Хімія. 9 клас. Гранкіна

§ 5. ІСТИННІ РОЗЧИНИ. БУДОВА МОЛЕКУЛИ ВОДИ, ПОНЯТТЯ ПРО ВОДНЕВИЙ ЗВ'ЯЗОК

Якщо, наприклад, у посудину з водою помістити кристали кухонної солі, цукру або калій перманганату («марганцівки»), то ми можемо спостерігати, як кількість твердої речовини поступово зменшується. При цьому розчин, у який було додано кристали, набуває нових властивостей: у нього з'являється солоний або солодкий смак (у випадку «марганцівки» з'являється малинове забарвлення), змінюється густина, температура замерзання та кипіння. Чому це відбувається? Як називають отримані рідини?

ЩО ТАКЕ РОЗЧИН

Рідини, отримані змішуванням речовин, у нашому прикладі вже не можна назвати водою, навіть якщо вони не відрізняються від води за зовнішнім виглядом (як у випадку із сіллю й цукром). Це істинні розчини, або просто розчини.

Розчинами називають гомогенні (однорідні) суміші, які складаються з двох або декількох речовин і продуктів їх взаємодії.

Якщо розчин профільтрувати через найщільніший фільтр, то ані сіль, ані цукор, ані калій перманганат не вдається відокремити від води. Навіть у сильний мікроскоп ми не побачимо розчинених частинок. Це відбувається тому, що розчинені речовини у воді роздроблені до найбільш дрібних частинок — молекул або йонів. Молекули та йони можуть знову зібратися в кристали тоді, коли ми випаримо воду.

• Розчини не змінюються під час зберігання, вони весь час залишаються однорідними.

Порівняємо фізичні властивості істинних розчинів, зависей і колоїдних систем (табл. 4).

Таблиця 4

Порівняння властивостей рідких дисперсних систем і розчинів

Грубодисперсні системи (зависі)

Високодисперсні системи (колоїдні)

Істинні розчини

Розмір частинок

Більше 100 нм

Від 1 до 100 нм

1 нм і менше

Стійкість

Швидко руйнуються, відбувається розподіл фаз

Руйнуються дуже повільно

Не змінюються нескінченно тривалий час (за відсутності хімічної взаємодії)

Зовнішній вигляд

Мутний

Прозорий, але спостерігається ефект Тіндаля

Прозорий

Взаємодія розчиненої речовини з розчинником

Слабка

Сильна електростатична

Сильна, властивості розчинника й розчиненої речовини можуть змінюватися

Приклади

Суміш глини з водою

Розчин білка курячого яйця

Розчин цукру у воді

В ЯКИХ АГРЕГАТНИХ СТАНАХ МОЖУТЬ БУТИ РОЗЧИНИ?

Зазвичай, коли ми говоримо про розчини, маємо на увазі рідини. Але розчини можуть бути й газоподібними.

Бажаєте приклад? Повітря. Це розчин у газоподібному стані. Чому розчин? Тому що це гомогенна суміш. Речовини, які входять до його складу, представлені молекулами різних газів. Повітря не розшаровується з часом.

Розчини можуть бути й твердими. Це, наприклад, деякі сплави. У цьому випадку атоми різних металічних елементів розташовані в загальних кристалічних ґратках. Візьміть монету жовтого кольору — 25, 50 копійок або іншої вартості (рис. 13). Сплав гомогенний. Його називають алюмінієвою бронзою. Він складається приблизно з 10 % Al і 90 % Cu, крім того, до нього можуть входити незначні домішки інших металів.

Рис. 13. Монети з алюмінієвої бронзи

Білі монети зроблені зі сплаву заліза й хрому (16-17 % Cr і 82-83 % Fe). До твердих розчинів належить також багато мінералів. Водень легко розчиняється в деяких металах, наприклад у платині. Утворюється також твердий розчин.

СКЛАД РОЗЧИНІВ

Будь-який розчин складається з розчинника й розчиненої речовини. Дуже часто в рідких розчинах розчинником є вода, але може бути спирт, олія й інші органічні речовини. Як визначити, що є розчинником, а що — розчиненою речовиною? От правило:

• Із двох або декількох компонентів розчину розчинником є той, який узято в більшій кількості й має той самий агрегатний стан, що й розчин у цілому.

Це правило не стосується води. Прийнято, що вода завжди є розчинником, навіть якщо її менше, ніж розчиненої речовини.

Розчиненою речовиною можуть бути тверді речовини, рідини, гази.

У воді, хоч іноді й дуже небагато, розчиняються майже всі речовини. Воду часто називають «універсальним розчинником». Спробуємо розібратися чому. Для цього потрібно згадати будову молекули води, адже будова речовини визначає її властивості.

БУДОВА МОЛЕКУЛИ ВОДИ

Як усі вже добре знають, до складу молекули води входять атоми Гідрогену й Оксигену. Запишемо будову зовнішнього рівня цих атомів.

Очевидно, що в результаті утворення спільних електронних пар між атомами виникають ковалентні зв'язки.

