水的组成（二）

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✦ 水的组成（二）化学水的组成（二）单质

分子结构氢键反常性质极性分子

水的组成（二）

看懂水分子弯折构型与氢键网络，解释沸点、表面张力等反常特性

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分子结构氢键反常性质极性分子

水的组成（二）

看懂水分子弯折构型与氢键网络，解释沸点、表面张力等反常特性

1第 1 页 · 水的组成（二）

电解水

上一页我们知道了水由氢、氧两种元素组成。反过来问——能把水重新拆成氢气和氧气吗？能，靠电。本页主角：电解水。

电解水的本质

通电条件下把水分解为 H₂ 与 O₂，是电能转化为化学能的过程。

装置构成

电解槽、阴阳两电极、加电解质的水（如稀 H₂SO₄ 或 NaOH）以增强导电。

阴极（负极）

H⁺ 得电子被还原：4H⁺ + 4e⁻ = 2H₂↑，这里是出 H₂ 的一端。

阳极（正极）

OH⁻ 失电子被氧化：4OH⁻ − 4e⁻ = O₂↑ + 2H₂O，这里是出 O₂ 的一端。

产物比例

H₂ 是 O₂ 的两倍：V(H₂):V(O₂) = 2:1。

零件拆解流水线对应 →电解水装置

电流是动力源，两个电极是分拣口；进 H₂O，出料左 H₂、右 O₂

2\text{H}_2\text{O} \xlongequal{\text{通电}} 2\text{H}_2\uparrow + \text{O}_2\uparrow

2第 2 页 · 电解水

水的分解反应

上一页电解水把水'拆'成了两种气体。这一'拆'就是分解反应——四大基本反应类型之一。今天我们深入看清它。

分解反应

一种反应物分解为两种或多种生成物，形式上'一变多'

化学键重组

H-O键断裂，H原子两两结合成H-H键，O原子两两结合成O=O键

吸热反应

反应吸收能量，需通电或高温等条件才能发生

定量关系

2H₂O→2H₂+O₂，氢气与氧气体积比为2∶1

H和O组成的水分子家庭对应 →水的分解反应

'拆家'后H和O各自组队，分别组成氢气家庭(H₂)和氧气家庭(O₂)

2H_2O \xrightarrow{\text{通电}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow

3第 3 页 · 水的分解反应

水的生成反应

上一页我们知道，水电解会生成氢气和氧气。现在把过程倒过来：点燃氢气，氢与氧重新化合成水并放出热量。

反应本质

氢、氧原子重新组合成水分子

反应条件

氢气在氧气中点燃后燃烧

微粒比例

2个氢分子与1个氧分子反应，生成2个水分子

反应类型

两种反应物生成一种产物，属于化合反应，即“多变一”

典型应用

氢氧燃料电池的总体反应也生成水，并将化学能转化为电能

积木拼成模型对应 →氢氧生成水

氢、氧原子像积木块一样重新组合，产物只有一种，就是水

2\mathrm{H_2}+\mathrm{O_2}\overset{\text{点燃}}{\longrightarrow}2\mathrm{H_2O}

4第 4 页 · 水的生成反应

水分子结构

电解能把水拆成氢气和氧气，氢气燃烧又能生成水——这些反应的「幕后推手」就是水分子本身的结构：两个氢、一个氧，看似简单，背后的空间形状和电子分布决定了水的所有性质。

分子组成

一个氧原子 + 两个氢原子，化学式 H₂O

V 形空间构型

不是直线形，O—H 键之间键角约 104.5°

极性共价键

O 与 H 共享电子对，但电子偏向 O，呈两极

极性分子

氧端带负电性，氢端带正电性，整体呈极性

分子间氢键

分子间靠氢键相互吸引，造就高沸点等反常性质

条形磁铁对应 →极性水分子

两端一正一负，会吸引相邻分子反向端，正是极性体现

\text{H}_2\text{O} \quad \angle\text{H-O-H} \approx 104.5°

5第 5 页 · 水分子结构

化合物

水由氢和氧两种元素化合而成，这并不是个例。空气、蔗糖、食盐——这些看似不同的物质，背后藏着同一类身份。

定义

两种或两种以上元素经化学键结合而成的纯净物

三大特征

组成元素种类与比例固定；以化学键相连；性质不同于各单质

分类方式

按元素分为有机与无机化合物；按成键方式分离子与共价化合物

与混合物区别

能用化学式表示，各组分失去自身性质，要用化学方法才能分离

乐高拼装的模型对应 →化合物

不同零件（元素）拼成整体，拆开后还原零件，但整体已不是零件本身

6第 6 页 · 化合物

单质

电解水分解出氢气和氧气，它们都只由一种元素组成。化合物是不同元素'搭伙'，而它们是同种元素'独立存在'——这种纯净物叫做单质。

定义

由同种元素组成的纯净物

与化合物对比

化合物=不同元素结合；单质=同种元素独立存在

表示方法

金属/固体单质直接写元素符号，如 Fe、Cu；气体单质写分子式，如 O₂、H₂

典型实例

金属 Fe、Cu、Au；非金属 O₂、H₂、S；稀有气体 He、Ne

全员清一色的步兵班对应 →单质

单质=一种元素'独编'；化合物=多兵种'混编'

