RUMyNfu2GRUYU1

Zdjęcie przedstawia stojącą na stole szklankę do połowy napełnioną wodą mineralną i pływającymi w niej kostkami lodu i plastrem limonki. W tle zdjęcia w obszarze nieostrości znajdują się pusta szklanka i inne nierozpoznawalne przedmioty.

1. Budowa cząsteczki wody

Woda jest substancją zbudowaną z cząsteczek. Każdą cząsteczkę tworzą dwa atomy wodoru połączone z jednym atomem tlenu. Pomiędzy atomami tlenu i wodoru występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane. Atomy wodoru i tlenu nie leżą w jednej linii, wiązania pomiędzy nimi tworzą kąt około 104,5°.

RiQAyqc1am5ag1

Ilustracja przedstawia rysunkowy model cząsteczki wody składający się z większej czerwonej kulki symbolizującej atom tlenu i dwóch połączonych z nią mniejszych szarych kulek symbolizujących atomy wodoru. Model zorientowany jest tlenem w górę, a wodorem w dół i zaakcentowana jest w nim kątowy układ powiązań pomiędzy atomami za sprawą którego atomy wodoru leżą bardzo blisko siebie, prawie się stykając. Na model nałożony jest wzór strukturalny cząsteczki wody.

RIwnUYtOZLJne1

Ilustracja przedstawia wzór elektronowy kreskowy cząsteczki wody. Można z niego odczytać, że każdy z atomów wodoru połączony jest z atomem tlenu jedną parą elektronową, a sam atom tlenu ma ponadto dwie własne zamknięte pary elektronowe.

2. Cząsteczka wody jest polarna

W cząsteczce wody atom tlenu ma silniejsze zdolności do przyciągania elektronów niż atom wodoru, dlatego wspólne pary elektronowe są przesunięte w kierunku atomu tlenu. Z tego względu jądro atomu wodoru jest częściowo „odsłonięte”, jego dodatni ładunek nie jest w pełni „zobojętniony” przez ujemny ładunek elektronu. Atom wodoru zyskuje ładunek dodatni, którego wartość jest mniejsza od elementarnego ładunku dodatniego (ładunku protonu), stanowi tylko jego część, dlatego mówi się, że na atomie wodoru występuje cząstkowy ładunek dodatni. Przy atomie tlenu występuje nadmiar ładunku ujemnego, a jego wartość jest mniejsza od ładunku elektronu.

R3lZz4QSU5xeu1

Ilustracja przedstawia zapisaną strukturalnie cząsteczkę wody. Symbol atomu tlenu pośrodku planszy, symbole atomów wodoru po bokach poniżej, pojedyncze kreski symbolizujące wiązania. U góry planszy czerwony napis Cząstkowy ładunek ujemny i czerwona strzałka prowadząca do symbolu tlenu. U dołu planszy zielony napis Cząstkowy ładunek dodatni i zielone strzałki prowadzące do symboli wodoru.

R1Yq2vfyUD9za1

Gąsienica żeruje na liściach, przemieszcza sięWidok na wzór strukturalny cząsteczki wody. W tym wzorze wiązania zamieniają się na strzałki (przezroczyste), pod którymi widać, że wiązania łączące atomy, przesuwają się w kierunku atomu tlenu (nieznacznie). Przy atomach wodoru (każdym z nich) pojawia się zapis: cząstkowy ładunek dodatni.

Gąsienica żeruje na liściach, przemieszcza sięWidok na wzór strukturalny cząsteczki wody. W tym wzorze wiązania zamieniają się na strzałki (przezroczyste), pod którymi widać, że wiązania łączące atomy, przesuwają się w kierunku atomu tlenu (nieznacznie). Przy atomach wodoru (każdym z nich) pojawia się zapis: cząstkowy ładunek dodatni.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Gąsienica żeruje na liściach, przemieszcza sięWidok na wzór strukturalny cząsteczki wody. W tym wzorze wiązania zamieniają się na strzałki (przezroczyste), pod którymi widać, że wiązania łączące atomy, przesuwają się w kierunku atomu tlenu (nieznacznie). Przy atomach wodoru (każdym z nich) pojawia się zapis: cząstkowy ładunek dodatni.

3. Zachowanie się cząsteczek w różnych stanach skupienia wody

Jak wiemy, ładunki różnoimienne (dodatni i ujemny) wzajemnie się przyciągają. Tak dzieje się również w przypadku cząsteczek wody – atom wodoru jednej cząsteczki może oddziaływać elektrostatycznie z atomem tlenu drugiej cząsteczki. Takie zjawisko można wyraźnie zaobserwować w wodzie w stanie ciekłym i stałym. W wodzie w fazie ciekłej obok wolnych cząsteczek występują także ich skupiska, które tworzą się właśnie dzięki przyciąganiu elektrostatycznemu. Skupiska te nie są trwałe. Jedne cząsteczki uwalniają się z nich, inne zaś dołączają do układu. W stanie stałym cząsteczki wody dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym tworzą stosunkowo trwałe struktury.

Zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w większe układy złożone z dwóch lub większej liczby cząstek w wyniku elektrostatycznych oddziaływań nosi nazwę asocjacjiasocjacjaasocjacji.

4. Jak polarna budowa cząsteczek wody wpływa na gęstość tej substancji?

Polarna budowa cząsteczek wody ma swoje konsekwencje – są nimi właściwości fizyczne wody. Zazwyczaj jest tak, że w ciele stałym drobiny znajdują się bliżej siebie niż w cieczy i substancja w stanie stałym ma większą gęstość niż w stanie ciekłym. W przypadku wody cząsteczki w fazie stałej tworzą struktury, które pozostawiają dużo wolnej przestrzeni, przez co odległości między cząsteczkami są większe w lodzie niż w wodzie. Z tego powodu lód ma mniejszą gęstość niż woda ciekła.

R7SOvztTTX4hC1

Zdjęcie przedstawia krajobraz podbiegunowy. Daleko w tle spowite w cieniu ośnieżone wzgórza i zachmurzone niebo, plan bliższy oświetlony przez promienie Słońca. Na pierwszym planie równy ośnieżony teren przechodzi w duże fragmenty kry lodowej unoszącej się na powierzchni spokojnego morza. Na krze widać tropy zwierząt, co pozwala ocenić powierzchnię pojedynczych kawałków na kilka metrów kwadratowych.

Niska w stosunku do gęstości ciekłej wody, gęstość lodu ma bardzo ważne znaczenie dla istnienia życia wodnego na Ziemi. Lód, który tworzy się na powierzchni wody, izoluje jej głębsze warstwy i chroni je przed zamarzaniem. Umożliwia w ten sposób egzystencję organizmom wodnym w czasie mrozów.

RB6hSF0hofIQ21

Chem_1_40_7_przekroj_jeziora

Ciekawostka

Klatraty metanu
Cząsteczki wody mogą tworzyć regularne struktury w postaci klatek, w których uwięzione są inne małe cząsteczki substancji. Powstałe kryształy nazywane są klatratami. Największe zainteresowanie wzbudzają klatraty metanu, czyli struktury lodu, w których uwięziony jest metan, główny składnik gazu ziemnego. Nazywane są metanowym lodem. Ich największe pokłady znajdują się na dnie mórz i oceanów, a także pod wieczną zmarzliną. Metanowy lód utworzył się pod wpływem wysokiego ciśnienia wody i metanu pochodzącego z beztlenowego rozkładu materii organicznej. Podejmowane są próby pozyskania z klatratów metanu jako cennego paliwa. Naukowcy pracują nad nowymi technologiami, które umożliwiłyby wydobycie metanu. Jednocześnie ekolodzy ostrzegają, że eksploatacja złóż klatratów mogłaby zaburzyć stabilność dna morskiego i wywołać pośrednio wiele niepożądanych zmian w środowisku.

RthWzZF4cTp3N1

Ilustracja przedstawia malowidło wykonane na bazie fotografii wydobytego z morza klatratu metanu. Substancja biała o nieregularnej budowie kojarzącej się nieco z plastrem miodu z uwagi na komórkową strukturę. Rozmiar bryły około 15 centymetrów średnicy, jest trzymana w dłoniach pokrytych mułem, podobnie jak dolna część bryły.

5. Jak polarna budowa cząsteczek wody wpływa na temperaturę topnienia i wrzenia tej substancji?

Przypomnienie – stany skupienia

Zrozumienie właściwości fizycznych wody będzie łatwiejsze, jeśli przypomnimy sobie kilka faktów na temat stanów skupienia materii. W ciele stałym drobiny substancji są położone blisko siebie i nie przemieszczają się. W cieczy drobiny znajdują się w większych odległościach od siebie, poruszają się i zderzają się ze sobą bardzo często. Gdy substancja jest w stanie gazowym, jej drobiny znajdują się daleko od siebie, przemieszczają się po torach prostych i z uwagi na dostępną wolną przestrzeń rzadziej zderzają niż w stanie ciekłym.