Електронегативність Оксигену (3,5) більша, ніж електронегативність Гідрогену (2,1), отже, електронна густина (частковий негативний заряд) зміщена до атома Оксигену, зв'язки ковалентні полярні.

Тепер спробуємо уявити просторову будову молекули води В утворенні молекули беруть участь 2р-електрони Оксигену, орбіталі яких розташовані під кутом 90°. Під час утворення молекули кут змінюється і дорівнює 104,5° (рис. 14). Отже, молекула води має кутову форму.

Рис. 14. Будова молекули води

За такої будови та частина молекули, в якій зосереджено атоми Гідрогену, одержує частковий позитивний заряд і називається позитивним полюсом молекули. Частина молекули, в якій розташований атом Оксигену, одержує частковий негативний заряд і називається негативним полюсом молекули.

• Якщо молекула має два полюси (от як молекула води), то її називають диполь («ди» — два, «поль» — полюс, тобто два полюси: + і -) і говорять, що вона полярна. Отже, молекула води — диполь (рис. 15).

• Вода — полярний розчинник.

Рис. 15. Молекула води — диполь

ВОДНЕВИЙ ЗВ'ЯЗОК

Розглянемо утворення водневих зв'язків між молекулами води.

Відомо, що молекули будь-яких речовин утримують одна одну завдяки слабким міжмолекулярним узаємодіям.

Виникають ці взаємодії в основному в результаті електростатичного притягання позитивно заряджених ядер атомів однієї молекули до негативно заряджених електронних оболонок атомів іншої.

А от між молекулами деяких сполук, побудованих за участі атомів Гідрогену, взаємодії сильніші в десятки разів. Пояснюється це незначним радіусом атома Гідрогену й відсутністю в них внутрішніх шарів електронів, завдяки чому сусідня молекула одержує можливість «підійти» до атома Гідрогену на дуже близьку відстань, не зазнаючи сильного відштовхування. У результаті виникають зв'язки, які називають водневими. Вони утворюються в тих випадках, коли до складу молекули, крім атомів Гідрогену, входять атоми активних неметалічних елементів з високою електронегативністю. Наприклад, у молекулі води це атоми Оксигену. Водневі зв'язки утворюються й між молекулами, у складі яких, крім атомів Гідрогену, є атоми Флуору, Нітрогену і т. д. Схематично на малюнку їх зображують крапками (рис. 16).

Рис. 16. Водневий зв'язок

Водневий зв'язок утворюється між молекулами (або фрагментами молекул у складній речовині), до складу яких входять атоми Гідрогену і сильно електронегативного елемента.

Ці зв'язки можуть утворюватися й усередині молекул, наприклад, у молекулах білку, нуклеїнових кислот та ін. (рис. 17).

Рис. 17. Водневі зв'язки в молекулах білку

Водневі зв'язки слабкі, у 15-20 разів слабше ковалентних. Але, наприклад, у рідкій воді їх дуже багато, тому для того, щоби перевести воду з рідкого стану в пароподібний, потрібно багато енергії. Ця енергія буде витрачатися на розрив водневих зв'язків між молекулами. Тому у води аномально висока температура кипіння — +100 °С.

Якби не було водневих зв'язків, вода за звичайних умов повинна була б бути газом, як і H2S. Тим більше, що у води менша молярна маса, ніж у гідроген сульфіду.

Наявністю у воді водневих зв'язків пояснюється високий ступінь упорядкованості її молекул, що зближує рідку воду з твердим тілом. З іншого боку, внаслідок таких зв'язків виникають численні порожнини, які визначають відносну «рихлість» твердої води — льоду (рис. 18). Це причина того, що він легше, ніж рідка вода: у порожнинах міститься повітря, густина зменшується. З цієї ж причини лід і сніг є гарними теплоізоляторами: вони допомагають тваринам і рослинам пережити морози.

Рис. 18. Водневі зв'язки в льоду

Поняття водневого зв'язку нам знадобиться під час розгляду механізму розчинення речовин.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

  • 50. Дайте визначення розчинам.
  • 51. До однорідних чи неоднорідних сумішей належать розчини?
  • 52. У яких агрегатних станах можуть бути розчини?
  • 53. Які зв'язки утворюються: а) між атомами в молекулі води; б) між молекулами води.
  • 54. Поясніть, чому молекула води — диполь.

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

55. Укажіть розчинник і розчинену речовину в кожному випадку:

  • газована вода;
  • столовий оцет;
  • суміш 10 мл олії та 200 мл бензину;
  • сплав міді з цинком у масовому відношенні 2:8;
  • аромат квітів у повітрі.

56. Наведіть приклади молекул неорганічних речовин, між якими утворюються водневі зв'язки, намалюйте схеми.

57. Назвіть відомі вам аномальні властивості води. Спробуйте пояснити їх з точки зору будови молекули води й наявності водневих зв'язків.

Для допитливих

58. Обговоріть роль водневих зв'язків для живих організмів, зокрема у проведенні розчинів по судинах рослин. У разі необхідності проконсультуйтеся з учителем біології.