Водород. Кислород. Вода

Неметаллы · Тема 17 / 35

Водород. Кислород. Вода

Этот урок проведём вместе с бакинской семьёй в одну субботу: утром шипит средство для труб в мойке, днём пенится перекись на ссадине, а вечером после грозы в воздухе пахнет озоном. Герои трёх событий — водород, кислород и озон. Мы увидим их получение и свойства в анимациях, изучим строение и необычные свойства воды, решим расчётные задачи и задания ГЭЦ.

≈ 50 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 7материал 7–9 классов

После урока ты сможешь

• знать способы получения водорода и кислорода в лаборатории и промышленности, правила их собирания и распознавания;
• записывать уравнениями химические свойства водорода (восстановителя и окислителя) и кислорода;
• решать задачи на гремучий газ и избыток вещества;
• понимать аллотропию, свойства озона и расчёты объёмов 3O₂ → 2O₃;
• объяснять строение воды, её аномальные физические и химические свойства.

Перед началом вспомни

• Количество вещества, молярная масса, молярный объём (22,4 л/моль), закон Авогадро.
• Ряд активности металлов, оксиды, кислоты и основания.
• Степень окисления, окислитель и восстановитель.

Содержание

1. ВведениеСитуация: шипение в мойкеистория и предположение
2. Глава 1Водород: строение и получениестроение, лабораторные и промышленные способы
3. Глава 2Свойства водорода. Гремучий газвосстановитель, гремучий газ, избыток
4. Глава 3Кислород: получение, свойства, применениеспособы получения, собирание, свойства
5. Глава 4Озон. АллотропияO₂ и O₃, расчёты объёмов
6. Глава 5Вода: строение и свойстваводородная связь, аномалия, реакции
7. ПрактикумТренировка на экзаменационных заданияхзаданий ГЭЦ: 1, с ответом и официальным пояснением
8. ИтогиЗапомникраткий итог и типичные ошибки
9. ИтогиСамостоятельная работазаданий: 6, от простых к сложным

Введение

Ситуация: шипение в мойке

История

Субботнее утро. Ученик 11 класса помогает отцу на кухне: засорилась труба мойки, вода не уходит. Отец купил в магазине средство для прочистки труб. На упаковке написано: в составе гидроксид натрия (NaOH) и гранулы алюминия. Отец высыпает гранулы в мойку и доливает немного воды.

Из мойки слышно шипение, вода пенится, будто кипит, поднимается пар. На коробке предупреждение: «При реакции выделяется горючий газ — держите вдали от огня, проветривайте помещение». Ученик думает: что это за газ и откуда он берётся? Если в пакете 2,7 г алюминия, сколько литров газа выделится?

В мойке пузырьки и пар; в круге с поверхности алюминия отрываются и всплывают молекулы водорода.Сначала предположи

Как ты думаешь, сколько литров (н. у.) водорода выделится, когда 2,7 г алюминия полностью прореагирует с раствором щёлочи? Ответ рассчитаем в 1-й главе.

Газ в мойке — водород, самый распространённый элемент во Вселенной. Его «партнёр» кислород — самый распространённый элемент земной коры. Их соединение — вода — основа жизни. В этом уроке мы узнаем, как получают водород и кислород, изучим их свойства, аллотропное видоизменение кислорода — озон — и необычные свойства воды, а расчёты разберём шаг за шагом.

Глава 1

Водород: строение и получение

Водород — первый элемент периодической системы: в его атоме один протон и один электрон (1s¹). Два атома общей электронной парой образуют молекулу H₂ (ковалентная неполярная связь). У водорода три изотопа: протий ¹H, дейтерий ²H (D) и тритий ³H (T). Свободного водорода в природе мало; он в основном в соединениях: в воде, природном газе (CH₄), нефти, во всех органических веществах.

Водород — бесцветный газ без запаха, мало растворимый в воде. Это самое лёгкое вещество: M(H₂) = 2 г/моль, он в 29 : 2 = 14,5 раза легче воздуха; при −253 °C становится жидкостью.

Получение водорода

• В лаборатории: активный металл + разбавленная кислота: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑, Fe + H₂SO₄(разб.) → FeSO₄ + H₂↑;
• амфотерный металл + щёлочь: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑;
• активный металл или гидрид + вода: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑, CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑;
• В промышленности: конверсия метана с водяным паром CH₄ + H₂O Ni, t→ CO + 3H₂, пропускание пара над раскалённым углём C + H₂O t→ CO + H₂, электролиз воды 2H₂O → 2H₂ + O₂.

Какой металл вытесняет водород из кислоты? Только стоящий в ряду активности до водорода (Mg, Al, Zn, Fe …). Cu, Hg, Ag водород из разбавленных кислот не вытесняют. Азотная и концентрированная серная кислоты с металлами водорода не дают: окислитель в них не H⁺, а атомы N⁺⁵ и S⁺⁶.

Анимация · цинк вытесняет водород из кислотыВодород мало растворим в воде и легче воздуха — его собирают вытеснением воды или в перевёрнутый вверх дном сосуд. На уровне атомов атом цинка отдаёт два электрона двум ионам H⁺: ионы H⁺ превращаются в молекулу H₂, цинк — в ион Zn²⁺.Пример 1

13 г цинка реагируют с избытком соляной кислоты. Сколько литров (н. у.) водорода выделится? Ar(Zn) = 65.

1. Уравнение: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ — 1 моль Zn даёт 1 моль H₂.
2. n(Zn) = 13 : 65 = 0,2 моль, значит n(H₂) = 0,2 моль.Почему так?

   Кислота в избытке — считаем по веществу, которое расходуется полностью, по цинку.

3. V(H₂) = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.
4. Ответ: 4,48 л.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026

По рисунку определите вещества X и Y, используемые для получения газа водорода.

Рисунок меняется вместе с шагами.A) HCl | CuB) HNO₃ | Na₂CO₃C) HNO₃ | FeOD) HCl | HgE) HCl | Fe

1. В лаборатории водород получают реакцией активного металла (стоящего до водорода) с разбавленной кислотой. В приборе кислота (X) из капельной воронки приливается к твёрдому металлу (Y).
2. A и D: Cu и Hg стоят в ряду активности после водорода — с HCl не реагируют.Почему так?

   Такой металл не может отдать электроны ионам H⁺: H⁺ для них слишком слабый окислитель.

3. B и C: HNO₃ водорода не даёт даже с металлами; с Na₂CO₃ выделяется CO₂, с FeO — NO.Почему так?

   В азотной кислоте окислитель — N⁺⁵, а не H⁺.

4. E: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ — выделяется водород.
5. Ответ: X — HCl, Y — Fe (вариант E).

Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)

из приведённых вариантов только при реакции Fe с соляной кислотой выделяется газ водород. Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)

История

Вопрос про мойку. В растворе щёлочи алюминий вытесняет водород из воды: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑. n(Al) = 2,7 : 27 = 0,1 моль, на 2 моль Al приходится 3 моль H₂: n(H₂) = 0,15 моль, V(H₂) = 0,15 · 22,4 = 3,36 л. Реакция экзотермическая — поэтому идёт пар, горячий раствор и пузырьки разрушают жировую пробку. Водород с воздухом образует взрывчатую смесь — поэтому предупреждение требует держать вдали от огня и проветривать. Интересно: масса раствора в мойке увеличивается на 2,7 − 0,3 = 2,4 г — алюминий переходит в раствор, а водород уходит. Эта мысль — ключ к следующему заданию ГЭЦ.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025

Масса раствора во время реакции изменяется, как показано на графике. Вычислите x. Aᵣ(Al)=27, Aᵣ(H)=1

Рисунок меняется вместе с шагами.A) 8B) 10C) 9D) 11E) 7

1. Алюминий растворяется в щёлочи: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑; из 1 моль Al выделяется 1,5 моль H₂.
2. В раствор входит 27 г Al, а выходит 1,5 · 2 = 3 г H₂: масса растёт на 27 − 3 = 24 г.Почему так?

   На графике прирост 8 г — это не масса внесённого алюминия, а разность «алюминий − водород».

3. Пропорция: 27 г Al — 24 г; x г Al — 8 г; x = 27 · 8 : 24 = 9.
4. Ответ: 9 (вариант C).

Официальное пояснение ГЭЦ (13.07.2025)

… 1 моль Al → 1,5 моль H₂27 г3 г Согласно приведённой схеме, если в реакцию вступает 27 г Al, масса раствора увеличивается на 24 грамма. 27 г Al------------------ масса раствора увеличивается на 24 г x г Al--------------------масса раствора увеличивается на 8 г x=9Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, IV группа специальностей (PDF)

Проверь себя

Сколько граммов цинка должно прореагировать с соляной кислотой, чтобы выделилось 2,24 л (н. у.) водорода?

n(H₂) = 2,24 : 22,4 = 0,1 моль = n(Zn); m = 0,1 · 65.

Глава 2

Свойства водорода. Гремучий газ

В химических реакциях водород обычно восстановитель (H0 → H+1): чистый водород спокойно горит бледным пламенем, 2H₂ + O₂ → 2H₂O, выделяя много теплоты. А смесь водорода с кислородом при поджигании взрывается. Сильнее всего взрывается смесь водорода и кислорода в объёмном отношении 2 : 1.

Гремучий газ

Гремучий газ — смесь 2 объёмов водорода и 1 объёма кислорода. При поджигании она со взрывом превращается в воду. Поэтому перед поджиганием водорода проверяют его чистоту: пробирку, повёрнутую вверх дном, подносят к пламени — глухой хлопок означает чистый водород, лающий взрыв — водород с примесью воздуха.

Анимация · 2H₂ + O₂ → 2H₂OИскра разрывает связи, атомы перегруппировываются: 2 молекулы H₂ и 1 молекула O₂ дают 2 молекулы воды. Число атомов и масса сохраняются: 4 г водорода соединяются с 32 г кислорода — массовое отношение 1 : 8.Химические свойства водорода

• с неметаллами (восстановитель): H₂ + Cl₂ hν→ 2HCl, N₂ + 3H₂ Fe, t, p⇄ 2NH₃, H₂ + S t→ H₂S;
• с оксидами металлов — восстанавливает металл: CuO + H₂ t→ Cu + H₂O, WO₃ + 3H₂ t→ W + 3H₂O;
• с активными металлами образует гидриды — здесь водород окислитель: 2Na + H₂ → 2NaH−1, Ca + H₂ → CaH₂;
• с органическими веществами — гидрирование: C₂H₄ + H₂ Ni, t→ C₂H₆ (так из растительных масел получают маргарин).

Восстановительные свойства водорода видны, если пропускать его над нагретым оксидом меди(II): чёрный порошок превращается в красную медь, у холодного конца трубки появляются капли воды.

Анимация · водород восстанавливает медь из оксидаCu⁺² + 2e⁻ → Cu⁰ (восстановление), H₂⁰ − 2e⁻ → 2H⁺¹ (окисление). Так в металлургии получают вольфрам и молибден.Пример 2

Сколько литров (н. у.) водорода нужно для полного восстановления 8 г оксида меди(II) и сколько граммов меди получится? Mr(CuO) = 80.

1. n(CuO) = 8 : 80 = 0,1 моль; по уравнению CuO + H₂ → Cu + H₂O все три вещества в отношении 1 : 1 : 1.
2. V(H₂) = 0,1 · 22,4 = 2,24 л; m(Cu) = 0,1 · 64 = 6,4 г.
3. Ответ: 2,24 л H₂; 6,4 г Cu.

В лаборатории наполни эвдиометр (толстостенную градуированную трубку) водородом и кислородом и дай искру. В каком отношении смесь реагирует полностью? Что остаётся в избытке?

Лаборатория · гремучий газV(H₂), мл6V(O₂), мл5Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025

Какие соотношения верны? Aᵣ(O)=16, Aᵣ(H)=1- I. b = 2a- II. a = 2b- III. d = 8c- IV. c = 8d- V. d = 4c

Рисунок меняется вместе с шагами.A) I, IIIB) I, IVC) II, IVD) II, IIIE) I, V

1. Гремучий газ — 2 объёма H₂ и 1 объём O₂. По закону Авогадро отношение объёмов газов равно отношению их количеств.Почему так?

   В равных объёмах при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

2. a = n(O₂) = 1 моль, b = n(H₂) = 2 моль: b = 2a — I верно, II неверно.
3. c = m(O₂) = 1 · 32 = 32 г, d = m(H₂) = 2 · 2 = 4 г: c = 8d — IV верно; III и V неверны.Почему так?

   Хотя отношение количеств 1 : 2, молекула кислорода в 16 раз тяжелее: отношение масс 32 : 4 = 8 : 1.

4. Ответ: I, IV (вариант B).

Официальное пояснение ГЭЦ (01.06.2025)

Смесь 2 объёмов H₂ и 1 объёма O₂ называется «гремучим газом»:a = 1 моль c = 1 · 32 = 32 гb = 2 моль d = 2 · 2 = 4 г I. верно; b = 2a IV. верно; c = 8dИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, I группа специальностей (PDF)

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025

Если 7 моль X₂ и 3 моль Y₂ полностью вступят в реакцию, сколько моль одного из исходных веществ останется в избытке?

Рисунок меняется вместе с шагами.A) 1B) 4C) 2D) 5E) 3

1. Прибор 1: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑; газ собирают под водой — X₂ = H₂.
2. Прибор 2: 2KMnO₄ t→ K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ — Y₂ = O₂.
3. 2H₂ + O₂ → 2H₂O: с 3 моль O₂ реагирует 2 · 3 = 6 моль H₂. 7 > 6 — водород в избытке, кислород расходуется полностью.Почему так?

   Чтобы найти избыток, по количеству одного вещества вычисли, сколько нужно другого, и сравни с данным.

4. Остаётся: 7 − 6 = 1 моль H₂.
5. Ответ: 1 (вариант A).

Официальное пояснение ГЭЦ (13.07.2025)

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ (X₂) 2 KMnO₄ t→ K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ (Y₂) … Согласно уравнению, при полной реакции 7 моль H₂ и 3 моль O₂ весь кислород расходуется, и 1 моль H₂ (7-6=1) остаётся в избыткеИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, I группа специальностей (PDF)

Применение. Из водорода синтезируют аммиак и хлороводород, восстанавливают из оксидов вольфрам и молибден, превращают растительные масла в маргарин. Жидкий водород — ракетное топливо; в топливных элементах водород даёт электроэнергию, образуя только воду, — перспективное направление «зелёной» энергетики.

Проверь себя

Смесь 4 л водорода и 3 л кислорода взорвали и привели к исходным условиям (вода — жидкость). Сколько литров газа осталось?

2H₂ + O₂: с 4 л H₂ реагируют 2 л O₂.

Глава 3

Кислород: получение, свойства, применение

История

Днём во дворе младший брат падает с велосипеда и сдирает колено. Мама достаёт из аптечки коричневый флакон — 3 %-ный раствор перекиси водорода — и поливает ссадину. Рана покрывается белой пеной и шипит.

Ученик спрашивает: какой газ образует пену? Мама говорит, что фермент крови разлагает перекись, а выделяющийся газ очищает рану. Если на рану вылили 34 г раствора и вся перекись разложилась, сколько миллилитров (н. у.) газа выделилось?

Капли перекиси падают на ссадину, пена растёт, поднимаются пузырьки кислорода.

Кислород — самый распространённый элемент земной коры (около 49 % по массе): он входит в состав воды, песка, глины, горных пород. 21 % объёма воздуха — свободный кислород. Электронная формула атома 1s²2s²2p⁴; в молекуле O₂ двойная связь. Кислород — бесцветный газ без запаха, немного тяжелее воздуха (32 : 29 ≈ 1,1), мало растворим в воде (но достаточно для дыхания рыб); при −183 °C превращается в бледно-голубую жидкость.

Получение кислорода

• В лаборатории — разложение кислородсодержащих соединений: 2KMnO₄ t→ K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑, 2KClO₃ MnO₂, t→ 2KCl + 3O₂↑, 2H₂O₂ MnO₂→ 2H₂O + O₂↑, 2KNO₃ t→ 2KNO₂ + O₂↑, 2HgO t→ 2Hg + O₂↑;
• В промышленности — фракционная перегонка жидкого воздуха: сначала испаряется азот (−196 °C), затем кислород (−183 °C); а также электролиз воды.

Кислород тяжелее воздуха — его собирают в сосуд отверстием вверх (вытесняя воздух), или вытеснением воды. Кислород узнают по тлеющей лучинке: в кислороде она ярко вспыхивает.

Анимация · кислород из перманганата калияНагретый KMnO₄ выделяет кислород; газ идёт под сосуд в воде и вытесняет воду. Тлеющая лучинка в сосуде с кислородом вспыхивает — это качественная реакция на кислород.История

Вопрос про ссадину. Фермент крови каталаза, как MnO₂ в лаборатории, ускоряет разложение перекиси: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. m(H₂O₂) = 34 · 0,03 = 1,02 г, n(H₂O₂) = 1,02 : 34 = 0,03 моль, кислорода вдвое меньше: n(O₂) = 0,015 моль, V(O₂) = 0,015 · 22,4 = 0,336 л = 336 мл. Это около полутора стаканов газа! Пена поднимает грязь из раны, а кислород губит микробов, живущих без воздуха.

Пример 3

Полностью разлагают 31,6 г KMnO₄ и 24,5 г KClO₃ (с MnO₂). Из какого вещества получится больше кислорода? Mr(KMnO₄) = 158, Mr(KClO₃) = 122,5.

1. n(KMnO₄) = 31,6 : 158 = 0,2 моль; 2KMnO₄ → … + O₂: n(O₂) = 0,1 моль, V = 2,24 л.
2. n(KClO₃) = 24,5 : 122,5 = 0,2 моль; 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂: n(O₂) = 0,3 моль, V = 6,72 л.Почему так?

   В KMnO₄ в O₂ переходит лишь часть кислорода (2 атома из 8 на 2 молекулы); в KClO₃ — все 3 атома.

3. Ответ: из KClO₃ втрое больше — 6,72 л (из KMnO₄ 2,24 л).

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026

Сколько моль O₂ образуется при полном термическом разложении 2 моль KNO₃?

A) 1B) 2C) 0,5D) 3E) 1,52KNO₃ t→ 2KNO₂ + O₂↑2 моль → 1 моль

1. Нитраты активных металлов (K, Na) при нагревании разлагаются на нитрит и кислород: 2KNO₃ t→ 2KNO₂ + O₂↑.Почему так?

   Степени окисления: N⁺⁵ + 2e⁻ → N⁺³, 2O⁻² − 4e⁻ → O₂⁰ — внутримолекулярная ОВР.

2. По уравнению из 2 моль KNO₃ получается 1 моль O₂.
3. Ответ: 1 (вариант A).

Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)

Запишем реакцию разложения KNO₃, … 2KNO₃ t→ 2KNO₂ + O₂ по уравнению реакции из 2 моль KNO₃ получается 1 моль O₂.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)

Химические свойства кислорода (сильный окислитель)

• с металлами: 2Mg + O₂ → 2MgO, 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃, 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄, 2Cu + O₂ t→ 2CuO; золото, серебро и платина с кислородом не реагируют;
• с неметаллами: C + O₂ → CO₂, S + O₂ → SO₂, 4P + 5O₂ → 2P₂O₅; с азотом — только при очень высокой температуре и в молнии: N₂ + O₂ ⇄ 2NO; с галогенами напрямую не реагирует;
• со сложными веществами: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, 2CO + O₂ → 2CO₂, 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O, 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O, с катализатором 4NH₃ + 5O₂ Pt→ 4NO + 6H₂O.

Реакцию веществ с кислородом, идущую с выделением света и теплоты, называют горением, медленную (ржавление, окисление питательных веществ в клетке — дыхание) — медленным окислением. Кислород применяют в медицине, при сварке и резке металлов (ацетилен-кислородное пламя ~3000 °C), в сталеварении, в ракетных двигателях (жидкий кислород).

Проверь себя

2 моль KClO₃ полностью разлагаются в присутствии MnO₂. Сколько моль кислорода получится?

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂.

Глава 4

Озон. Аллотропия

История

Вечером в Баку начинается гроза. Ученик выходит на балкон и смотрит на огни приморского города: небо белеет от молний, гремит гром. После дождя воздух необычно свежий, с лёгким «металлическим» запахом.

Этот запах — озон, газ, образующийся из кислорода при электрическом разряде молнии. Пусть из 100 л кислорода в зоне разряда 6 л превратились в озон. Каким станет объём газа и какова объёмная доля озона в смеси?

Дождь и молния; в круге три молекулы кислорода превращаются в две молекулы озона.Аллотропия

Образование одним химическим элементом нескольких простых веществ называют аллотропией, а эти вещества — аллотропными видоизменениями. Элемент кислород образует два простых вещества: кислород O₂ и озон O₃. Аллотропы есть и у углерода (алмаз, графит), серы, фосфора.

Молекула озона угловая (~117°). Это бледно-голубой газ с резким запахом, в 1,5 раза тяжелее кислорода (M = 48 г/моль), лучше растворяется в воде, в высоких концентрациях ядовит. Озон — более сильный окислитель, чем кислород: он легко распадается, O₃ → O₂ + O, а атомарный кислород очень активен. Озон образуется при электрическом разряде, в молнии и в стратосфере под действием ультрафиолета Солнца: 3O₂ ⇄ 2O₃ − Q.

Анимация · озонатор: 3O₂ → 2O₃Из каждых 3 молекул кислорода получаются 2 молекулы озона: число атомов и масса сохраняются, а число молекул, а значит и объём, уменьшается в отношении 3 : 2.Свойства и применение озона

• окисляет иодид калия — иодкрахмальная бумага синеет (обнаружение озона): 2KI + O₃ + H₂O → I₂ + 2KOH + O₂;
• окисляет серебро, которое не окисляется кислородом: 2Ag + O₃ → Ag₂O + O₂;
• озоновый слой на высоте 20–25 км защищает живое от ультрафиолета; фреоны его разрушают;
• применяется для обеззараживания питьевой воды и воздуха, для отбеливания.

История

Вопрос про грозу. 3O₂ → 2O₃: из 6 л кислорода получается 6 · 2 : 3 = 4 л озона. В смеси остаётся 100 − 6 = 94 л O₂ и 4 л O₃, объём 94 + 4 = 98 л — уменьшился на 2 л. Объёмная доля озона: φ(O₃) = 4 : 98 ≈ 0,041 = 4,1 %. Масса не меняется, поэтому плотность смеси растёт. Концентрация озона в воздухе очень мала — его «свежесть» — лишь хорошо ощутимый запах.

Пример 4

После пропускания 12 л кислорода через озонатор объём стал 11 л. Сколько литров озона образовалось и какова его объёмная доля в смеси?

1. 3O₂ → 2O₃: каждые 3 л O₂ дают 2 л O₃, объём уменьшается на 1 л.Почему так?

   Уменьшение объёма ΔV = 3 − 2 = 1 — это «одна порция»: на сколько литров уменьшился объём, столько «порций» прореагировало.

2. Объём уменьшился на 12 − 11 = 1 л → израсходовано 3 л O₂, образовалось 2 л O₃.
3. φ(O₃) = 2 : 11 ≈ 0,182 = 18,2 %.
4. Ответ: 2 л O₃; φ ≈ 18,2 %.

Проверь себя

Объёмная доля озона в озонированном кислороде 25 %. Вычислите среднюю молярную массу смеси (г/моль).

M = 0,25 · 48 + 0,75 · 32.

Глава 5

Вода: строение и свойства

Молекула воды угловая (угол H–O–H 104,5°) и полярная: на атоме кислорода частичный отрицательный, на атомах водорода — частичный положительный заряд. Водород одной молекулы притягивается к кислороду соседней — возникает водородная связь. Поэтому вода, в отличие от почти вдвое более тяжёлого H₂S (M = 34 г/моль), при обычных условиях жидкость и кипит при 100 °C.

Анимация · вода замерзает: почему лёд плавает?При охлаждении плотность воды растёт до 4 °C, затем уменьшается. При замерзании молекулы водородными связями выстраиваются в ажурную шестиугольную решётку, объём растёт примерно на 9 % (на рисунке это увеличение для наглядности преувеличено): лёд (0,92 г/см³) плавает, водоёмы не промерзают до дна.

Вода — бесцветная жидкость без запаха, замерзает при 0 °C, кипит при 100 °C (при нормальном давлении). Теплоёмкость воды велика — Каспий летом медленно нагревается, зимой медленно остывает и смягчает климат побережья. Вода — лучший растворитель. Состав воды доказывают двумя путями: анализом — разложением электролизом, и синтезом — получением из гремучего газа.

Анимация · электролиз водыНа катоде выделяется водород, на аноде — кислород; их объёмы относятся как 2 : 1 — в молекуле воды на один атом кислорода приходятся два атома водорода.Химические свойства воды

• активные металлы (Na, K, Ca) при обычных условиях дают щёлочь и водород: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑, Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑; железо — только раскалённое с водяным паром: 3Fe + 4H₂O t→ Fe₃O₄ + 4H₂; Cu, Ag, Au с водой не реагируют;
• оксиды активных металлов дают щёлочи: CaO + H₂O → Ca(OH)₂; кислотные оксиды дают кислоты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄, P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ (SiO₂ с водой не реагирует);
• с неметаллами: 2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂, Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO, C + H₂O t→ CO + H₂; сера с водой не реагирует;
• с солями образует кристаллогидраты: CuSO₄·5H₂O (медный купорос).

Пример 5

4,6 г натрия реагируют с водой. Сколько литров (н. у.) водорода выделится и сколько граммов щёлочи образуется? Ar(Na) = 23.

1. 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑; n(Na) = 4,6 : 23 = 0,2 моль.
2. n(H₂) = 0,2 : 2 = 0,1 моль, V = 2,24 л; n(NaOH) = 0,2 моль, m = 0,2 · 40 = 8 г.Почему так?

   На 2 моль Na приходится 1 моль H₂: каждый атом натрия отдаёт один электрон, а для молекулы H₂ нужно два.

3. Ответ: 2,24 л H₂; 8 г NaOH.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026

Какие реакции протекают при определённых условиях?1. X+Cu →2. Y+CO →3. X+S→4. Y+NH₃ →5. X+F₂ →

Рисунок меняется вместе с шагами.A) 2, 4, 5B) 1, 2, 5C) 1, 2, 3D) 3, 4, 5E) 1, 3, 4

1. По схеме Y получается и при разложении KMnO₄, и при разложении KClO₃ (с MnO₂): 2KMnO₄ t→ K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂, 2KClO₃ MnO₂, t→ 2KCl + 3O₂ — Y = O₂.
2. X при электролизе даёт O₂ и образуется в реакции KClO₃ + HCl — X = H₂O: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Внимание: в пояснении ГЭЦ уравнение KClO₃ + HCl не уравнено (справа 5KCl); верно: KClO₃ + 6HCl → KCl + 3Cl₂↑ + 3H₂O.Почему так?

   Проверка: K 1 = 1; Cl 1 + 6 = 1 + 6; H 6 = 6; O 3 = 3.

3. 1 (H₂O + Cu) и 3 (H₂O + S) — реакция не идёт: медь малоактивна, сера с водой не реагирует.
4. 2: 2CO + O₂ → 2CO₂; 4: 4NH₃ + 5O₂ Pt→ 4NO + 6H₂O; 5: 2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂ — все три протекают.Почему так?

   Фтор — более сильный окислитель, чем кислород: он вытесняет кислород воды в виде O₂.

5. Ответ: 2, 4, 5 (вариант A).

Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)

2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ … 2H₂O → 2H₂ + O₂ Значит, вещество X — H₂O, вещество Y — O₂. 1. H₂O + Cu → реакция не идёт 2. O₂+ 2CO → 2CO₂ 3. H₂O + S → реакция не идёт 4. 5O₂+ 4NH₃ → 4NO + 6H₂O 5. 2H₂O+ 2F₂ → 4HF + O₂Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF)

Проверь себя

При электролизе воды на аноде собрано 5,6 л (н. у.) кислорода. Сколько литров водорода собрано на катоде?

2H₂O → 2H₂ + O₂: V(H₂) = 2 · V(O₂).

Практикум

Тренировка на экзаменационных заданиях

Эти задания взяты из экзаменов ГЭЦ. Сначала реши сам, затем открой «Ответ и пояснение ГЭЦ».

ГЭЦ · 07.06.2026

С какими металлами кислород не взаимодействует?

A) Mg, FeB) Mg, KC) Ag, AuD) Na, CaE) K, CaОтвет и пояснение ГЭЦ

Ответ: Ag, Au (вариант C).

Газ кислород не вступает в реакцию с Ag, Au и Pt.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)

Итоги

Запомни

• Водород в лаборатории получают из активного металла и разбавленной кислоты (Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑) или из Al и щёлочи, в промышленности — из метана и электролизом; собирают в сосуд вверх дном или вытеснением воды.
• Водород обычно восстановитель (CuO + H₂ → Cu + H₂O), с активными металлами в гидридах (NaH) — окислитель.
• Гремучий газ — 2H₂ + O₂ (по объёму 2 : 1, по массе 1 : 8); избыток определяй по уравнению.
• Кислород получают разложением KMnO₄, KClO₃ (MnO₂), H₂O₂, KNO₃, в промышленности — из жидкого воздуха; собирают отверстием вверх, узнают по тлеющей лучинке.
• Кислород реагирует с большинством металлов (кроме Au, Ag, Pt), с неметаллами и сложными веществами; горение и медленное окисление.
• Аллотропия: O₂ и O₃; 3O₂ ⇄ 2O₃ — масса сохраняется, объём уменьшается 3 : 2; озон — более сильный окислитель.
• Вода — полярная угловая молекула, водородные связи; наибольшая плотность при 4 °C, лёд легче; реагирует с активными металлами, оксидами, F₂; при электролизе V(H₂) : V(O₂) = 2 : 1.

Типичные ошибки

«Водород можно получить из любой кислоты любым металлом».

Только металлы, стоящие до водорода, вытесняют его из разбавленных HCl и H₂SO₄; HNO₃ и концентрированная H₂SO₄ водорода не дают.

«Кислород тоже собирают в сосуд вверх дном».

Кислород тяжелее воздуха (32 > 29) — его собирают отверстием вверх; вверх дном собирают лишь газы легче воздуха (H₂, NH₃).

«При превращении кислорода в озон масса уменьшается, ведь уменьшается объём».

Масса сохраняется, уменьшается число молекул: 3 молекулы O₂ → 2 молекулы O₃; плотность растёт.

«Вода плотнее всего при 0 °C, лёд тяжелее воды».

Наибольшая плотность воды — при 4 °C; плотность льда 0,92 г/см³, он плавает.

Итоги

Самостоятельная работа

Задания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.

1 · Уровень 1

Какой газ собирают в сосуд, перевёрнутый вверх дном?

Водород в 14,5 раза легче воздуха и поднимается вверх.

2 · Уровень 1

Какое вещество — аллотропное видоизменение кислорода?

Аллотропы — простые вещества одного элемента: O₂ и O₃.

3 · Уровень 2

Какой металл при обычных условиях реагирует с водой с образованием щёлочи и водорода?

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑; железо реагирует только раскалённое с водяным паром.

4 · Уровень 2

Взято по 1 моль каждого вещества. При полном разложении какого получится больше всего кислорода?

1 моль KClO₃ → 1,5 моль O₂; из остальных — по 0,5 моль.

5 · Уровень ГЭЦ

Смесь 10 л водорода и 10 л кислорода взорвали и привели к исходным условиям (вода — жидкость). Что осталось?

С 10 л H₂ реагирует 5 л O₂; остаётся 10 − 5 = 5 л O₂.

6 · Уровень ГЭЦ

Средняя молярная масса озонированного кислорода 40 г/моль. Какова объёмная доля озона?

48x + 32(1 − x) = 40 → 16x = 8 → x = 0,5.

Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):

1. 01.06.2025, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 80; B-76, C-66, D-63
2. 13.07.2025, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 71; B-74, C-68, D-66
3. 13.07.2025, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 47; B-43, C-43, D-32
4. 07.06.2026, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 66; B-62, C-75, D-80
5. 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 49; B-47, C-39, D-49
6. 12.07.2026, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 82; B-64, C-75, D-77; вариант A, 85; B-84, C-84, D-83

История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.