Хімія. Повторне видання. 9 клас. Ярошенко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 6. Будова молекули води. Поняття про водневий зв’язок і розчинність речовин

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • зрозуміти, завдяки яким властивостям вода є найпоширенішим розчинником;
  • пояснити вплив різних чинників на розчинність речовин;
  • пояснити утворення водневого зв’язку;
  • розрізняти насичені й ненасичені розчини.

Як було зазначено в попередньому параграфі, вода є найпоширенішим розчинником, у ній розчиняється багато твердих, рідких і газоподібних речовин.

З’ясуємо, завдяки чому вода має властивість розчиняти різноманітні речовини й утворювати істинні розчини.

ПОНЯТТЯ ПРО ВОДНЕВИЙ ЗВ’ЯЗОК. Повторивши основні питання курсу хімії 8 класу, ви пригадали, що вода Н2О — речовина молекулярної будови з ковалентними полярними зв’язками (схема 11), яка за кімнатної температури перебуває в рідкому агрегатному стані. На цій схемі відображено утворення ковалентного зв’язку та порядок сполучення атомів у молекулі води, але не передано просторове розміщення атомів один відносно одного. Насправді молекула води має кутову будову. Якщо сполучити уявними лініями атом Оксигену й два атоми Гідрогену, то утвориться рівнобедрений трикутник, у якому валентний кут між хімічними зв’язками становить 104,5° (схема 12).

Схема 11. Утворення ковалентних зв’язків у молекулі води

Схема 12. Кутова будова молекули води

Оскільки атом Оксигену більш електронегативний, ніж сполучені з ним атоми Гідрогену, то спільні електронні пари зміщуються до Оксигену. Унаслідок цього атом Оксигену набуває невеликого (часткового) негативного електричного заряду δ- (читається «дельта мінус»), а кожний атом Гідрогену — невеликого (часткового) позитивного електричного заряду δ+ (читається «дельта плюс»). Як видно зі схеми 12, обидва атоми Гідрогену розміщені по один бік від атома Оксигену, що й зумовлює наявність у молекули води двох електричних полюсів. Саме тому молекула води має два електричні полюси (схема 13). Заряди δ- і δ+ протилежні за знаком, але однакової величини. Умовне позначення таких молекул показано на схемі 13.

Схема 13. Зображення полярних молекули води

ВОДНЕВИЙ ЗВ’ЯЗОК. Полярним молекулам води цілком достатньо часткових зарядів, щоб виникла сила притягання між атомом Гідрогену однієї молекули та атомом Оксигену іншої (схема 14) й утворився водневий зв’язок.

Схема 14. Утворення водневого зв’язку між молекулами води

Водневий зв’язок умовно позначають трьома крапками. І хоча він приблизно в 10 разів слабший за ковалентний, проте наявність цього зв’язку між молекулами води зумовлює такі її властивості, як відносно високу температуру кипіння (+100 °С), рідкий агрегатний стан за звичайних умов, здатність розчиняти багато речовин з йонним та ковалентним полярним зв’язками.

Водневий зв’язок може утворюватися також між атомом Гідрогену та атомом Флуору, атомом Гідрогену й атомом Нітрогену.

РОЗЧИННІСТЬ. У порції розчинника за конкретних умов може максимально розчинитися певна кількість речовини. Причому для різних речовин вона буде різною. Ця індивідуальна здатність речовини розчинятися в певному розчиннику є однією з її фізичних характеристик, що має назву розчинність.

Розчинність — це здатність речовини розчинятися у воді або іншому розчиннику з утворенням істинного розчину.

Здатність води розчиняти речовини зумовлена будовою її молекул. Так, при розчиненні натрій хлориду (кухонної солі) полярні молекули води розташовуються навколо йонів Натрію й Хлору (схема 15). Сила притягання одного йона до кількох полярних молекул води більша, ніж сила притягання між різнойменно зарядженими йонами у кристалі кухонної солі. Тому під впливом дії полярних молекул води йонний зв’язок у кристалі руйнується і йони переходять у розчин. Триватиме це доти, доки не утвориться насичений розчин.

Схема 15. Розчинення натрій хлориду у воді

Насичений розчин — це розчин, у якому розчинена речовина за певної температури більше не розчиняється.

Кількісно розчинність вказує на максимально можливу масу чи об’єм (для газів) розчиненої речовини, що за конкретних умов (температури, тиску) розчиняється у 100 г розчинника.

