Вода как вещество: Свойства воды — урок. Окружающий мир, 3 класс.

Из чего состоит вода? Окружающий мир, 3 класс — Природа Мира

Содержание

  1. Состав воды
  2. Физические свойства
  3. Виды воды
  4. Таблица 1. Классификация воды по содержанию солей
  5. Интересные факты
  6. Что мы узнали?

Вода – источник жизни на нашей голубой планете. Она есть в клетках всех живых организмов. Это самое распространённое в мире вещество. Вода – один из важнейших факторов, определяющих природные условия на Земле, и влияет на формирование климата и рельефа территории.

Слово “вода” происходит от древнегерманского “текучий, мокрый”.

Состав воды

Схема структуры молекулы воды

Молекула воды (H2O) складывается из 2-х атомов водорода и 1-го атома кислорода. Это два газообразных вещества, которые, соединяясь, образуют невероятно прочные связи. Главную роль в молекуле выполняет атом кислорода. Атомы водорода несут положительный заряд, а атом кислорода  – отрицательный. Каждый из атомов водорода, крепко держась в образованной молекуле, одновременно притягивается к атому кислорода из соседней молекулы. Связи кислорода и водорода из соседних молекул гораздо слабее, чем внутри. Благодаря этим межмолекулярным связям, вода обладает рядом удивительных свойств.

Физические свойства

Дрейфующий лед

Вода – уникальное вещество на планете, способное быть в трех физических состояниях:

  • Газообразное
  • Жидкое
  • Твердое

Если спросить человека, что такое вода, то самый популярный ответ будет: “Это жидкость” . Жидкое самое распространённое в природе состояние воды.

Изменение состояния воды возможно благодаря тому, что под действием температур меняется расстояние между молекулами. В твердой форме – молекулы наиболее близко расположены друг к другу. В жидкой – подальше. В газообразной – совсем далеко, что позволяет им отрываться. При температуре от 100°С и выше это пар. От 0°С до 100°С – это вода. А ниже 0°С – это лед.

Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в правильные шестигранные формы. Все кристаллы льда похожи друг на друга. Лед обладает уникальным свойством – он легче самой воды, из которой получен, и никогда не тонет в ней. Поэтому этому водоемы всегда замерзают сверху, что позволяет сохранить жизнь на дне.

В атмосфере всегда есть мельчайшие капельки воды. Но присутствие влаги мы замечаем только тогда, когда её количество увеличивается, формируя облака и туман.

Виды воды

Морская вода

Вся вода делится на категории:

  1. Солёная (моря, океаны)
  2. Пресная (реки, озера, ледники, подземные воды)
  3. Дождевая
  4. Минеральная
  5. Вода, обработанная человеком (водопроводная, канализационная, дистиллированная, искусственная)

На планете примерно 96,5 % воды приходится на долю  морской воды. Пресной – намного меньше. Её доля – около 2,5 %, причём большая часть – в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % от всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, а в живых организмах – всего 0,003 %.

У природных вод есть важный признак – прозрачность. От этого зависит, как глубоко смогут проникнуть солнечные лучи в толщу воды. Цветность определяется количеством растворенных органических соединений, которые окрашивают воду при прохождении её через торфяные и гумусные слои почвы.

Природная солёная вода содержит большое количество разных примесей минеральных и органических соединений. Количество этих веществ оказывает влияние на плотность воды. Самые плотные в природе это морская и минеральная воды. Самой плотной считается вода Мёртвого моря. По степени солёности вода делится на несколько категорий:

Таблица 1. Классификация воды по содержанию солей

Наименование Концентрация солей Где встречаются
Рассолы Более 50 г/л Мертвое море, Озеро Ретба, Пруд Гаэтале
С повышенной солёностью 10-35 г/л Красное море, Средиземное море, Мировой океан
Солёные 3-10 г/л Мраморное море, Черное море
Солоноватые 1-3 г/л Азовское море, Белое море
С повышенной минерализацией 0,5-0,1 г/л Минеральная вода Боржоми, Нарзан

В пресной воде тоже есть соли. В основном это кальций и магний. Для такой воды есть характеристика жёсткости. Чем больше содержание примесей, тем более жёсткой называют воду.

Чистой воды в природе никогда не бывает. Вода хорошо растворяет в себе разные вещества – твердые, жидкие и газообразные. Даже дождевая вода пока падает на землю, захватывает из воздуха пыль и газы и растворяет их в себе.

Человек для своих нужд изменяет воду. В водопроводе течет пресная вода из рек и водохранилищ. Она проходит 5 стадий очистки, обеззараживается. В канализацию попадает вода загрязнённая примесями и частицами от человеческой жизнедеятельности. Прежде чем выпустить такую воду в окружающую среду, стоки очищают на специальных очистных сооружениях.

Дистиллированную воду используют в разных областях, чаще в научной и технической. Получают её,  испаряя и затем  осаждая пар на холодной поверхности. Примеси остаются в перегонном сосуде. Такая вода является наиболее чистой из всех возможных.

Пресная вода на планете распространена неравномерно. Есть области, где существует сильная её нехватка. Для решения проблемы в таких районах строят водоопреснительные станции. На этих станциях морскую воду выпаривают и получают дистиллированную воду, которая тоже непригодна для использования человеком. Её насыщают минеральными солями до показателей природной пресной воды.