R99mpxYtNcmPy1

Ilustracja przedstawia schemat skupienia cząstek w trzech różnych stanach skupienia. Jest podzielony na trzy części, w których na tle szarych prostokątów znajduje się układ kul symbolizujących cząsteczki substancji. W polu po lewej symbolizującym stan stały, jak głosi podpis pod prostokątem, drobiny są upakowane gęsto i nie przemieszczają się. W polu środkowym, opisującym stan ciekły, drobiny substancji znajdują się dalej od siebie niż w ciele stałym. Poruszają się i bardzo często zderzają się ze sobą. Pole po prawej stronie opisuje stan gazowy, gdzie drobiny są od siebie oddalone, swobodnie poruszają się po torach prostych i zderzają się ze sobą rzadziej, niż w cieczach.

Gdy substancja zmienia swój stan skupienia ze stałego w ciekły, a następnie gazowy, musi być dostarczana energia po to, by cząsteczki mogły się od siebie oddalić. Im więcej energii należy dostarczyć, tym substancja ma wyższą temperaturę topnienia i wrzenia.

Podczas przechodzenia lodu w ciecz cząsteczki wody muszą uwolnić się od odziaływań elektrostatycznych, a następnie otrzymać energię, która pozwoli im na przemieszczanie się. Podobnie podczas parowania cząsteczki wody muszą uzyskać energię potrzebną do pokonania sił elektrostatycznych oraz niezbędną do oddalenia się od siebie na duże odległości i poruszania się. Dlatego woda ma stosunkowo wysoką temperaturę topnienia i wrzenia. Znacznie wyższą niż substancje o podobnej budowie, których cząsteczki nie oddziałują między sobą, np. chlorowodór ($\text{HCl}$) czy siarkowodór (${\text{H}}_{\text{2}}\text{S}$).

6. Składniki roztworu wodnego

Wiemy już, że mieszaniny jednorodne to takie, których składników nie można rozróżnić gołym okiem lub za pomocą prostych przyrządów optycznych. Nazywa się je roztworami właściwymi, rzeczywistymi lub – ogólnie – roztworami. Wszystkie roztwory składają się z następujących składników: rozpuszczalnikarozpuszczalnikrozpuszczalnika i substancji rozpuszczonychsubstancja rozpuszczonasubstancji rozpuszczonych.

R1qyozK1m9vqE1

Czarno-białe zdjęcie przedstawia szklankę z wodą stojącą na płaskiej, jasnej powierzchni. Zawartość szklanki jest klarowna, woda wygląda na idealnie czystą.

7. Badanie rozpuszczalności różnych substancji w wodzie

Różne substancje mają różną zdolność do mieszania się z wodą. Są takie, które rozpuszczają się w wodzie bardzo dobrze i tworzą z nią roztwory właściwe, na przykład chlorek sodu czy sacharoza (główny składnik cukru spożywczego). Istnieją też i takie substancje, które wykazują słabą zdolność do mieszania się z wodą i tworzą w niej zawiesiny, na przykład: skrobia ziemniaczana, krzemionka (piasek), kreda. Podczas próby rozpuszczenia białka kurzego w wodzie otrzymamy roztwór koloidalny.

8. Jakie procesy mogą zachodzić podczas rozpuszczania substancji w wodzie?

Woda jest najbardziej rozpowszechnionym rozpuszczalnikiem zarówno w przyrodzie, jak i w laboratoriach.
Wiele substancji, które tworzą w wodzie roztwory właściwe, ulega podczas rozpuszczania różnym procesom.

RPZ189UvbGgn71

Widok na torebkę z cukrem pod nią etykieta: sacharoza – składnik cukru spożywczego. Obok na szalce Petriego jest próbka cukru. Na tle próbki widać wzór cząsteczki sacharozy, który zmienia się w model. Obraz poruszających się cząsteczek wody, które poruszają się po liniach prostych od zderzenia do zderzenia. Cząsteczki wody są dość blisko siebie (ale na odległość większą niż 2 – 5 długości samej cząsteczki wody).Po zderzeniu zmieniają tor ruchu. Do nich wpadają skupiska (po kilka) cząsteczek sacharozy. Natychmiast są otaczane przez cząsteczki wody i rozdzielane od siebie. Każda z cząsteczek sacharozy jest otoczona przez cząsteczki wody.

Widok na torebkę z cukrem pod nią etykieta: sacharoza – składnik cukru spożywczego. Obok na szalce Petriego jest próbka cukru. Na tle próbki widać wzór cząsteczki sacharozy, który zmienia się w model. Obraz poruszających się cząsteczek wody, które poruszają się po liniach prostych od zderzenia do zderzenia. Cząsteczki wody są dość blisko siebie (ale na odległość większą niż 2 – 5 długości samej cząsteczki wody).Po zderzeniu zmieniają tor ruchu. Do nich wpadają skupiska (po kilka) cząsteczek sacharozy. Natychmiast są otaczane przez cząsteczki wody i rozdzielane od siebie. Każda z cząsteczek sacharozy jest otoczona przez cząsteczki wody.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Widok na torebkę z cukrem pod nią etykieta: sacharoza – składnik cukru spożywczego. Obok na szalce Petriego jest próbka cukru. Na tle próbki widać wzór cząsteczki sacharozy, który zmienia się w model. Obraz poruszających się cząsteczek wody, które poruszają się po liniach prostych od zderzenia do zderzenia. Cząsteczki wody są dość blisko siebie (ale na odległość większą niż 2 – 5 długości samej cząsteczki wody).Po zderzeniu zmieniają tor ruchu. Do nich wpadają skupiska (po kilka) cząsteczek sacharozy. Natychmiast są otaczane przez cząsteczki wody i rozdzielane od siebie. Każda z cząsteczek sacharozy jest otoczona przez cząsteczki wody.

Woda rozpuszcza substancje, które tak jak ona są polarne. Ponadto dobrze rozpuszcza większość związków jonowych. Polarne związki kowalencyjne mogą zachowywać się różnie w wodzie: niektóre pozostają w niej jako cząsteczki (np. sacharoza), inne zaś mogą ulec pod jej wpływem rozpadowi na jony (np. chlorowodór). Związki jonowe, jeśli rozpuszczają się w wodzie, podczas mieszania się z nią ulegają rozpadowi, a jony z sieci krystalicznej przechodzą do roztworu.

9. Jakie rodzaje mieszanin mogą się tworzyć podczas próby rozpuszczania różnych substancji w wodzie?

Nie wszystkie substancje dobrze rozpuszczają się w wodzie i tworzą roztwory właściwe. Niektóre z nich nie ulegają pod wpływem wody rozpadowi do pojedynczych drobin, ale tworzą w wodzie większe skupiska. W zależności od wielkości powstałych cząstek ich mieszaniny z wodą mają różne nazwy: koloid (roztwór koloidalny) lub zawiesina.

R11MrFR9en4aj1

Schemat przedstawia podział mieszanin ze względu na wielkość cząstek substancji rozpuszczonej w cieczy. Ma postać tak zwanego odwróconego drzewa. U góry schematu znajduje się pojedyncze prostokątne ciemnobrązowe pole z napisem Mieszaniny. Odchodzą od niego dwie strzałki do położonych w środkowej linijce dwóch jbrązowych prostokątnych pól oznaczonych jako: Mieszanina jednorodna po lewej stronie planszy i Mieszaniny niejednorodne po stronie prawej. Po stronie lewej od Mieszanin jednorodnych odchodzi strzałka w dół do jasnobrązowego prostokątnego pola z tekstem: mieszanina jednorodna, wielkość cząsteczek mniejsza od jednego nanometra. Po stronie prawej od Mieszanin niejednorodnych odchodzą dwie strzałki w dół do dwóch jasnobrązowych prostokątnych pól. Pole środkowe opisane jest tekstem: koloid, czyli roztwór koloidalny. Wielkość cząsteczek zawiera się w przedziale od jednego do dwustu nanometrów. Pole po stronie prawej opisane jest tekstem: zawiesiny, wielkość cząsteczek jest większa od dwustu nanometrów.

Podsumowanie

• Woda jest substancją polarną. Na atomie tlenu znajduje się cząstkowy ładunek ujemny, na atomach wodoru – dodatni.

• Cząsteczki wody w wodzie w fazie ciekłej oddziałują ze sobą: atom wodoru jednej cząsteczki oddziałuje elektrostatycznie z atomem tlenu drugiej cząsteczki i obok wolnych cząsteczek występują ich skupiska, które utrzymują się dzięki przyciąganiu elektrostatycznemu.

• Cząsteczki wody w lodzie tworzą uporządkowane struktury, w których są od siebie oddalone na większą odległość niż w wodzie w stanie ciekłym. Lód ma mniejszą gęstość niż woda.

• W roztworach właściwych wyróżniamy rozpuszczalnik, który znajduje się w przewadze w stosunku do substancji rozpuszczonej.

• Woda rozpuszcza substancje, które tak jak ona są polarne. Rozpuszcza też większość związków jonowych.

Słowniczek

Zadania