Наприклад, розчинність кухонної солі за температури +20 °С становить 35,9 г. Це означає, що у 100 г води за цієї температури можна розчинити щонайбільше 35,9 г цієї речовини. Розчин, виготовлений у такий спосіб, буде насиченим за температури +20 °С. Додаткові порції солі в ньому за цієї температури розчинити не вдасться.

Якщо ж виготовити розчин за цієї самої температури, наприклад, із 3,59 г солі та 50 г води, то він буде ненасиченим. Назва свідчить про те, що розчин можна й далі «насичувати», розчиняючи нові порції солі.

Розчинність твердих і рідких речовин за температури +20 °С покладено в основу їх класифікації на розчинні, малорозчинні та нерозчинні (схема 16).

Схема 16. Класифікація речовин за розчинністю

Визначивши розчинність кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді за температури від +20 до +25 °С, уклали таблицю їхньої розчинності у воді (див. задній форзац).

Попрацюйте групами

Користуючись таблицею розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді, з’ясуйте:

  • а) чи є серед кислот нерозчинні речовини;
  • б) чи є серед амфотерних гідроксидів розчинні у воді речовини;
  • в) усі солі якої кислоти розчинні у воді;
  • г) усі солі яких металічних елементів розчинні у воді;
  • д) хлориди й сульфати яких металічних елементів нерозчинні чи малорозчинні у воді.

ЗАЛЕЖНІСТЬ РОЗЧИННОСТІ ВІД РІЗНИХ ЧИННИКІВ. Розглянемо, як впливають температура (для твердих і рідких речовин) і тиск (для газів) на розчинність речовин у воді.

Приклад 1. Вплив температури на розчинність твердих речовин. Для більшості твердих речовин розчинність збільшується з підвищенням температури. Так, якщо за температури +20 °С розчинність калій нітрату становить 40 г, то за температури +80 °С у 100 г води розчиняється вже 140 г цієї солі. Добре відома та широковживана кухонна сіль теж збільшує свою розчинність під час нагрівання, проте не на стільки, як калій нітрат. Так, розчинність кухонної солі за температури +20 °С дорівнює 35,9 г, а за температури +100 °С — 39,4 г. Проте трапляються тверді речовини, розчинність яких зі збільшенням температури зменшується, як це відбувається в літій сульфату. За малюнком 11 ознайомтеся із залежністю розчинності від температури для деяких твердих речовин.

Для порівняння межі розчинності різних речовин у воді за різних температур скористайтесь таблицею 5 на сторінці 38, у якій зазначено розчинність деяких речовин у грамах на 100 г води.

Мал. 11. Залежність розчинності деяких твердих речовин від температури

Таблиця 5

Розчинність деяких речовин (у грамах на 100 г води)

Речовина

Розчинність за різної температури

+20 °С

+50 °С

+80 °С

+100 °С

Калій хлорид

32,2

42,4

51,6

57,8

Натрій хлорид

35,9

36,8

38,1

39,4

Літій сульфат

34,9

33,6

31,9

29,9

Як видно з таблиці, розчинність різних речовин зі збільшенням температури змінюється по-різному. Так, зі збільшенням температури помітно збільшується розчинність у воді калій хлориду, тоді як розчинність натрій хлориду зростає неістотно. Розчинність літій сульфату з підвищенням температури зменшується.

Приклад 2. Вплив температури на розчинність газів. Розчинність газів з підвищенням температури зменшується. Пояснюється це тим, що нагрівання прискорює рух молекул, унаслідок чого частина з них залишає розчин. Тож, коли виникає потреба розчинити якомога більше газоподібної речовини в певному об’ємі води, слід вдатися до охолодження, а не до нагрівання розчину.

Зменшення розчинності газоподібних речовин, що є у складі повітря, з підвищенням температури можна спостерігати на такому досліді. Скляну прозору посудину, наповнену холодною водою з-під крану чи з холодильника, залиште за кімнатної температури на столі. Із часом внутрішня поверхня посудини вкриється пухирцями повітря. Це пояснюється зменшенням розчинності повітря з підвищенням температури.

Приклад 3. Вплив тиску на розчинність газів. Розчинність газоподібних речовин прямо пропорційна тиску, тобто що вищий тиск, то більша розчинність. Усім вам добре відомі мінеральна вода, кока-кола, лимонад тощо. Однією зі стадій виготовлення газованих напоїв є насичення їх вуглекислим газом під тиском у кілька атмосфер. Якщо пляшку відкоркувати, то тиск усередині неї понизиться, що спричинить енергійне виділення «зайвого» газу.

З пониженням тиску розчинність газоподібних речовин у воді зменшується, а з підвищенням — збільшується.