7第 7 页 · 单质

氧化物

上次说到化合物是「多元素组成的纯净物」。化合物里其实有「门派」之分——今天讲最常见的一类：氧化物。

化合物的子集

氧化物属于化合物，必须由两种元素组成，不能再多也不能再少

必含氧元素

两种元素中，氧是「固定成员」；另一种可以是金属或非金属

两类氧化物

金属氧化物如 Fe₂O₃、CuO；非金属氧化物如 CO₂、SO₂、H₂O

命名规则

读作「几氧化几某」，氧写右边，原子数标下标

二人组合里必须有某角色对应 →氧化物里必须有氧元素

化合物是「多元素团队」，氧化物是只许两种元素、且必须含氧的子集

8第 8 页 · 氧化物

氢元素

我们已经知道水电解能产生氢气，氢气由氢元素组成。但氢元素本身是什么？它在宇宙中扮演什么角色？为什么科学家如此关注它？

宇宙丰度第一

氢占宇宙可见物质质量的约75%，恒星主要由氢构成

最简单的原子

原子核仅含1个质子，核外1个电子，元素周期表1号

三种同位素

氕氘氚都含1个质子，中子数分别为0、1、2

清洁能源载体

燃烧只生成水，氢燃料电池是未来能源方向之一

宇宙的种子字母对应 →氢元素

氢是最简单的原子，大爆炸后最先形成，恒星聚变把它拼成更重的元素

^{1}_{1}\text{H},\ ^{2}_{1}\text{H},\ ^{3}_{1}\text{H}

9第 9 页 · 氢元素

氧元素

氢元素我们认识了——最轻、最小的选手。而水的另一位主角'氧'性格截然不同：活泼、爱'抢'电子，地壳中质量占比近一半，是名副其实的'地壳之王'。

发现简史

1770年代舍勒、普里斯特利先后制得，拉瓦锡命名为'oxygène'

化学性质

活泼非金属，强氧化性，能助燃、支持呼吸

水中角色

水中氧元素质量分数约89%，是水的'重量担当'

同素异形体

O₂（氧气）和O₃（臭氧），同元素不同单质

存在意义

地壳中含量最高的元素（约46%），生命与燃烧都离不开

社交牛人对应 →氧元素的化学活泼性

氧几乎能与所有其他元素'结交'生成氧化物，像社牛到处主动组局

\frac{16}{18}\times100\%\approx88.9\%

10第 10 页 · 氧元素

氢气

前面我们认识了氢元素——它藏在水里。但元素要'显形'，得有自己的存在方式。氢在自然界从不孤身一人，它总是两两牵手，组成一个极轻的分子——火箭推进剂、未来清洁能源的热门候选，都由它担纲。

分子构成

化学式 H₂，两个氢原子通过共用电子对结合，是自然界最简单、最小的分子

物理性质

无色无味；密度最小（约为空气的 1/14）；难溶于水；沸点约 -253 ℃

化学性质

可燃性：能在氧气中燃烧；还原性：高温下可从金属氧化物中夺取氧

典型应用

火箭推进剂、氢燃料电池（产物只有水）、工业制氨、食用油氢化、探空气球

两人各拿一球，凑近共享对应 →两H原子共用电子对

各出一个电子凑成一对，被两个原子共同拥有——这就是共价键的最简模型

2H_2 + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2H_2O

11第 11 页 · 氢气

本节要点

✓水由氢氧两种元素组成，质量比恒为1:8
✓一个水分子固定含2个H原子、1个O原子
✓化合物由多种元素组成，单质仅含一种
✓氧化物须同时满足含氧且只含两种元素
✓分解与化合是同一变化的两个相反方向

延伸主题：质量守恒定律化学反应的微观本质常见氧化物举例

12第 12 页 · 本节要点

课后思考

先独立写下判断和理由，再逐一对照参考答案；不必追求唯一答案，重在说清证据链。

1为什么电解水产生的氢气与氧气体积比约为2∶1？请从微观粒子角度解释。

参考答案水分子中氢、氧原子个数比为2∶1；电解时它们分别形成氢分子和氧分子。同温同压下，气体体积比等于分子数比，因此约为2∶1。

2若实验中氢气与氧气的体积比明显偏离2∶1，可能有哪些原因？如何设计对照实验排查？

参考答案优先检查装置气密性、是否充分电解、两种气体在水中溶解度不同，并校正温度、压强和读数时机；再用同条件纯水电解作对照。

3含氧化合物受热或通电时，产物中是否一定会有氧气？元素守恒能说明什么、不能单独说明什么？

参考答案不一定。元素守恒只能说明氧原子反应前后总数不变，它们可能进入O₂，也可能进入其他含氧产物；产物种类还要结合具体反应条件和物质性质判断。

13第 13 页 · 课后思考