Лёд плавает
Почему это странно?
Почти все вещества в твёрдом состоянии плотнее, чем в жидком. Но не вода: её твёрдая фаза плавает на её же жидкости.
Что нужно принести
Этот урок открывает модуль о воде. Это единственный урок модуля, где мы заглядываем внутрь молекулы: следующие четыре объясняют свойства, которые ты сможешь измерить, и все они опираются на то, что ты увидишь здесь.
Объяснение
Читать объяснение
Что мы видим
Вода ведёт себя странно — и не в мелочах, а почти во всём.
Кипит при 100 °C
Почему это странно?
Это очень маленькая молекула. Другие молекулы такого же размера, например метан, кипят при $-161\ \mathrm{^\circ C}$.
Скрепка может держаться на воде
Почему это странно?
Металл намного плотнее воды. И всё же, если положить скрепку осторожно, она не тонет.
У всех трёх странностей одна причина, и она в молекуле. Мы поищем её там, а на следующих уроках вернёмся к каждому из этих наблюдений.
Молекула в форме буквы V
Вода — это $\mathrm{H_2O}$: один атом кислорода, связанный с двумя атомами водорода. Важно не сколько в ней атомов, а как они расположены и как распределены электроны.
Два факта и одно следствие
Кислород тянет сильнее
электроотрицательностьЧто происходит
В каждой связи O–H два атома делят электроны, но не поровну: кислород более электроотрицателен и притягивает их к себе.
Результат
Кислород приобретает частичный отрицательный заряд $\delta^-$, а каждый водород — частичный положительный $\delta^+$. Это частичные заряды: молекула в целом остаётся нейтральной.
Молекула не линейная
104,5°Что происходит
Оба атома водорода находятся с одной стороны, образуя букву V.
Почему это важно
Если бы они были напротив друг друга, две полярности были бы направлены в противоположные стороны и взаимно уничтожились бы. Так как они с одной стороны, они складываются.
Из двух фактов вместе получается следствие: вода — полярная молекула. У неё есть отрицательная и положительная стороны, как у крошечного магнита с двумя полюсами.
Подсказка: нужно и то и другое. Молекула с полярными связями, но симметричной геометрией неполярна: так обстоит дело с $\mathrm{CO_2}$, который линеен.
Водородная связь
Теперь представь много молекул воды вместе. Положительная сторона одной оказывается рядом с отрицательной стороной другой, и так как разноимённые заряды притягиваются, молекулы сцепляются.
Это притяжение между водородом одной молекулы и кислородом соседней называется водородной связью. Две вещи, которые нужно чётко понимать:
- Это притяжение между молекулами, а не связь внутри молекулы. Связи O–H, которые удерживают каждую молекулу целой, намного прочнее.
- Она слабее химической связи, но намного сильнее притяжения, которое есть в других жидкостях. И в воде не одна такая связь, а сеть, потому что каждая молекула может сцепиться одновременно с четырьмя соседями.
Подумай, прежде чем открыть: метан, $\mathrm{CH_4}$, почти того же размера, что и вода, и кипит при $-161\ \mathrm{^\circ C}$. Вода кипит при $100\ \mathrm{^\circ C}$. Чем объясняется разница больше чем в 260 градусов?
Посмотреть ответ, чтобы сравнить со своим
Чтобы жидкость закипела, её молекулы должны отделиться друг от друга. В метане их почти ничто не удерживает: они разделяются при очень малой энергии. В воде же каждая молекула сцеплена с несколькими соседями водородными связями, и разрушить всю эту сеть стоит намного больше энергии.
Размер молекулы здесь ничего не объясняет. Разницу объясняет то, насколько сильно они притягиваются друг к другу.
Нить всего модуля
С этого момента каждое свойство воды, которое ты увидишь, будет объясняться одной фразой: молекулы сильно сцеплены друг с другом.
| Свойство | Урок | Что это объяснит |
|---|---|---|
| Её трудно нагреть и испарить | 14 | Нужно разорвать водородные связи, чтобы молекулы двигались быстрее и могли вырваться. |
| Лёд плавает | 15 | При замерзании водородные связи располагают молекулы в более рыхлую сетку, которая занимает больше места. |
| Образует капли и держит скрепку | 15 | Молекулы поверхности притягиваются внутрь и в стороны. |
| Растворяет очень многое | 15 | Будучи полярной, окружает и разделяет заряженные частицы. |
Анимация
Описание анимации
Анимация начинается с молекулы воды: кислород сверху, красный, а два водорода снизу, синие, образуют букву V с углом 104,5 градуса. Подпись указывает, что молекула не линейная и оба водорода находятся с одной стороны.
Затем появляются частичные заряды: знак δ− над кислородом и δ+ над каждым водородом с пояснением, что молекула в целом остаётся нейтральной. Подпись объясняет, что кислород сильнее притягивает общие электроны.
Для контраста сбоку рисуется линейная молекула из тех же атомов, но расположенных напротив друг друга. Две стрелки показывают полярности, направленные в противоположные стороны, и молекула бледнеет: если бы вода была линейной, эти полярности взаимно уничтожились бы.
Потом показана молекула воды, окружённая четырьмя соседями, соединёнными с ней пунктирными линиями — водородными связями. Подпись подчёркивает, что это притяжение между разными молекулами, а не внутри одной, и что каждая молекула может сцепиться с четырьмя соседями, образуя сеть.
В завершение сравниваются две молекулы похожего размера: вода с водородными связями кипит при 100 °C; метан, у которого молекулы практически не притягиваются, кипит при 161 градусе ниже нуля. Записанный вывод: кипеть — значит отделять молекулы друг от друга, поэтому чем сильнее они притягиваются, тем больше нужно энергии; размер молекулы разницу не объясняет.
Источники анимации: угол H–O–H и температуры кипения — из таблиц физических констант. Схема, не в реальном масштабе. Цвет обозначает элемент; это не свойство частицы.
Листы для скачивания (на испанском)
Молекула воды
Водородная связь
Задания
1. Нарисовать и отметить
- Нарисуй молекулу воды, соблюдая угловую форму. Отметь знаками $\delta^-$ и $\delta^+$, где находятся частичные заряды, и рядом напиши, почему они именно там, а не наоборот.
- Нарисуй три молекулы воды рядом и отметь пунктиром водородные связи между ними. Осторожно: связь идёт от водорода одной молекулы к кислороду другой, никогда внутри одной молекулы.
- Рядом с рисунком напиши одним предложением, чем связь O–H отличается от водородной связи.
2. Две молекулы одного размера
Сравни воду с метаном, $\mathrm{CH_4}$.
- У углерода и водорода похожая электроотрицательность. Что тогда происходит с частичными зарядами в метане?
- Кроме того, метан симметричен во всех четырёх направлениях. Может ли он образовывать водородные связи? Обоснуй.
- Объясни, почему вода кипит при $100\ \mathrm{^\circ C}$, а метан — при $-161\ \mathrm{^\circ C}$, в одном абзаце, не упоминая размер молекул.
3. Если бы вода была линейной
Напиши ответ, разделённый на три части.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…