Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Udostępnij materiał Zapisz jako PDF

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 właściwościom wody zawdzięczamy jej powszechną obecność w naszym życiu?

RUMyNfu2GRUYU1
Woda jest substancją niezwykłą, a my przyzwyczajeni do niej, nawet nie zdajemy sobie z tego sprawy. Nawet tak oczywista rzecz jak to, że lód unosi się na powierzchni wody w stanie ciekłym jest w świecie materii czymś bardzo wyjątkowym
Już wiesz
  • że woda w temperaturze pokojowej jest cieczą bez barwy i bez zapachu;

  • że woda jest związkiem chemicznym zbudowanym z cząsteczek;

  • że pomiędzy atomami wodoru i atomem tlenu w cząsteczce wody występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane;

  • że krążąca w przyrodzie woda tworzy roztwory o różnym składzie chemicznym.

Nauczysz się
  • wyjaśniać pojęcie polarności cząsteczki wody;

  • przedstawiać oddziaływania między cząsteczkami wody;

  • przeprowadzać doświadczenie, którego celem jest zbadanie, czy dana substancja rozpuszcza się w wodzie, czy też nie.

iDFfj4ut1d_d5e146

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
Cząsteczka wody
RIwnUYtOZLJne1
Budowa cząsteczki wody: wzór elektronowy kropkowy (a), wzór elektronowy kreskowy (b), rodzaje par elektronowych w cząsteczce wody i wielkość kąta pomiędzy wiązaniami (c)
iDFfj4ut1d_d5e216

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
Cząstkowe ładunki, ujemny na atomie tlenu i dodatnie na atomach wodoru, równoważą się i cząsteczka wody jest elektrycznie obojętna
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.
iDFfj4ut1d_d5e287

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.

iDFfj4ut1d_d5e358

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
Lód ma mniejszą gęstość niż woda ciekła i dlatego unosi się na jej powierzchni
Gęstość wody, w różnych temperaturach

Stan skupienia

Gęstość

woda w stanie stałym w temperaturze 0°C

0,917 gcm3

woda w stanie ciekłym w temperaturze około 4°C

1,000 gcm3

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
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
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
Metanowy lód to białe kostki wyglądem przypominające lód. Takie kryształy zmrożonej wody i gazu mogą w sprzyjających warunkach (pod wysokim ciśnieniem i w niskiej temperaturze) przetrwać na dnie morza miliony lat
iDFfj4ut1d_d5e473

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
Model upakowania drobin substancji znajdującej się w stanie: a) stałym, b) ciekłym, c) gazowym

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 (HCl) czy siarkowodór (H2S).

Temperatura wrzenia i topnienia wody, chlorowodoru i siarkowodoru

Nazwa substancji

Wzór sumaryczny

Temperatura topnienia

Temperatura wrzenia

woda

H2O

0°C

100°C

chlorowodór

HCl

-114°C

-85°C

siarkowodór

H2S

-82°C

-60°C

iDFfj4ut1d_d5e550

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: rozpuszczalnikarozpuszczalnikrozpuszczalnikasubstancji rozpuszczonychsubstancja rozpuszczonasubstancji rozpuszczonych.

R1qyozK1m9vqE1
W mieszaninie wody z cukrem spożywczym rozpuszczalnikiem jest woda, a substancją rozpuszczoną – sacharoza (główny składnik cukru spożywczego)
iDFfj4ut1d_d5e587

7. Badanie rozpuszczalności różnych substancji w wodzie

Badanie zdolności do rozpuszczania się w wodzie różnych substancji
Doświadczenie 1

Zdolność do rozpuszczania w wodzie każdej substancji zbadaj w osobnych zlewkach z wodą.

Problem badawczy

Czy wszystkie substancje rozpuszczają się w wodzie?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Nie wszystkie substancje rozpuszczają się w wodzie.
Wszystkie substancje rozpuszczają się w wodzie.

Co będzie potrzebne
  • zlewki,

  • woda,

  • chlorek sodu (sól spożywcza),

  • sacharoza (cukier spożywczy),

  • soda oczyszczona,

  • olej,

  • ocet spożywczy,

  • mąka pszenna,

  • mąka ziemniaczana,

  • benzyna,

  • kreda,

  • piasek,

  • białko jaja kurzego,

  • spirytus.

