9 клас НУШ. З'ясовуємо, чому вода розчиняє речовини та який зв'язок називають водневим

Молекула води має унікальну будову, яка визначає її надзвичайні властивості. Атом Оксигену в молекулі H₂O утворює два ковалентні полярні зв'язки з атомами Гідрогену. Ці зв'язки розташовані під кутом 104,45°, що надає молекулі кутової будови.

Оскільки Оксиген є більш електронегативним елементом, спільні електронні пари зміщуються до нього. Внаслідок цього:

• Атом Оксигену набуває часткового негативного заряду (δ⁻)

• Кожен атом Гідрогену набуває часткового позитивного заряду (δ⁺)

Оскільки обидва атоми Гідрогену розміщені по один бік від атома Оксигену, молекула має два електричні полюси. Таку молекулу називають електричним диполем.

Водневий зв'язок — це особливий тип хімічного зв'язку, що утворюється завдяки електростатичному притяганню між:

• Частково позитивно зарядженим атомом Гідрогену однієї молекули

• Частково негативно зарядженим атомом Оксигену (або іншого сильно електронегативного елемента: F, N, Cl) іншої молекули

• Приблизно в 10 разів слабший за ковалентний зв'язок

• Може бути міжмолекулярним (між різними молекулами) або внутрішньомолекулярним (усередині однієї молекули)

• Позначається трьома крапками: H···O

• Суттєво впливає на властивості речовин

• Відносно висока температура кипіння (+100 °С)

• Рідкий агрегатний стан за звичайних умов

• Здатність розчиняти багато речовин

Чому молекулу води називають диполем?

Які елементи, крім Оксигену, можуть брати участь у утворенні водневого зв'язку?

Як водневий зв'язок впливає на температуру кипіння води?

Механізм розчинення речовин у воді

Вода є універсальним розчинником завдяки дипольній будові своїх молекул. Розглянемо процес розчинення на прикладі кухонної солі (натрій хлориду NaCl).

Етапи розчинення йонної речовини:

1.Орієнтація диполів води навколо йонів кристалічної решітки:

а) Навколо катіонів Na⁺ диполі води повертаються до них атомами Оксигену (δ⁻)

б) Навколо аніонів Cl⁻ диполі води повертаються до них атомами Гідрогену (δ⁺)

2.Руйнування йонного зв'язку: Сила притягання одного йона до кількох полярних молекул води виявляється більшою за силу притягання між йонами у кристалі

3.Гідратація йонів: Йони переходять у розчин, оточені молекулами води (утворюють гідратовані йони)

Типи розчинів за складом

Ненасичений розчин — розчин, у якому за певних умов (температури, тиску) можна розчинити додаткову порцію речовини.

Насичений розчин — розчин, у якому розчинена речовина за певної температури й тиску більше не розчиняється.

Приклад: За температури +20 °С у 100 г води розчиняється максимум 35,9 г кухонної солі (насичений розчин). За +100 °С розчинність збільшується до 38,9 г.

Розчинність — це здатність речовини розчинятися у воді або іншому розчиннику з утворенням істинного розчину. Кількісно її виражають як максимальну масу речовини (або об'єм газу), що може розчинитися в 100 г розчинника за певних умов.

Класифікація речовин за розчинністю (за температури +20 °С):

Фактори, що впливають на розчинність:

1. Температура (для більшості твердих речовин розчинність зростає з підвищенням температури)

2. Тиск (для газів)

3. Природа розчинника та розчиненої речовини.

Чому диполі води по-різному орієнтуються навколо катіонів і аніонів?

Як відрізнити насичений розчин від ненасиченого?

Які речовини розчиняються у воді краще — з йонним чи ковалентним неполярним зв'язком? Чому?

Уважно прочитайте текст й дайте відповідь. Прикріпіть відповіді із зошиту до відповідного поля.

Молекула води H₂O має незвичайну будову. Атом Оксигену в центрі молекули утворює два ковалентні полярні зв'язки з атомами Гідрогену під кутом 104,45°. Завдяки високій електронегативності Оксигену, електронна густина зміщується до нього, і атом Оксигену набуває часткового негативного заряду δ⁻, а атоми Гідрогену — часткового позитивного заряду δ⁺. Оскільки обидва атоми Гідрогену знаходяться з одного боку від атома Оксигену, молекула має два електричні полюси і називається диполем.

Саме завдяки дипольній будові молекули води можуть притягуватися одна до одної. Атом Гідрогену (δ⁺) однієї молекули притягується до атома Оксигену (δ⁻) іншої молекули, утворюючи водневий зв'язок. Хоча цей зв'язок слабший за ковалентний приблизно в 10 разів, саме він визначає унікальні властивості води: високу температуру кипіння, рідкий стан за звичайних умов і здатність розчиняти багато речовин.

1.Який кут утворюють зв'язки O-H в молекулі води?

