Досліджуємо, моделюємо, проєктуємо
Використовуючи підручні матеріали (пластилін, намистини, дріт тощо), виготовте моделі молекул води та з’єднайте їх водневими зв’язками, створивши фрагмент кристалу льоду. За можливості створіть комп’ютерну 3D–модель.
| Модель молекули води | Фрагмент кристалу льоду (3D–модель) |
 |
 |
У воді атом Оксигену завдяки двом неподіленим електронним парам утворює зв’язки з атомами Гідрогену двох сусідніх молекул води, а атоми Гідрогену цієї молекули утворюють зв’язки з атомами Оксигену інших молекул води. У такий спосіб кожна молекула води може утворити по чотири водневі зв’язки з іншими молекулами води:
Поміркуйте
За малюнком 3.1 проаналізуйте вплив водневого зв'язку на температуру кипіння молекулярних речовин.
Наявність водневих зв’язків між молекулами води Н2О зумовлює її аномально високу температуру кипіння (Mr=18, tкип.=100°C) порівняно з іншими речовинами зі схожою молекулярною масою, в яких відсутній водневий зв'язок: гідроген сульфідом Н2S (Mr=34, tкип.=–60,8°C) і киснем О2 (Mr=32, tкип.=–83°C). Молекули води найлегші серед цих речовин, а температуру кипіння мають найбільшу, бо на руйнування водневого зв'язку потрібна додаткова енергія (додаткове нагрівання).
Досліджуємо, моделюємо, проєктуємо
Дослід 1
Акуратно наповніть до краю пробірку водою, щоб зовні пробірка залишилася сухою. Після цього акуратно піпеткою додавайте воду краплинами в пробірку. Що ви спостерігаєте? Чим це можна пояснити?
Спостерігаємо, що вода з піпетки капає у воду, утворюючи "гірку" на поверхні води. Це пояснюється наявністю водневих зв’язків між молекулами води, при якому поверхневий шар стискається, аби зменшити площу, і рідина прагне набути форму з мінімальною площею поверхні у вигляді кулі.Повторіть цей дослід, але замість чистої води використайте розчин мила (1 %) або іншого мийного засобу.
У випадку використання розчину мила вода капає з піпетки значно швидше, не утворюючи "гірку" на поверхні води. Це пояснюється тим, що поверхнево–активні речовини (ПАР) в розчині мила або інших мийних засобах послаблюють водневі зв’язки між молекулами води, що призводить до зменшення поверхневого натягу рідини.
Дослід 2
Широку посудину заповніть водою наполовину. На фільтрувальний папір покладіть швейну голку й акуратно помістіть їх разом на поверхню води. Фільтрувальний папір згодом просочиться водою та потоне. А що відбувається з голкою? Чим це можна пояснити?
Після того як папір потоне, швейна голка лежатиме на поверхні води. Це пояснюється тим, що наявність водневих зв’язків зумовлює найбільший поверхневий натяг води, завдяки чому її поверхня здатна утримувати голку, не зважаючи на більшу густину металу.
У цю ж посудину акуратно долийте розчин мийного засобу. Що відбувається з голкою?
Після акуратного доливання розчину мийного засобу голка потоне.
Сформулюйте гіпотезу, яка б пояснювала ваші спостереження.
Молекули мийного засобу послаблюють водневі зв'язки між молекулами води, що призводить до зменшення поверхневого натягу, завдяки чому утримувався металевий предмет на поверхні води.
Досліджуємо, моделюємо, проєктуємо
Широку пробірку наполовину заповніть водою. Другу таку саму пробірку наполовину заповніть етиловим спиртом. Нагрівайте ці дві пробірки в пальнику впродовж 30 секунд. Після нагрівання виміряйте температуру рідин у пробірках термометром. Яка речовина нагрілася сильніше?
Сильніше нагріється етиловий спирт.
Який висновок про теплоємність рідин можна зробити? Підтвердьте свої висновки даними з довідника.
Вода має вищу теплоємність, тобто повільно нагрівається та повільно охолоджується, у порівнянні зі спиртом, тому потребує значно більших затрат енергії для підвищення температури на однакову кількість градусів. За довідниковими даними питома теплоємність води становить 4200 Дж•кг−1•°C−1, а етилового спирту — 2400 Дж•кг−1•°C−1.
Робота з інформацією
Вправа 20
Порівняйте ковалентний і водневий зв’язки, склавши для них діаграми Венна.
|
Діаграма Венна |
||
|
Відмінне |
Спільне
|
Відмінне |
|
Ковалентний зв'язок |
Водневий зв'язок |
|
|
Є внутрішньомолекулярним, утворюється спільними електронними парами, виникає між атомами неметалічних елементів, значно міцніший. |
електронна природа зв'язку, впливають на фізичні властивості речовин.
|
Є міжмолекулярним і внутрішньомолекулярним, електростатична взаємодія атома Гідрогена з дуже електронегативними атомами, значно слабший. |
Вправа 21
Схарактеризуйте вплив водневого зв’язку на:
а) розчинність речовин у воді;
Речовини, що можуть утворювати водневі зв'язки з молекулами води, краще розчиняються в ній завдяки більш тісній взаємодії.
б) теплоємність речовин;
Наявність додаткового зв’язування молекул водневими зв’язками зумовлює вищу теплоємність речовин, щоб пришвидшити тепловий рух, молекулам необхідно надати значно більше теплоти.
в) поверхневий натяг води.
Наявність водневих зв’язків зумовлює великий поверхневий натяг води, завдяки чому на поверхні води здатні перебувати об'єкти з більшою густиною.
Вправа 22
Порівняйте фізичні властивості речовин, зазначених на малюнку 3.1 (с. 25).
Вода має аномально високу температуру кипіння у порівнянні з аналогічними молекулярними речовинами.
Який факт свідчить про наявність водневого зв’язку між молекулами води?
Про наявність водневого зв’язку між молекулами води свідчить той факт, що серед цих речовин у води молекули найлегші (Mr=18), а температура кипіння — найвища (100°C), оскільки на руйнування додаткового зв'язування молекул водневими зв'язками, потрібна додаткова енергія (додаткове нагрівання).
Розуміння явищ природи (робота в групах)
Вправа 23
Зобразіть (схематично) утворення водневого зв’язку між молекулами:
| а) води й амоніаку; | б) води й гідроген фториду. |
 |
 |
Вправа 24
Поясніть, у який спосіб теплоємність води пом’якшує коливання температури на планеті.
Вода має високу теплоємність, тобто повільно нагрівається та повільно охолоджується. Тому поблизу морів та океанів клімат значно м’якший, ніж у центрі континенту: вдень вода поглинає сонячне тепло, а вночі повільно його віддає, нагріваючи сушу.
Вправа 25
Проаналізуйте графіки та схарактеризуйте вплив водневих зв’язків на фізичні властивості речовин. Поясніть, що спільного й відмінного між речовинами на кожному графіку. Зобразіть схеми утворення водневих зв’язків молекулами цих сполук (між собою та з молекулами води).
Графік 1
Спільне:
– бінарні сполуки, утворені неметалічними елементами 17 групи періодичної таблиці з Гідрогеном;
– Для більшості сполук температура кипіння лінійно зростає зі збільшенням молекулярної маси.
Відмінне:
– Речовина HF має значно вищу температуру кипіння у порівнянні з рештою молекулярних речовин, що свідчить про наявність в ній водневих зв'язків.
Графік 2
Спільне:
– бінарні сполуки, утворені неметалічними елементами 16 групи періодичної таблиці з Гідрогеном;
– Для більшості сполук температура кипіння лінійно зростає зі збільшенням молекулярної маси.
Відмінне:
– Речовина H2О має аномально високу температуру кипіння у порівнянні з рештою молекулярних речовин, що свідчить про наявність в ній водневих зв'язків.
Зобразіть схеми утворення водневих зв’язків молекулами:
| а) гідроген фториду | б) води | б) гідроген фториду й води. |
 |
 |
|
Вправа 26
Відомо, що намоклий бавовняний або лляний одяг висихає довше, ніж шерсть або пір’я тварин. Як пояснити ці явища, зважаючи на водневий зв’язок?
Бавовняні та лляні волокна є природною целюлозою, молекули яких містять велику кількість гідроксильних груп (–OH), між якими з водою виникають численні водневі зв'язки, тому добре намокають і волога в такій тканині утримується значно довше. Шерсть і пір’я часто вкриті жироподібними речовинами, що не здатні утворювати водневі зв’язки з водою, тому менше намокають.
Вправа 27
Як ви вважаєте, чому краплини води на деяких листках та інших поверхнях набувають форми кулі?
Краплини води набувають форми кулі завдяки поверхневому натягу, який виникає через утворення максимальної кількості водневих зв’язків між молекулами води, зменшуючи таким чином площу поверхні рідини при незмінному об'ємі.
Чому краплі дощу «скочуються» з листя лотоса, проте затримуються на шкірі?
Оскільки немає притягання між полярними молекулами води та неполярним воском, яким вкриті листя лотоса, тому краплі дощу скочуються. Проте є притягання між полярними молекулами води та полярними молекулами білків, що дозволяє воді частково змочувати шкіру та утримуватися на ній за допомогою слабких міжмолекулярних взаємодій.