Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
Rid8q4RDaaqBC

Water and its properties – molecular structure

Water droplet
Source: domena publiczna.

Link to the lesson

Before you start you should know
  • that water at room temperature is a colorless and odorless liquid;

  • that water is a chemical compound made up of particles;

  • that polar covalent bonds are present between the hydrogen atoms and the oxygen atom in water molecule;

  • that water circulating in nature forms solutions of various chemical composition.

You will learn
  • to explain the term “polarity of the water molecule”;

  • to present the interactions between water molecules;

  • to carry out an experiment, the purpose of which is to investigate whether a given substance is soluble in water or not.

R6CJFCVBntO0w
Nagranie dźwiękowe abstraktu.

The structure of the water molecule

Water is a substance made of molecules. Each molecule consists of two hydrogen atoms connected with one oxygen atom. Oxygen and hydrogen atoms are connected by polar covalent bonds. Hydrogen and oxygen atoms do not lie along one line, the bonds between them form an angle of about 104.5 °.

R17gYxpbVIm8v
Task 1

Why is the water molecule polar? Write your suggested explanation here or in your notebook.

RqKjY8aAknUCw
The water molecule is polar because (Uzupełnij).
R5qEDk7jg6Voo
Partial positive and negative charges caused by the shift of bonding electron pairs in the water molecule - partial charges, the negative one on the oxygen atom and the positive ones on hydrogen atoms balance one another and the water molecule is electrically neutral

The behaviour of water molecules in various states of matter

As we know, opposite (positive and negative) charges attract each other. This is also the case with water molecules – the hydrogen atom of one molecule can interact electrostatically with an oxygen atom of the other molecule. This phenomenon can be clearly observed in water in liquid and solid state. In water in the liquid phase, apart from free molecules, there are also clusters of molecules that form exactly in the result of electrostatic attraction. These clusters are not permanent. Some molecules are released from them, while others join the system. In the solid state, water molecules, due to electrostatic interactions, form relatively stable structures.

The phenomenon of particles (molecules, ions, atoms) interconnecting to form larger systems composed of two or more particles as a result of electrostatic interactions is called associationassociationassociation.

How does the polar structure of water molecules affect the density of this substance?

Task 2

Read the information in the table below and indicate the discrepancy between the description typical for many substances and the model of packing the molecules for water.

Rc6JgwJT9T3XC
W tym miejscu przedstawione są informacje dotyczące typowego uporządkowania indywiduów w różnych stanach skupienia. Informacja: Particle arrangement in the solid state. In the solid state, particles of the substance are located close to each other and do not move. Informacja: Particle arrangement in the liquid state. In the liquid state, the particles are located at greater distances from one another, they move and collide with one another very often. Trzecia ilustracja przedstawia zdjęcie chmur na niebie. Podana jest informacja: Particle arrangement in the gaseous state. When the substance is in the gaseous state, its particles are located far away from one another, they travel along straight tracks and because of the available free space they collide less frequently than in the liquid state. Czwarta ilustracja przedstawia model cząsteczek wody w różnych stanach skupienia. W stanie gazowym cząsteczki wody są ułożone w dużej odległości od siebie. W stanie ciekłym cząsteczki wody ułożone są blisko siebie. W stanie stałym molekuły wody tworzą uporządkowaną strukturę, a odległości pomiędzy cząsteczkami są większe niż w wodzie ciekłej . Obok modelu znajduje się informacja: The model of packing of molecules in water. The model of packing of particles of a substance in the a) solid, b) liquid, c) gaseous state
The model of packing of particles of a substance in the a) solid, b) liquid, c) gaseous state

The polar structure of water molecules has its consequences – the physical properties of water. Usually, the particles in solids are closer to each other than in liquids, and a substance in the solid state has a higher density than in the liquid state. In the case of water, solid phase molecules form structures that leave a lot of free space; this is why the distances between particles are larger in ice than in water. For this reason ice has a lower density than water in the liquid state.

State

Density

water in the solid state at 0°C

0,917 gcm3

water in the liquid state at approx. 4°C

1,000 gcm3

Task 3

Look at the interactive diagram. What is the importance of the ice density, which is low comparing to the density of water in the liquid state, for the aquatic life on Earth?