А) 90°

Б) 104,45°

В) 120°

Г) 180°

2.Яким символом позначають частковий позитивний заряд атома Гідрогену?

А) δ⁻

Б) δ⁺

В) +1

Г) 0

3.Поясни, чому молекулу води називають диполем. Використай у відповіді поняття "електронегативність" та "заряд".

4.Проаналізуй, як би змінилися властивості води, якби атоми Гідрогену в молекулі розташовувалися з протилежних боків від атома Оксигену (під кутом 180°). Чи була б така молекула диполем? Обґрунтуй свою відповідь.

Уважно прочитайте текст й дайте відповідь. Прикріпіть відповіді із зошиту до відповідного поля.

Учень Максим вирішив провести дослід: він узяв три склянки з водою (по 100 г у кожній) за температури +20 °С. У першу склянку він додав 10 г кухонної солі, у другу — 35 г солі, а в третю — 40 г солі. Перемішавши вміст кожної склянки, Максим помітив, що в першій та другій склянках сіль розчинилася повністю, а в третій склянці на дні залишився осад нерозчиненої солі масою близько 4 г.

Максим знав, що розчинність кухонної солі за +20 °С становить 35,9 г на 100 г води. Він вирішив нагріти воду в третій склянці до +100 °С, знаючи, що за цієї температури розчинність солі зростає до 38,9 г. Після нагрівання весь осад розчинився.

Повернувши розчин до температури +20 °С, Максим очікував, що знову утвориться осад, але цього не сталося. Розчин залишився прозорим, хоча в ньому було розчинено 36 г солі — більше, ніж становить розчинність за цієї температури.

1.Який розчин у досліді Максима був насиченим за температури +20 °С до нагрівання?

А) Перший (10 г солі)

Б) Другий (35 г солі)

В) Третій (40 г солі)

Г) Жоден

2.Скільки грамів солі залишилося нерозчиненими в третій склянці до нагрівання?

А) 1 г

Б) 4 г

В) 5,9 г

Г) 10 г

3.Розрахуй, скільки грамів кухонної солі потрібно додати до 250 г води за температури +20 °С, щоб отримати насичений розчин. (Розчинність = 35,9 г на 100 г води)

4.Максим отримав стабільний розчин із вмістом солі 36 г на 100 г води за температури +20 °С, що перевищує розчинність. Який тип розчину він отримав? Поясни механізм утворення такого розчину та чому він залишився стабільним після охолодження.

Уважно прочитайте текст й дайте відповідь. Прикріпіть відповіді із зошиту до відповідного поля.

Уявімо процес розчинення кристала кухонної солі NaCl у воді на молекулярному рівні. Кристал складається з йонів Na⁺ та Cl⁻, розташованих у певному порядку. Коли кристал потрапляє у воду, полярні молекули води (диполі) починають оточувати йони на поверхні кристала.

Диполі води орієнтуються особливим чином: навколо катіонів Na⁺ молекули води повертаються атомами Оксигену (які мають δ⁻), а навколо аніонів Cl⁻ — атомами Гідрогену (які мають δ⁺). Один йон оточується кількома молекулами води одночасно.

Сила притягання між йоном і кількома диполями води виявляється більшою за силу притягання між йонами Na⁺ та Cl⁻ у кристалі. Тому йонний зв'язок у кристалі руйнується, і йони, оточені молекулами води (гідратовані йони), переходять у розчин. Процес триває до тих пір, поки не утвориться насичений розчин або не розчиниться весь кристал.

1.Якою частиною молекули води (атомом Оксигену чи атомом Гідрогену) диполі повертаються до катіонів Na⁺?

А) Атомом Оксигену

Б) Атомом Гідрогену

В) Обома однаково

Г) Це не має значення

2.Як називають йони, оточені молекулами води?

А) Вільні йони

Б) Гідратовані йони

В) Кристалічні йони

Г) Нейтральні йони

3.Поясни, чому рослинна олія (речовина з неполярними молекулами) не розчиняється у воді.

4.Проаналізуй, як зміниться процес розчинення, якщо замість води використати неполярний розчинник (наприклад, бензен). Чи зможе бензен розчинити кухонну сіль? Обґрунтуй свою відповідь, порівнюючи властивості води та бензену.

ЦІКАВІ ФАКТИ

1. Водневі зв'язки утворюються не тільки між молекулами води, а й у багатьох біологічних молекулах (білках, ДНК), визначаючи їхню структуру та функції

2. Завдяки водневим зв'язкам лід легший за воду, що дозволяє водоймам не промерзати до дна взимку

3. Унікальні властивості води, зумовлені водневими зв'язками, зробили можливим виникнення життя на Землі

Домашнє завдання. Підготувати коротку презентацію на тему "Водневий зв'язок у природі та повсякденному житті". Надішліть її своєму вчителю.