Instrukcja
  1. Badanie substancji i materiałów znajdujących się w stanie stałym:

    1. do zlewki z wodą wsyp małą łyżeczkę badanej substancji, zamieszaj bagietką;

    2. oceń zachodzące zmiany.

  2. Badanie substancji i materiałów ciekłych:

    1. do wody znajdującej się w zlewce dodaj kilka – kilkanaście cmIndeks górny 3 badanej cieczy, zamieszaj bagietką;

    2. obserwuj zmiany.

Podsumowanie

Chlorek sodu, sacharoza, soda oczyszczona, ocet spożywczy, spirytus rozpuszczają się w wodzie, natomiast mąka pszenna i ziemniaczana, piasek, kreda, benzyna, olej nie rozpuszczają się w wodzie. 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 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.

iDFfj4ut1d_d5e711

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.

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.

iDFfj4ut1d_d5e758

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.

Przykłady mieszanin tworzonych przez wodę i inne substancje i materiały

Rodzaj mieszaniny

Roztwór właściwy

Roztwór koloidalny

Zawiesina

Wielkość cząstek

wielkość cząstek jest mniejsza od 1 nm (10Indeks górny -9m)

wielkość cząstek zawiera się w przedziale od 1 do 200 nm (10Indeks górny -9m – 200 · 10Indeks górny -9m)

wielkość cząstek jest większa od 200 nm (200 · 10Indeks górny -9m)

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

R11MrFR9en4aj1
Zachowanie się wiązki światła w roztworach: właściwym, koloidalnym i zawiesinie
Doświadczenie 2
Problem badawczy

Czy wiązka światła zachowuje się tak samo, czy różnie podczas przechodzenia przez roztwór właściwy, roztwór koloidalny i zawiesinę?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Wiązka światła w jednakowy sposób przechodzi przez roztwór właściwy, roztwór koloidalny i zawiesinę.
Wiązka światła ulega różnym zjawiskom podczas przechodzenia przez roztwór właściwy, roztwór koloidalny i zawiesinę.

Co będzie potrzebne
  • zlewka z roztworem chlorku sodu,

  • zlewka z roztworem koloidalnym żelatyny,

  • zawiesina kredy w wodzie.

Instrukcja
  1. Przez każdą zlewkę z mieszaniną skieruj wąski strumień światła wskaźnika laserowego.

  2. Obserwuj zachowanie się wiązki światła podczas przechodzenia przez poszczególne mieszaniny.

Podsumowanie

Wąski strumień światła przechodzi przez roztwór właściwy bez zmian, na cząstkach zawiesiny ulega odbiciu. W przypadku roztworu koloidalnego obserwujemy charakterystyczny kształt – stożek.
Cechą charakterystyczną koloidów jest specyficzne rozproszenie promieni świetlnych z utworzeniem smugi światła w kształcie stożka (efekt Tyndalla).

iDFfj4ut1d_d5e882

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.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Porównaj temperatury wrzenia i topnienia wody oraz np. siarkowodoru. Zastanów się i odpowiedz, czy cząsteczki siarkowodoru oddziałują ze sobą elektrostatycznie?

iDFfj4ut1d_d5e941

Słowniczek

asocjacja
asocjacja

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

dipol
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

rozpuszczalnik
rozpuszczalnik

składnik roztworu; najczęściej jest to substancja występująca w przewadze

substancja polarna
substancja polarna

substancja zbudowana z cząsteczek, które są dipolami

substancja rozpuszczona
substancja rozpuszczona

składnik roztworu, substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku

iDFfj4ut1d_d5e1049

Zadania

Ćwiczenie 1
RQilKbNApVzrV1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 2
R1D7QuEmrX25r1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 3
R17dZQxGeYz0L1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 4
RKFHvlI8pThoF1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 5
Rs11VyXfxIUzX1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 6
R1OFSH33PAiNS1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 7
RXH0aTyKL0Rbh1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 8
R1Vhx9CgsUnja1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 9
RwosVo3EoTIEK1
zadanie interaktywne