Woda i jej właściwości
Woda jest najbardziej rozpowszechnionym, najbardziej znanym i jednocześnie najbardziej zagadkowym płynem na Ziemi, a możliwe, że nie tylko na tej planecie. Jej właściwości znacznie odbiegają od właściwości innych substancji o podobnej budowie. Z tego powodu woda w temperaturze pokojowej jest cieczą, co warunkuje właściwe funkcjonowanie organizmów żywych. Jakim cechom wody zawdzięczamy jej powszechną obecność w naszym życiu?
Aby zrozumieć zagadnienia poruszane w tym materiale, przypomnij sobie:
właściwości fizyczne wody;
budowę cząsteczki wody;
stany skupienia wody.
wyjaśniać polarną budowę cząsteczki wody;
przedstawiać zależność między stanami skupienia wody a oddziaływaniami pomiędzy cząsteczkami wody;
badać rozpuszczalność niektórych substancji w wodzie;
odróżniać roztwory właściwe, koloidalne i zawiesiny.
1. Budowa cząsteczki wody
Woda jest substancją zbudowaną z cząsteczek, a każdą z nich tworzą dwa atomy wodoru połączone z jednym atomem tlenu. Pomiędzy tymi atomami występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane. Atomy wodoru i tlenu nie leżą w jednej linii, zaś wiązania pomiędzy nimi tworzą kąt około 104,5°.
2. Polarność cząsteczki wody
W cząsteczce wody, pomiędzy atomami wodoru i tlenu, występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane.
Atom tlenu ma silniejsze zdolności do przyciągania elektronów niż atom wodoru, dlatego wspólne pary elektronowe są przesunięte w jego kierunku. Z tego względu jądro atomu wodoru jest częściowo „odsłonięte”, a jego dodatni ładunek nie jest w pełni „zobojętniony” przez ujemny ładunek elektronu.
Atom wodoru uzyskuje ładunek dodatni, którego wartość jest mniejsza od elementarnego ładunku dodatniego (ładunku protonu), stanowi tylko jego część.
Dlatego mówi się, że wokół atomu wodoru gromadzi się cząstkowy ładunek dodatni (oznaczany jako delta+ (czytaj: delta plus)). Natomiast wokół atomu tlenu gromadzi się cząstkowy ładunek ujemny (oznaczany jako delta- (czytaj: delta minus)), ponieważ jego wartość jest mniejsza od ładunku elektronu. Taka budowa powoduje, że cząsteczka wody jest biegunowa (polarnapolarna), czyli jest dipolemdipolem elektrycznym.
Obejrzyj poniższy film, a następnie narysuj lub zbuduj, przy użyciu modeli pręcikowo‑kulkowych lub plasteliny, model cząsteczki wody (ze wskazaniem cząstkowych ładunków delta+ oraz delta-).
Film dostępny pod adresem /preview/resource/Rcxttq8WnzY0s
W animacji przedstawiono cząsteczkę wody i omówiono, czym spowodowana jest jej polarność.
3. Zachowanie się cząsteczek wody w różnych stanach skupienia
Asocjacja cząsteczek wody
Ładunki różnoimienne (dodatni i ujemny) wzajemnie się przyciągają. Tak dzieje się również w przypadku cząsteczek wody – atom wodoru jednej może oddziaływać z atomem tlenu drugiej. Tworzą się wówczas oddziaływania międzycząsteczkowe.
Zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w większe układy, złożone z dwóch lub większej liczby cząstek w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych, to asocjacja, a skupiska tych cząstek to asocjaty.
Wpływ polarnej budowy cząsteczek wody na jej temperaturę wrzenia i temperaturę topnienia
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 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.
Gdy substancja zmienia swój stan skupienia ze stałego w ciekły, następnie w gazowy, musi być dostarczana energia po to, by zerwane zostały oddziaływania międzycząsteczkowe, a cząsteczki mogły się od siebie oddalić.
Podczas topnienia, czyli przechodzenia lodu w ciecz, cząsteczki wody muszą uwolnić się od oddziaływań międzycząsteczkowych, a następnie uzyskać energię, która pozwoli im na przemieszczanie się. Podobnie podczas parowania – cząsteczki wody muszą uzyskać energię niezbędną do oddalenia się od siebie na duże odległości i poruszania się. Dlatego woda ma stosunkowo wysoką temperaturę topnienia i temperaturę wrzenia. Znacznie wyższą niż substancje o podobnej budowie, których cząsteczki oddziałują między sobą w znacznie mniejszym stopniu, np. chlorowodór
() czy siarkowodór ().
Nazwa substancji | Wzór sumaryczny | Temperatura topnienia | Temperatura wrzenia |
woda | 0 °C | 100 °C | |
chlorowodór | -114 °C | -85 °C | |
siarkowodór | -82 °C | -60 °C |
Ułóż w poprawnej kolejności, w jaki sposób zmienia się stan skupienia wody pod wpływem wzrastającej temperatury.
4. Wpływ polarnej budowy cząsteczek wody na jej gęstość
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 ciekłej. Z tego powodu lód ma mniejszą gęstość niż woda ciekła.
Lód ma mniejszą gęstość niż woda ciekła i dlatego unosi się na jej powierzchni
Stan skupienia | Gęstość |
woda w stanie stałym w temperaturze 0 °C | |
woda w stanie ciekłym w temperaturze około 4 °C |
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 przed zamarzaniem. Umożliwia w ten sposób egzystencję organizmom wodnym w czasie mrozów.
W mroźne dni lód chroni życie wodne w zbiorniku. Pod nim temperatura wody wynosi zawsze około 0 °C, a na dnie zaś sięga około 4 °C
Woda występuje w trzech stanach skupienia. Jest to 1. jonowych, 2. 100, 3. niespolaryzowanych, 4. ciecz i ciało stałe, 5. spolaryzowanych, 6. dwóch, 7. ciecz, gaz i ciało stałe, 8. 0, 9. 4. Woda ma największą gęstość w temperaturze 1. jonowych, 2. 100, 3. niespolaryzowanych, 4. ciecz i ciało stałe, 5. spolaryzowanych, 6. dwóch, 7. ciecz, gaz i ciało stałe, 8. 0, 9. 4°C.
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 one 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 jego wydobycie. Jednocześnie ekolodzy ostrzegają, że eksploatacja złóż klatratów mogłaby zaburzyć stabilność dna morskiego i wywołać pośrednio wiele niepożądanych zmian w środowisku.
5. Składniki roztworu wodnego
Dzięki polarnej budowie cząsteczek wody, stanowi ona doskonały rozpuszczalnik dla innych substancji polarnych. Powstają wówczas roztwory wodne, które składają się z wody jako rozpuszczalnikarozpuszczalnika i substancji rozpuszczonychsubstancji rozpuszczonych.
Roztwory wodne stanowią mieszaniny jednorodne – takie, których składników nie można rozróżnić gołym okiem lub za pomocą prostych przyrządów optycznych. Nazywa się je roztworami właściwymi, rzeczywistymi lub – ogólnie – roztworami. Przykładami roztworów wodnych są: ocet, woda z cukrem, woda z solą kuchenną czy woda z sokiem malinowym.
6. Badanie rozpuszczalności różnych substancji w wodzie
Przeprowadź doświadczenia chemiczne badania rozpuszczalności różnych substancji w wodzie. Samodzielnie sformułuj obserwacje i wnioski.
Temat: Badanie rozpuszczalności różnych substancji i mieszanin w wodzie
Badanie rozpuszczalności różnych substancji i mieszanin w wodzie
Problem badawczy:
Czy wszystkie substancje i mieszaniny rozpuszczają się w wodzie?
Hipoteza:
Nie wszystkie substancje rozpuszczają się w wodzie.
Co było potrzebne:
12 probówek z korkami;
woda destylowana;
chlorek sodu (sól spożywcza);
sacharoza (cukier spożywczy);
soda oczyszczona;
olej;
ocet spożywczy;
mąka pszenna;
mąka ziemniaczana;
benzyna;
kreda;
piasek;
białko jaja kurzego;
spirytus.
Przebieg doświadczenia
Przygotowano i ponumerowano 12 probówek. Do siedmiu probówek wprowadzono kolejne niewielkie ilości (odrobina substancji na końcu łyżeczki) substancji w stanie stałym: chlorku sodu (1), sacharozy (2), sody oczyszczonej (3), mąki pszennej (4), mąki ziemniaczanej (5), kredy (6), piasku (7). Do pięciu kolejnych probówek wprowadzono niewielkie ilości (ok. 2 cmIndeks górny 33) substancji lub mieszanin w stanie ciekłym: oleju (8), octu spożywczego (9), benzyny (10), białka jaja kurzego (11), spirytusu (12). Do każdej z przygotowanych probówek wlano ok. 3 cmIndeks górny 33 wody. Probówki zamknięto korkami i wstrząśnięto.
Obserwacje:
Numery probówek z mieszaniną, w której składniki można rozróżnić gołym okiem: 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11.
Numery probówek z mieszaniną, w której składników nie można rozróżnić gołym okiem: 1, 2, 3, 9, 12.
Weryfikacja hipotezy:
Nie wszystkie substancje rozpuszczają się w wodzie.
Wnioski:
Roztwór właściwy powstał w probówce/probówkach: 1, 2, 3, 9, 12.
Roztwór koloidalny powstał w probówce/probówkach: 11.
Zawiesina powstała w probówce/probówkach: 4, 5, 6, 7, 8, 10.
Chlorek sodu, sacharoza, soda oczyszczona, ocet spożywczy, spirytus rozpuszczają się w wodzie, natomiast mąka pszenna, mąka ziemniaczana, piasek, kreda, benzyna, olej już nie. Olej i benzyna pływają po powierzchni wody, zaś mąka, kreda i piasek opadają na dno zlewki. Białko jaja kurzego tworzy z wodą nieprzezroczysty roztwór.
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, które wykazują słabą zdolność do mieszania się z wodą i tworzą w niej zawiesiny, np. skrobia ziemniaczana, krzemionka (piasek) czy kreda. Podczas próby rozpuszczenia białka kurzego w wodzie, otrzymamy roztwór koloidalny.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Y0x4Z1LRhS2
Animacja przedstawia rozpuszczanie sacharozy w wodzie. W animacji przedstawiono wzór strukturalny oraz model kulkowy cząsteczki sacharozy oraz mechanizm rozpuszczania substancji.
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.
Rodzaj mieszaniny | Roztwór właściwy | Roztwór koloidalny | Zawiesina |
Wielkość cząstek | wielkość cząstek jest mniejsza od 1 nm | wielkość cząstek zawiera się w przedziale od 1 nm do 200 nm | wielkość cząstek jest większa od 200 nm (200 · 10Indeks górny –9 Indeks górny koniec–9 m) |
Przykłady | mieszanina wody z: cukrem (sacharozą), glukozą, solą kuchenną, sodą oczyszczoną, sokiem | mieszanina wody z: żelatyną, białkiem jaja kurzego | mieszanina wody z: piaskiem, kredą, trocinami, benzyną, olejem |
ocet | mleko | ||
esencja herbaciana | kleik skrobiowy (kisiel z mąki ziemniaczanej otrzymany na gorąco) | ||
atrament |
Przeprowadź doświadczenia chemiczne badania przechodzenia wiązki światła przez roztwór właściwy, koloidalny oraz zawiesinę. Samodzielnie sformułuj obserwacje i wnioski.
Temat: Badanie przechodzenia wiązki światła przez roztwór właściwy, koloidalny oraz przez zawiesinę
Temat: Badanie przechodzenia wiązki światła przez roztwór właściwy, koloidalny oraz przez zawiesinę
Problem badawczy:
Czy wiązka światła przechodzi w ten sam sposób przez roztwór właściwy, koloidalny oraz przez zawiesinę?
Hipoteza:
Wiązka światła ulega różnym zjawiskom podczas przechodzenia przez roztwór właściwy, koloidalny i przez zawiesinę.
Co było potrzebne:
zlewka z roztworem chlorku sodu;
zlewka z roztworem koloidalnym żelatyny;
zawiesina kredy w wodzie.
Przebieg doświadczenia:
Przez każdą zlewkę z mieszaniną skierowano wąski strumień światła wskaźnika laserowego. Obserwowano zachowanie się wiązki światła podczas przechodzenia przez poszczególne mieszaniny.
Obserwacje:
Zachowanie wiązki światła przechodzącej przez:
roztwór właściwy: brak zmian;
roztwór koloidalny: charakterystyczny stożek;
zawiesinę: odbicie wiązki światła na zawiesinie.
Weryfikacja hipotezy:
Wiązka światła ulega różnym zjawiskom podczas przechodzenia przez roztwór właściwy, koloidalny i przez zawiesinę.
Wnioski:
Cechą charakterystyczną koloidów jest specyficzne rozproszenie promieni świetlnych z utworzeniem smugi światła w kształcie stożka. Jest to tzw. efekt Tyndalla.
W przypadku zawiesin promienie świetlne ulegają odbiciu, co spowodowane jest występowaniem w roztworze cząstek o dużych rozmiarach.
W przypadku roztworów właściwych nie obserwuje się rozpraszania ani odbicia promieni świetlnych – jest to spowodowane małymi rozmiarami cząstek.
Podsumowanie
Woda jest substancją polarną. W pobliżu atomu tlenu gromadzi się cząstkowy ładunek ujemny, a w pobliżu atomu wodoru – dodatni.
Pomiędzy cząsteczkami wody w fazie ciekłej występują oddziaływania międzycząsteczkowe. W ciekłej wodzie tworzą się dzięki temu asocjaty („skupiska”) cząsteczek wody.
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.
Mieszaniny można podzielić ze względu na wielkość cząsteczek substancji rozpuszczonej. Wyróżnia się roztwory właściwe, koloidalne oraz zawiesiny.
Woda rozpuszcza substancje, które tak jak ona są polarne. Rozpuszcza też większość związków jonowych.
Słownik
zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych w większe układy złożone z dwóch lub większej liczby cząstek
układ 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
składnik roztworu; najczęściej jest to substancja występująca w przewadze
substancja zbudowana z cząsteczek, które są dipolami
składnik roztworu, substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku
Ćwiczenia
Oceń słuszność poniższych sformułowań.
| Prawda | Fałsz | |
| Niektóre cząsteczki wody są dipolami. | □ | □ |
| Atomy tworzące cząsteczkę wody nie leżą w jednej linii. | □ | □ |
| W cząsteczce wody na atomach wodoru znajduje się cząstkowy ładunek dodatni, na atomie tlenu zaś cząstkowy ładunek ujemny. | □ | □ |
| Ładunek dodatni na atomie wodoru jest równy elementarnemu ładunkowi dodatniemu. | □ | □ |
| Cząsteczki wody oddziałują między sobą, tworząc wiązania kowalencyjne spolaryzowane. | □ | □ |
Uporządkuj stany skupienia wody w zależności od jej gęstości (od najmniejszej do największej).
- lód
- woda ciekła
- para wodna
(Lód), Woda w stanie ciekłym. A. Możliwe odpowiedzi: Woda w stanie stałym
(Lód), Woda w stanie ciekłym
Uzupełnij luki w tekście. Wybierz właściwe określenie spośród podanych.
dwóch, różnoimiennych, trzech, ujemny, jednakowych, co najmniej dwóch, dodatni, wodoru, jest, tlenu, dodatni, ujemny, nie jest
Dipol jest to układ .................................... ładunków ..................................... Cząsteczka wody .................................... dipolem. W cząsteczce wody pary elektronowe tworzące wiązania pomiędzy atomami wodoru i atomem tlenu są przesunięte w kierunku atomu ..................................... Na atomach wodoru znajduje się cząstkowy ładunek ...................................., natomiast na atomie tlenu cząstkowy ładunek .....................................
Oceń słuszność poniższych sformułowań.
| Prawda | Fałsz | |
| Asocjacja jest zjawiskiem łączenia się drobin za pomocą oddziaływań elektrostatycznych. | □ | □ |
| Cząsteczki wody w wodzie mogą łączyć się ze sobą w wyniku odziaływań elektrostatycznych. | □ | □ |
| Układ, w którym drobiny uległy asocjacji, musi się składać z co najmniej 3 drobin. | □ | □ |
| Dipole mogą ulegać asocjacji. | □ | □ |
| Cząsteczki wody nie ulegają asocjacji. | □ | □ |
| Cząsteczki substancji polarnej mogą oddziaływać ze sobą elektrostatycznie. | □ | □ |
Wskaż zbiory substancji i produktów spożywczych, które rozpuszczają się w wodzie.
- chlorek sodu, sacharoza, soda oczyszczona, ocet spożywczy, spirytus
- chlorek sodu, sacharoza, białko jaja kurzego, spirytus, oliwa z oliwek
- chlorek sodu, ocet spożywczy, benzyna, spirytus
- chlorek sodu, sacharoza, soda oczyszczona, olej, ocet spożywczy, spirytus
- chlorek sodu, sacharoza, soda oczyszczona, olej, ocet spożywczy, mąka pszenna, mąka ziemniaczana, benzyna, kreda, piasek, białko jaja kurzego, spirytus
- chlorek sodu, sacharoza, soda oczyszczona, ocet spożywczy, kreda, spirytus
Uporządkuj mieszaniny według rosnącej wielkości cząstek substancji rozproszonej w rozpuszczalniku.
- koloid
- roztwór właściwy
- zawiesina
Bibliografia
Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.
Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy ósmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.
Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Kielce 2020.