Rs1SewoQ8CKvV
Ilustracja przedstawia rysunek: zimowy krajobraz. Widoczny jest ląd pokryty śniegiem oraz staw przykryty lodem, który jest ukazany tak, że widać jego dno oraz pływające w nim ryby i roślinność. Na ilustracji znajdują się informacje o temperaturze panującej na lądzie i w wodzie na różnych jej głębokościach. Temperatura na lądzie wynosi minus 10 stopni Celsjusza. Niedaleko powierzchni wody temperatura wody wynosi zero stopni Celsjusza. Im niżej, tym temperatura jest wyższa: kolejno wynosi jeden stopień, dwa, trzy. Na samym dnie zbiornika temperatura wynosi cztery stopnie Celsjusza. Na ilustracji interaktywnej umieszczone są cztery cyfry, po których kliknięciu pojawiają się następujące informacje: 1. Ice sheet. Ice that forms on the water surface insulates deeper water layers and protects them against freezing. 2. Ice – why doesn’t it sink? Because water reaches the highest density at 4ºC, its further cooling or heating decreases its density. As a result, ice is light and floats on water, while normally other solids always sink in the liquids forming when they melt. 3. Water density and temperature. Water reaches the highest density at 4ºC – it sinks to the bottom and as a result deep water tanks have a temperature close to 4°C. In winter, water at the bottom of the tank always has a temperature of 4°C, allowing the fish to survive this period. 4. Snow protection Snow deposited on ice may create additional thermal insulation for a lake or pond during winter. This protects the aquatic flora and fauna against excessively low temperatures.

How does the polar structure of water molecules affect the melting and boiling point of this substance?

Understanding the physical properties of water will be easier if we recall a few facts about the states of matter.

When a substance changes its state from solid to liquid and then gaseous, energy must be supplied so that molecules can move away from each other. The more energy has to be supplied, the higher the melting point and the boiling point of the substance.

As ice passes into liquid, water molecules must free themselves from electrostatic interactions and then obtain energy that will allow them to move. Similarly, during vaporization, water molecules must obtain the energy needed to overcome electrostatic forces and necessary to move away from each other over long distances and to move around. Therefore, water has relatively high melting and boiling point. Much higher than substances with a similar structure, with molecules that do not interact with one another, e.g. hydrogen chloride (HCl) or hydrogen sulfide (H2S).

Substance name

Molecular formula

Melting point

Boiling point

water

H2O

0°C

100°C

hydrogen chloride

HCl

-114°C

-85°C

hydrogen sulfide

H2S

-82°C

-60°C

R14r5aSlTYANo
Exercise 1
Odpowiedz na pytania lub uzupełnij tekst. 1. The boiling point of the water depends on it uzupełnij, 2. The transition of water from the gaseous state into the liquid state, uzupełnij 3. The transition of water from the solid state to the gaseous state, uzupełnij 4. E.g. the state of matter, color, density, melting point, boiling point are uzupełnij properties, uzupełnij 5. It covers about ¾ of the surface of the globe, uzupełnij 6. The transition of water from the gaseous state into the solid state, uzupełnij 7. The boiling is uzupełnij that occurs throughout the water volume, uzupełnij 8. The element whose atoms are of the smallest atomic mass, which is part of the structure of the water molecule uzupełnij

Summary

  • Water is a polar substance. There is a partial negative charge on the oxygen atom, while on hydrogen atoms – positive one.

  • Water molecules in water in the liquid phase interact with one another: the hydrogen atom of one molecule interacts electrostatically with the oxygen atom of the other molecule, and next to the free molecules there are clusters of molecules that persist due to electrostatic attraction.

  • Water molecules in ice form ordered structures in which they are at greater distances from one another than in water in the liquid state. Ice has lower density than water.

  • Water dissolves substances that are also polar. It also dissolves most of the ionic compounds.

R1epOMt7HJSvC1
Grafika przedstawiająca tablicę szkolną, na której znajdują się zdania do dokończenia. Finish selected sentences. 1 It was easy for me (uzupełnij). 2 It was difficult for me (uzupełnij). 3 Today I learned (uzupełnij). 4 I understood that (uzupełnij). 5 It surprised me (uzupełnij).
Source: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Homework
Task 4.1

Compare the boiling and melting points of water and, for example, hydrogen sulfide. Think about it and answer whether hydrogen sulfide molecules interact with one another electrostatically?