Отже, якщо є потреба в збільшенні розчинності газів, розчинення слід проводити за зниженої температури й підвищеного тиску.

Учнівський експеримент

Завдання 1. Відкрийте пляшку із сильногазованою водою (за кімнатної температури) й відразу на її горловину надіньте та закріпіть скотчем повітряну кульку. Періодично спостерігайте за кулькою протягом кількох годин. Чи змінився її об’єм? Після цього, не знімаючи повітряної кульки, помістіть пляшку на деякий час у холодильник. Як змінився об’єм кульки? Поясніть результати спостереження.

Завдання 2. Повторіть удома дослід з холодною водою, описаний у параграфі. Через скільки годин з’явилися пухирці повітря?

Стисло про основне

• Здатність води розчиняти речовини з йонним та ковалентним полярним зв’язками зумовлена полярністю її молекул.

• Водневий зв’язок між молекулами води — це сили притягання між атомом Гідрогену однієї молекули й атомом Оксигену іншої молекули.

• Ненасиченим називають розчин, у якому можна розчинити додаткову порцію речовини, не змінюючи умов (температури, тиску).

• Насичений розчин — це розчин, у якому за певних умов речовина більше не розчиняється.

• Межею розчинності речовини є її вміст у насиченому розчині. Розчинність речовини обчислюють зазвичай у грамах на 100 г розчинника.

• Розчинність більшості твердих речовин з підвищенням температури збільшується.

• Розчинність газоподібних речовин збільшується з підвищенням тиску й зменшенням температури.

Сторінка ерудованих

Елемент однієї з Оксигеном підгрупи Сульфур також утворює летку сполуку з Гідрогеном, що має однакову з водою загальну формулу Н2Е і такий самий вид хімічного зв’язку в молекулі. Незважаючи на значну подібність складу та будови цих речовин, вода за кімнатної температури — рідина й хороший розчинник, а гідроген сульфід (сірководень) H2S — газ, не здатний розчиняти тверді й рідкі речовини.

Причину слід шукати в різниці значення електронегативності елементів VI групи головної підгрупи. В Оксигену електронегативність більша, ніжу Сульфуру. (Відшукайте зазначені елементи в ряді електронегативності та переконайтеся в цьому.) Тому полярність молекул води більша, ніж молекул гідроген сульфіду. Часткових зарядів, що виникають при цьому, у молекулах води достатньо для утворення водневого зв’язку, а в молекулах гідроген сульфіду — ні. Тому міжмолекулярна взаємодія молекул гідроген сульфіду менша, молекули більш рухливі, агрегатний стан за звичайних умов — газоподібний, здатність розчиняти тверді та рідкі речовини відсутня.

Знаємо, розуміємо

1. Яку просторову будову має молекула води? Як це впливає на утворення водневого зв’язку й розчинення речовин?

2. Поясніть, як утворюється водневий зв’язок між молекулами води.

3. Наведіть по два приклади розчинних, малорозчинних і практично нерозчинних у воді речовин — представників різних класів неорганічних сполук.

4. Які фізичні властивості води зумовлені наявністю між її молекулами водневого зв’язку?

5. Які ще елементи, окрім Гідрогену, можуть утворювати водневий зв’язок?

6. Поясніть, як підвищення тиску впливає на розчинність газів.

7. Поясніть, як температура впливає на розчинність газів.

8*. Чому між молекулами води існує водневий зв’язок, а між молекулами гідроген сульфіду — ні?

Застосовуємо

26. Укажіть характеристику, за якою укладено такий перелік речовин: натрій карбонат, кальцій хлорид, сульфатна кислота, калій гідроксид.

  • А оксигеновмісні речовини
  • Б речовини з йонним хімічним зв’язком
  • В добре розчинні у воді речовини
  • Г речовини, що відрізняються за агрегатним станом

27. Користуючись графіками розчинності у воді деяких солей (мал. 11), з’ясуйте, якою є розчинність кожної з речовин за температури +45 °С.

28. Користуючись малюнком 11, розташуйте назви солей за ЗБІЛЬШЕННЯМ розчинності цих речовин за температури +80 °С.

  • А барій хлорид
  • Б калій сульфат
  • В магній сульфат
  • Г барій нітрат

29. Обчисліть масову частку натрій хлориду в його насиченому за температури +20 °С розчині.

30*. Який тип хімічного зв’язку в молекулі вуглекислого газу? Чи здатна ця речовина утворювати полярні молекули, якщо у просторі всі атоми в цій молекулі розміщені на одній лінії, тобто валентний кут дорівнює 180°? Відповідь обґрунтуйте.