растворимость O₂ уменьшается до 2,75 мг/л, а растворимость CO₂ — до 0,75 г/л. Это снижение растворимости означает, что газообразные молекулы могут преодолеть слабое межмолекулярное притяжение. Поскольку плотность молекул газа ниже плотности воды, они поднимаются наверх в виде пузырьков. Гомоядерные молекулы, такие как N₂ и O₂, всплывают при низких температурах из-за слабых ван-дер-ваальсовых сил. Дальнейшее повышение температуры приводит к выделению пузырьков полярных молекул, таких как CO₂ и NH₃, которые удерживаются диполь-дипольными взаимодействиями.

Молекулы газа, вырывающиеся из воды.

Это бульканье продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения воды. Нагревание воды происходит не совсем равномерно, то есть существуют области более высоких и более низких температур. При температуре выше 90 °С некоторые молекулы воды вблизи дна получают достаточно энергии для перехода в парообразную фазу. Образуются области газообразной воды, о чем свидетельствуют огромные пузыри, поднимающиеся со дна. Кроме того, из-за энергичного движения молекул конвективный нагрев еще больше повышает температуру. При температуре 100 °С почти все молекулы воды обладают достаточной кинетической энергией для перехода в парообразное состояние, и пузырьки водяного пара начинают стремительно подниматься вверх!

Молекулярная физика. Кипение жидкости.

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре жидкости, другой вид парообразования — кипение — возможен лишь при совершенно определенной (при данном давлении) температуре — температуре кипения.

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде можно увидеть, что по мере увеличения температуры стенки и дно сосуда покрываются мелкими пузырьками. Они образуются в результате расширения мельчайших пузырьков воздуха, которые существуют в углублениях и микротре­щинах не полностью смачиваемых стенок сосуда.

Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С уве­личением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая (архимедова) сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои воды еще не успели нагреться до 100 °С, то в такой (более холодной) воде часть водяного пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Попеременное увеличение и уменьшение пузырьков внутри во­ды сопровождается возникновением в ней характерных звуковых волн: закипающая вода шумит.

Когда вся вода прогреется до 100 °С, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности воды, выбрасывая пар наружу. Возникает характерное бульканье — вода кипит.

Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения.

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос­ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения.

Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав­ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа. Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри­мер, в горных районах (на высоте 3 км, где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури­ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Теплота парообразования.

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обра­тить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой r и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденса­ции). Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r ум­ножить на массу m:

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты: