⚡

Διάσπαση του Νερού — Στοιχεία και Ενώσεις

Ηλεκτρόλυση του νερού, σταθερή σύσταση, χημικά στοιχεία και ενώσεις, φυσικές σταθερές, μείγμα ή ουσία

Μπορεί το νερό να γίνει δύο αέρια;

Φαίνεται απίθανο, αλλά με ηλεκτρικό ρεύμα το νερό διασπάται σε δύο αέρια: ένα που αναζωπυρώνει τη φλόγα και ένα που εκρήγνυται με κρότο. Οι αλχημιστές πάσχιζαν για αιώνες να φτιάξουν χρυσάφι από άλλα υλικά και απέτυχαν. Σήμερα ξέρουμε γιατί: υπάρχουν ουσίες που διασπώνται και ουσίες που δεν διασπώνται ποτέ.

Η ηλεκτρολυτική διάσπαση του νερού

Στη συσκευή Hofmann βάζουμε νερό (με λίγο θειικό οξύ για να περνά το ρεύμα) και κλείνουμε το κύκλωμα. Πάνω από τα ηλεκτρόδια μαζεύονται δύο αέρια:

Το αέριο με τον μικρότερο όγκο αναφλέγει ένα μισοσβησμένο ξυλάκι (παρασχίδα): είναι το οξυγόνο.
Το αέριο με τον διπλάσιο όγκο δίνει κρότο μικρής έκρηξης όταν το πλησιάσει φλόγα: είναι το υδρογόνο.

Συμπεράσματα:

Το νερό είναι σύνθετη ουσία: διασπάται σε δύο απλούστερες.
Ο όγκος του υδρογόνου είναι διπλάσιος από τον όγκο του οξυγόνου.
Η μάζα του οξυγόνου είναι οκταπλάσια από τη μάζα του υδρογόνου — σε κάθε ποσότητα νερού. Το νερό έχει σταθερή σύσταση.

$V_{\text{υδρογόνου}} = 2 \cdot V_{\text{οξυγόνου}} \qquad \frac{m_{\text{οξυγόνου}}}{m_{\text{υδρογόνου}}} = \frac{8}{1}\ \ (\text{στο νερό})$

Χημικές ενώσεις και χημικά στοιχεία

Χημική ένωση: κάθε ουσία που έχει σταθερή σύσταση και διασπάται σε απλούστερες ουσίες (νερό, διοξείδιο του άνθρακα, αλάτι ή χλωριούχο νάτριο, ζάχαρη, οινόπνευμα).
Χημικό στοιχείο: ουσία που δεν διασπάται σε απλούστερες (υδρογόνο, οξυγόνο, χρυσός). Από τα στοιχεία φτιάχνονται οι ενώσεις.

Τα περισσότερα στοιχεία είναι μέταλλα (σίδηρος, χαλκός, χρυσός, άργυρος, υδράργυρος, αργίλιο ή αλουμίνιο, μόλυβδος). Άλλα είναι αμέταλλα (οξυγόνο, υδρογόνο, άζωτο, άνθρακας, θείο).

Στοιχεία και ενώσεις μαζί λέγονται (χημικές) ουσίες. Προσοχή: μια ένωση δεν είναι μείγμα των στοιχείων της — είναι νέα ουσία με εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Το νερό σβήνει τη φωτιά, ενώ το υδρογόνο καίγεται και το οξυγόνο τη συντηρεί.

Γρήγορος έλεγχος

Ποια από τις παρακάτω ουσίες είναι χημικό στοιχείο;

Φυσικές σταθερές: ουσία ή μείγμα;

Θερμαίνουμε απιονισμένο νερό: η θερμοκρασία ανεβαίνει και στους 100 °C σταθεροποιείται όσο βράζει. Θερμαίνουμε αλατόνερο: δεν βράζει σε σταθερή θερμοκρασία — καθώς φεύγει νερό, αλλάζει η περιεκτικότητα και ανεβαίνει το σημείο βρασμού.

Γενικά: οι χημικές ουσίες έχουν σταθερά σημεία τήξεως και ζέσεως (φυσικές σταθερές), ενώ τα μείγματα όχι. Έτσι αναγνωρίζουμε μια ουσία και ελέγχουμε αν ένα δείγμα είναι καθαρό.

Μείγμα, ένωση, στοιχείο — οι διαφορές

Ανάλυση: το μείγμα διαχωρίζεται με απόσταξη, διήθηση κ.λπ.· η ένωση διασπάται σε στοιχεία· το στοιχείο δεν διασπάται.
Ιδιότητες: στο μείγμα τα συστατικά κρατούν πολλές ιδιότητές τους· η ένωση έχει τελείως διαφορετικές από τα στοιχεία της· το στοιχείο έχει καθορισμένες.
Ποσοτική σύσταση: στο μείγμα ποικίλλει· στην ένωση και στο στοιχείο είναι σταθερή.
Φυσικές σταθερές: στο μείγμα εξαρτώνται από τη σύσταση· στην ένωση και στο στοιχείο είναι πάντα ίδιες.

Μέθοδος: προβλήματα σταθερής σύστασης

Γράψε την αναλογία μαζών της ένωσης (π.χ. νερό: οξυγόνο : υδρογόνο $= 8 : 1$ ).
Στήσε αναλογία με τη μάζα που ξέρεις: « $8\ \text{g}$ οξυγόνου με $1\ \text{g}$ υδρογόνου, $x$ g οξυγόνου με ; g υδρογόνου».
Μάζα ένωσης = άθροισμα μαζών των στοιχείων της.
Για όγκους αερίων στην ηλεκτρόλυση: υδρογόνο = 2 × οξυγόνο.

Παράδειγμα — πόσο υδρογόνο και οξυγόνο; Διασπάμε πλήρως $18\ \text{g}$ νερού.

Λύση: Αναλογία $8 : 1$ , δηλαδή σε κάθε $9\ \text{g}$ νερού υπάρχουν $8\ \text{g}$ οξυγόνο και $1\ \text{g}$ υδρογόνο. Τα $18\ \text{g}$ είναι 2 τέτοιες «δόσεις»: $2\ \text{g}$ υδρογόνο και $16\ \text{g}$ οξυγόνο.

Έλεγχος: $2 + 16 = 18\ \text{g}$ ✓ και $16 : 2 = 8 : 1$ ✓.

Παράδειγμα — ποια ουσία λιώνει; Μια στερεή ουσία λιώνει και η θερμοκρασία της μένει σταθερή στους 42 °C κατά την τήξη. Σημεία τήξεως: φαινόλη 41 °C, βενζοϊκός ανυδρίτης 42 °C, χλωροφαινόλη 43 °C, νιτροφαινόλη 45 °C.

Λύση: Το σταθερό σημείο τήξεως δείχνει ότι είναι καθαρή ουσία και ταυτίζεται με τα 42 °C.

Απάντηση: βενζοϊκός ανυδρίτης.

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: Το διοξείδιο του άνθρακα αποτελείται από άνθρακα και οξυγόνο με αναλογία μαζών άνθρακας : οξυγόνο $= 3 : 8$ . Μια ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα περιέχει $96\ \text{g}$ οξυγόνο. Σε μια ηλεκτρόλυση νερού συλλέχθηκαν $20\ \text{mL}$ οξυγόνο.

Ζητούμενα: (α) Πόσα g άνθρακα περιέχει το διοξείδιο του άνθρακα; (β) Πόση είναι η μάζα του; (γ) Πόσο υδρογόνο συλλέχθηκε στην ηλεκτρόλυση;

Λύση:

(α) $8\ \text{g}$ οξυγόνου ↔ $3\ \text{g}$ άνθρακα, άρα $96\ \text{g}$ ↔ $\dfrac{96 \cdot 3}{8} = 36\ \text{g}$ άνθρακα.

(β) $36 + 96 = 132\ \text{g}$ διοξειδίου του άνθρακα.

(γ) $V_{\text{υδρογόνου}} = 2 \cdot 20 = 40\ \text{mL}$ .

Απάντηση: $36\ \text{g}$ · $132\ \text{g}$ · $40\ \text{mL}$ .

Γρήγορος έλεγχος

Σε μια ηλεκτρόλυση νερού συλλέχθηκαν $30\ \text{mL}$ υδρογόνο. Πόσο οξυγόνο συλλέχθηκε;

Γρήγορος έλεγχος

Θερμαίνεις ένα διάφανο υγρό και διαπιστώνεις ότι βράζει σε θερμοκρασία που ανεβαίνει συνεχώς. Τι συμπεραίνεις;

Κόλπο μνήμης

Στην ηλεκτρόλυση θυμήσου «Η₂ διπλό»: ο όγκος του Υδρογόνου είναι διπλός — και το υδρογόνο έχει διπλό γράμμα στο νερό ( $H_2O$ : 2 υδρογόνα, 1 οξυγόνο). Στις μάζες όμως κερδίζει το οξυγόνο, 8 προς 1.

Ήξερες ότι;

Το όνομα υδρογόνο σημαίνει «αυτό που γεννά νερό» (ύδωρ + γεννώ). Προτάθηκε στο νέο σύστημα ονοματολογίας του Λαβουαζιέ και του Ντε Μορβό το 1787, λίγα χρόνια αφού ο Κάβεντις απέδειξε πειραματικά ότι το νερό σχηματίζεται όταν καίγεται ο «εύφλεκτος αέρας».

Πρόκληση

Δύο άγνωστα διάφανα υγρά Α και Β διασπάστηκαν πλήρως και έδωσαν μόνο υδρογόνο και οξυγόνο:

το Α έδωσε $4\ \text{g}$ υδρογόνο και $32\ \text{g}$ οξυγόνο,
το Β έδωσε $2\ \text{g}$ υδρογόνο και $32\ \text{g}$ οξυγόνο.

Ποιο είναι νερό; Τι μπορεί να είναι το άλλο;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Στο νερό ισχύει οξυγόνο : υδρογόνο $= 8 : 1$ .

Α: $32 : 4 = 8 : 1$ ✓ → νερό ( $36\ \text{g}$ ).
Β: $32 : 2 = 16 : 1$ ✗ → δεν είναι νερό, παρότι αποτελείται από τα ίδια στοιχεία.

Απάντηση: Το Α είναι νερό. Το Β είναι άλλη ένωση υδρογόνου–οξυγόνου με διαφορετική σταθερή σύσταση — π.χ. το υπεροξείδιο του υδρογόνου (το οξυζενέ) έχει ακριβώς αναλογία $16 : 1$ . Ίδια στοιχεία, άλλη αναλογία → άλλη ουσία.

Συνηθισμένα λάθη

«Η ένωση είναι μείγμα των στοιχείων της». Είναι νέα ουσία με διαφορετικές ιδιότητες και σταθερή σύσταση.
Αναλογία όγκων = αναλογία μαζών. Όγκοι στην ηλεκτρόλυση $2 : 1$ (υδρογόνο : οξυγόνο), μάζες $1 : 8$ .
Ποιο αέριο είναι ποιο: το οξυγόνο αναφλέγει τη μισοσβησμένη παρασχίδα, το υδρογόνο δίνει κρότο.
«Διάφανο = καθαρό». Το κριτήριο είναι το σταθερό σημείο βρασμού/τήξεως.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Ηλεκτρόλυση: νερό → υδρογόνο + οξυγόνο, με $V_{\text{υδρογόνου}} = 2V_{\text{οξυγόνου}}$ και μάζες οξυγόνο : υδρογόνο $= 8 : 1$ (σταθερή σύσταση).
Χημική ένωση: σταθερή σύσταση, διασπάται σε απλούστερες ουσίες· χημικό στοιχείο: δεν διασπάται.
Η ένωση έχει διαφορετικές ιδιότητες από τα στοιχεία της· δεν είναι μείγμα τους.
Οι ουσίες έχουν σταθερές φυσικές σταθερές (Σ.Τ., Σ.Ζ.)· τα μείγματα όχι.
Ανίχνευση: οξυγόνο → αναφλέγει παρασχίδα· υδρογόνο → κρότος.

Η ηλεκτρολυτική διάσπαση του νερού

Το αέριο με τον μικρότερο όγκο αναφλέγει ένα μισοσβησμένο ξυλάκι (παρασχίδα): είναι το οξυγόνο.

Το αέριο με τον διπλάσιο όγκο δίνει κρότο μικρής έκρηξης όταν το πλησιάσει φλόγα: είναι το υδρογόνο.

Συμπεράσματα:

Το νερό είναι σύνθετη ουσία: διασπάται σε δύο απλούστερες.

Ο όγκος του υδρογόνου είναι διπλάσιος από τον όγκο του οξυγόνου.

Η μάζα του οξυγόνου είναι οκταπλάσια από τη μάζα του υδρογόνου — σε κάθε ποσότητα νερού. Το νερό έχει σταθερή σύσταση.

Χημικές ενώσεις και χημικά στοιχεία

Χημική ένωση: κάθε ουσία που έχει σταθερή σύσταση και διασπάται σε απλούστερες ουσίες (νερό, διοξείδιο του άνθρακα, αλάτι ή χλωριούχο νάτριο, ζάχαρη, οινόπνευμα).

Χημικό στοιχείο: ουσία που δεν διασπάται σε απλούστερες (υδρογόνο, οξυγόνο, χρυσός). Από τα στοιχεία φτιάχνονται οι ενώσεις.