Keywords

association, dipole, states of matter, polar substance

R1OgAeggo2vbL
Exercise 2
Match the pairs: English words with Polish definition. association Możliwe odpowiedzi: 1. układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych (dodatniego i ujemnego); cząsteczka o nierównomiernym rozłożeniu cząstkowych ładunków dodatnich i ujemnych powstałych na skutek przesunięcia wspólnych par elektronowych pomiędzy atomami tworzącymi cząsteczkę, 2. substancja zbudowana z cząsteczek, które są dipolami, 3. składnik roztworu; najczęściej jest to substancja występująca w przewadze, 4. składnik roztworu, substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku, 5. zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w wyniku elektrostatycznych oddziaływań w większe układy złożone z dwóch lub większej liczby cząstek dipole Możliwe odpowiedzi: 1. układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych (dodatniego i ujemnego); cząsteczka o nierównomiernym rozłożeniu cząstkowych ładunków dodatnich i ujemnych powstałych na skutek przesunięcia wspólnych par elektronowych pomiędzy atomami tworzącymi cząsteczkę, 2. substancja zbudowana z cząsteczek, które są dipolami, 3. składnik roztworu; najczęściej jest to substancja występująca w przewadze, 4. składnik roztworu, substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku, 5. zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w wyniku elektrostatycznych oddziaływań w większe układy złożone z dwóch lub większej liczby cząstek solvent Możliwe odpowiedzi: 1. układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych (dodatniego i ujemnego); cząsteczka o nierównomiernym rozłożeniu cząstkowych ładunków dodatnich i ujemnych powstałych na skutek przesunięcia wspólnych par elektronowych pomiędzy atomami tworzącymi cząsteczkę, 2. substancja zbudowana z cząsteczek, które są dipolami, 3. składnik roztworu; najczęściej jest to substancja występująca w przewadze, 4. składnik roztworu, substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku, 5. zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w wyniku elektrostatycznych oddziaływań w większe układy złożone z dwóch lub większej liczby cząstek polar substance Możliwe odpowiedzi: 1. układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych (dodatniego i ujemnego); cząsteczka o nierównomiernym rozłożeniu cząstkowych ładunków dodatnich i ujemnych powstałych na skutek przesunięcia wspólnych par elektronowych pomiędzy atomami tworzącymi cząsteczkę, 2. substancja zbudowana z cząsteczek, które są dipolami, 3. składnik roztworu; najczęściej jest to substancja występująca w przewadze, 4. składnik roztworu, substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku, 5. zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w wyniku elektrostatycznych oddziaływań w większe układy złożone z dwóch lub większej liczby cząstek solute Możliwe odpowiedzi: 1. układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych (dodatniego i ujemnego); cząsteczka o nierównomiernym rozłożeniu cząstkowych ładunków dodatnich i ujemnych powstałych na skutek przesunięcia wspólnych par elektronowych pomiędzy atomami tworzącymi cząsteczkę, 2. substancja zbudowana z cząsteczek, które są dipolami, 3. składnik roztworu; najczęściej jest to substancja występująca w przewadze, 4. składnik roztworu, substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku, 5. zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w wyniku elektrostatycznych oddziaływań w większe układy złożone z dwóch lub większej liczby cząstek

Glossary

association
association
RJl26Zke8xwFK
Nagranie dźwiękowe słówka.

asocjacja – zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w wyniku elektrostatycznych oddziaływań w większe układy złożone z dwóch lub większej liczby cząstek

dipole
dipole
R1e7StKexomyc
Nagranie dźwiękowe słówka.

dipol – układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych (dodatniego i ujemnego); cząsteczka o nierównomiernym rozłożeniu cząstkowych ładunków dodatnich i ujemnych powstałych na skutek przesunięcia wspólnych par elektronowych pomiędzy atomami tworzącymi cząsteczkę

solvent
solvent
RTTzQ56ATAwPW
Nagranie dźwiękowe słówka.

rozpuszczalnik – składnik roztworu; najczęściej jest to substancja występująca w przewadze

polar substance
polar substance
RG3gMUA7yoNsT
Nagranie dźwiękowe słówka.

substancja polarna – substancja zbudowana z cząsteczek, które są dipolami

solute
solute
RQcUB5Og8FFqK
Nagranie dźwiękowe słówka.

substancja rozpuszczona – składnik roztworu, substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku