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°.

R1B4JrXOKw1KA

Ilustracja przedstawia rysunkowy model czaszowy cząsteczki wody składający się z dużej czerwonej kulki, oznaczonej literą O, symbolizującej atom tlenu i dwóch przyłączonych do niej mniejszych, białych czasz, oznaczonych literami H, symbolizujących atomy wodoru. Atom tlenu znajduje się w centrum, a atomy wodoru rozmieszczone są symetrycznie w jego przedniej, dolnej części. Na model nałożony jest wzór strukturalny cząsteczki wody, w którym pomiędzy symbolami O i H znajdują się wiązania pojedyncze przedstawione jako pojedyncze kreski.

R1dENK6oUr90n

Ilustracja przedstawia trzy wzory elektronowe cząsteczki wody opisane literami a, b i c. Pierwszy z nich – kropkowy (a), przedstawia wszystkie elektrony walencyjne występujące w cząsteczce. Pomiędzy każdym atomem wodoru, a atomem tlenu znajdują się dwa elektrony, jeden pochodzący od atomu wodoru, a drugi od atomu tlenu. Oprócz tego tlen ma dwie niewiążące pary elektronowe oznaczone jako dwie pary kropek zaznaczone ukośnie nad symbolem atomu tlenu. Drugi z nich przedstawia wzór elektronowy kreskowy (b). Atom tlenu połączony jest jedną kreską z każdym atomem wodoru. Oprócz tego atom tlenu ma dwie kreski położone ukośnie nad symbolem pierwiastka, oznaczające elektrony nie tworzące wiązań chemicznych. Trzeci wzór – (c) – jest jednakowy jak (b), lecz jest opatrzony dodatkowymi podpisami. Do par elektronowych pomiędzy atomem tlenu, a atomami wodoru prowadzą strzałki łączące je z napisem: wiążące pary elektronowe. Do dwóch par elektronowych znajdujących się ukośnie nad atomem tlenu prowadzą strzałki łączące je z napisem: niewiążące pary elektronowe.

Rcxttq8WnzY0s

W animacji przedstawiono cząsteczkę wody i omówiono, czym spowodowana jest jej polarność.

W animacji przedstawiono cząsteczkę wody i omówiono, czym spowodowana jest jej polarność.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/Rcxttq8WnzY0s

W animacji przedstawiono cząsteczkę wody i omówiono, czym spowodowana jest jej polarność.

1

Polecenie 1

Obejrzyj powyższy film, a następnie narysuj lub zbuduj, przy użyciu modeli pręcikowo‑kulkowych lub plasteliny, model cząsteczki wody (ze wskazaniem cząstkowych ładunków δdelta+ oraz δdelta-).

R5uaTv70LwB4e

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Pamiętaj, że w zestawach modeli do oznaczania poszczególnych atomów przyjęto, że atomy tlenu oznaczamy kolorem czerwonym, a atomy wodoru kolorem białym.

Pokaż odpowiedź

RJTPJVfBnI5Kr

Czerwona duża kula oznaczająca atom tlenu łączy się wiązaniem pojedynczym z dwiema mniejszymi białymi kulkami po skosie w dół. Białe kulki to atomy wodoru. Przy atomach wodoru znajduje się symbol: mała grecka litera delta +, a przy atomie tlenu znajduje się symbol: mała grecka litera delta minus.

Polecenie 1

RJCdVybhdkGVo

Spośród podanych poniżej wybierz i zaznacz poprawne stwierdzenie. Możliwe odpowiedzi: 1. W cząsteczce wody cząstkowy ładunek ujemny ulokowany jest na atomie tlenu, natomiast cząstkowy ładunek dodatni na atomach wodoru, w związku z czym cząsteczka wody jest polarna., 2. W cząsteczce wody cząstkowy ładunek dodatni ulokowany jest na atomie tlenu, natomiast cząstkowy ładunek ujemny na atomach wodoru, w związku z czym cząsteczka wody jest polarna., 3. W cząsteczce wody nie występują cząstkowe ładunki na poszczególnych atomach, w związku z czym cząsteczka jest niepolarna.

Polarna budowa cząsteczek wody nadaje wodzie jako substancji niezwykłe właściwości. Porównując masę cząsteczki wody z masą innych subtancji, takich jak np. siarkowodór (gaz o zapachu zgniłych jaj) czy tlenek węgla(IV) należałoby sądzić, że woda w warunkach normalnych powinna być gazem. Tymczasem w przyrodzie występuje w trzech stanach skupienia, a najczęściej mamy z nią do czynienia w postaci ciekłej. Silna polaryzacja wiązań w cząsteczce wody sprawia, że łączą się one w większe skupiska

Asocjacja cząsteczek wody

Zjawisko łączenia się drobin (cząsteczek, jonów, atomów) w większe układy, złożone z dwóch lub większej liczby cząstek w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych, nosi nazwę asocjacja, a skupiska tych cząstek to asocjaty. Oddziaływania te powodują, że pomiędzy cząsteczkami wody tworzą się tak zwane wiązania wodorowe. Powstają pomiędzy atomem wodoru jednej cząsteczki wody a atomem tlenu innej cząsteczki wody.

R1EW1BLtYkLaK

Na grafice przedstawiono asocjację 24 cząsteczek wody. Modele cząsteczek wody zbudowane są z trzech kulek: jednej czerwonej będącej atomem tlenu i dwóch białych będących atomami wodoru. Pomiędzy atomami w obrębie jednej cząsteczki znajdują się wiązania pojedyncze. Cząsteczki wody łączą się między sobą za pomocą wiązania wodorowego pomiędzy atomami tlenu jednej cząsteczki wody, a atomem wodoru drugiej cząsteczki wody. Wiązania wodorowe zostały przedstawione jako białe, przerywane linie łączące atom wodoru jednej cząsteczki z atomem tlenu drugiej cząsteczki.

W stanie stałym wiązania wodorowe sprawiają, że cząsteczki wody tworzą uporządkowaną strukturę krystaliczną, którą obserwujemy w postaci lodu lub płatków śniegu. 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 natomiast odległości między cząsteczkami w strukturze lodu są na tyle duże, by gęstość lodu była mniejsza niż wody w postaci ciekłej.

R1EZjcpourYwv

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.

Gdy woda zmienia swój stan skupienia ze stałego w ciekły, następnie w gazowy, musi być dostarczana energia po to, by zerwane zostały oddziaływania międzycząsteczkowe. Wtedy cząsteczki wody porusząją się swobodnie, ale dalej w postaci większych skupisk, w których odległości pomiędzy cząsteczkami są mniejsze niż w strukturze lodu, dzięki czemu lód pływa po wodzie. Największą gęstość woda wykazuje w temperaturze czterech stopni celsjusza. Dalsze dostarczanie ciepła sprawia, że wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody nie są w stanie ich utrzymać w większych skupiskach i odległości pomiędzy nimi stają się większe, a woda przechodzi w stan gazowy.

R1H5AJF533R9J

Na grafice przedstawiono oddziaływania między cząsteczkami wody w różnych stanach skupienia. Cząsteczki wody przedstawiono za pomocą modeli składających się z trzech kulek: czerwonej, będącej atomem tlenu i dwóch białych, będących atomami wodoru. Atomy tlenu i wodoru w obrębie cząsteczki połączone są czarnymi wiązaniami pojedynczymi. Z lewej strony grafiki przedstawiono oddziaływania cząsteczek wody w stałym stanie skupienia. Sześć cząsteczek wody połączona jest wiązaniami wodorowymi pomiędzy jednym atomem wodoru jednej cząsteczki, a atomem tlenu drugiej. Wiązania wodorowe przedstawiono jako czarne, przerywane linie. Cząsteczki wody w stanie stałym są bardzo uporządkowane. Na grafice tworzą sześciokąt foremny. Pod schematem znajduje się podpis: Woda w stanie stałym (lód). Środkowy schemat przedstawia cząsteczki wody rozmieszczone nieregularnie i połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi. Pod schematem znajduje się podpis: Woda w stanie ciekłym. Po prawej stronie grafiki znajduje się schemat, na którym cząsteczki wody są od siebie znacznie oddalone, a pomiędzy nimi nie występują wiązania wodorowe. Pod schematem znajduje się podpis: Woda w stanie gazowym.

Wpływ oddziaływań międzycząsteczkowych na właściwości fizyczne

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 wrzenia. Znacznie wyższą niż substancje o podobnej budowie, których cząsteczki oddziałują między sobą w znacznie mniejszym stopniu, np. chlorowodór ($\text{HCl}$) czy siarkowodór (${\text{H}}_{\text{2}}\text{S}$).

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.

RvrzJjbG7n6u0

Ilustracja przedstawia temperaturę wody w jeziorze pod lodem. Na ilustracji znajduje się przekrój jeziora i terenu go otaczającego. Na krajobraz dookoła jeziora składają się pokryte śniegiem pagórki oraz rosnące nieopodal jeziora drzewo. Jezioro poprzecinane czterema poziomymi przerywanymi liniami oznaczającymi strefy o różnej temperaturze wody, znajdujące się na różnej głębokości w równych odległościach od siebie. Na powierzchni jeziora znajduje się pokrywa lodowa. Temperatura powietrza wynosi –10 stopni Celsjusza. Pod pokrywą lodową wynosi 0 stopni Celsjusza. Głębiej, pod pierwszą przerywaną linią, temperatura wynosi 1 stopień Celsjusza. Pod następną linią temperatura wynosi 2 stopnie Celsjusza. Pod trzecią przerywaną linią temperatura wynosi 3 stopnie Celsjusza. W strefie przydennej temperatura osiąga wartość 4 stopni Celsjusza. W tej strefie znajdują się ryby oraz roślinność porastająca dno.

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 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.

RP9njYKSchkuJ

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.