Интересные факты

Многие столетия вода считалась простым веществом. В 1783 году химик Лавуазье смог разложить воду на два вещества и предположить количественное их соотношение в молекуле.

В обычных условиях вода не имеет ни вкуса, ни запаха. Вода бесцветна, но при толщине более 2 метров она приобретает голубой цвет. Это происходит благодаря рассеиванию коротких лучей солнечного спектра.

Вода – сильный поглотитель солнечной энергии. У воды есть замечательное свойство – медленно нагреваясь, она и медленно остывает. Мировой океан планет накапливает тепло летом и отдаёт его зимой. Так сглаживаются скачки температуры на планете. Суточные и сезонные колебания температуры уменьшаются вблизи водных объектов. Чем меньше в той или иной местности крупных водоемов, тем более резкоконтинентальный там климат.

Что мы узнали?

Вот краткий список основных сведений о воде, ее составе и свойствах:

  • Молекула воды состоит из 2-х атомов водорода и 1 атома кислорода
  • Лед легче воды
  • Вода – единственное на планете вещество, способное пребывать в трех агрегатных состояниях: газообразном, твердом, жидком
  • В воде всегда присутствуют примеси
  • Количество морской воды на планете гораздо больше, чем пресной
  • Вода регулирует температуру планеты

Гугломаг

Спрашивай! Не стесняйся!

Задать вопрос

Не все нашли? Используйте поиск по сайту

Search for:

«Вода как вещество. Свойства воды Значение воды для жизни на Земле»

Класс 3 Учебный предмет « Окружающий мир».

Тема урока: «Вода как вещество. Свойства воды Значение воды для жизни на Земле»

Цель:

Образовательная:

-изучить свойства воды в жидком состоянии, формировать целостный взгляд на мир через наблюдение, осознание, восприятие и практическую деятельность (исследование свойств воды).

Развивающая:

— развивать такие приёмы умственной деятельности как сравнение, классификация, анализ.

Воспитывающая:

-воспитывать экологическую культуру младшего школьника — бережное отношение к воде и природе в целом на примере охраны водных ресурсов родного края.

Тип урока: урок-исследование объекта и понятия.

Планируемые результаты:

Предметные:

—  ученики узнают информацию о значении воды для живых организмов, основные физические свойства и химические свойства воды;

— научатся определять с помощью наблюдений и опытов свойства воды, сравнивать, анализировать, обобщать, классифицировать изучаемый объект — воду;

-расширят знания о водоемах Донбасса, о глобальных проблемах человечества, закрепят знания о необходимости бережного использования воды.

Метапредметные:

Учить:

— осуществлять поиск информации, необходимой для решения учебных задач, из материалов учебника (текстов и иллюстраций), рабочей тетради, собственных наблюдений объектов природы и культуры, личного опыта общения с людьми — понимать информацию, представленную в вербальной форме, изобразительной, схематической, модельной и др.- аргументировано отвечать на вопросы, обосновывать свою точку зрения,

— адекватно использовать речевые средства для решения задач общения (приветствие, прощание, учебная игра, диалог) — вступать в учебное сотрудничество с учителем и одноклассниками, осуществлять совместную деятельность в малых и больших группах — допускать возможность существования у людей различных точек зрения, проявлять терпимость по отношению к высказываниям других, проявлять доброжелательное отношение к партнёрам

— принимать (ставить) учебно-познавательную задачу и сохранять её до конца учебных действий;

-определять и формулировать цель деятельности на уроке.

Личностные:

— формировать интерес к предметно-исследовательской деятельности, предложенной в учебнике и учебных пособиях-формировать мотивации к обучению и целенаправленной познавательной деятельности — учить организовывать свою деятельность, готовить рабочее место для выполнения разных видов работ (наблюдений, эксперимента, практической работы)

Межпредметные связи:  уроки гражданственности и духовности Донбасса, физика (пропедевтическая информация)

Оборудование и материалы:

А.А.Плешаков Учебник «Окружающий мир» 3 класс. В 2 ч. Ч.1./ 3-е изд.- М.: Просвещение, 2013 год., стаканы с водой, стаканы, ложки, полоски цветной бумаги, сахар, почва, бумажные полотенца для фильтра, сухой спирт, колба, металлическая подставка, металлический держатель, компьютер, синие и желтые капельки.

Используемые на уроке средства ИКТ: персональный компьютер учителя, мультимедийный экран, авторская презентация

Технологии: личностно-ориентированное обучение, деятельностный подход, развивающее обучение, проблемное обучение, игровые технологии, здоровьесберегающие, информационно-коммуникативные технологии, групповые технологии.

Тип урока: урок «открытия» нового знания (урок — исследование)

Ход урока

  1. 1. Организационный момент. Минутка эмоционального настроя на урок. Мотивация к учебной деятельности.

На уроке будь старательным!

Будь спокойным и внимательным.

Делай все, не отставай!

Слушай, не перебивай!

Говори все четко, внятно, чтобы было всем понятно.

  1. Определение совместно с учениками темы урока (Слайд 1)

1. Загадка:

Я и тучка, и туман,

и река, и океан,

и летаю, и бегу,

и стеклянной быть могу.

— Как вы думаете, о чём мы сегодня будем говорить на уроке?

— Что это за таинственное чудо, без которого пропал бы мир? — Это ВОДА!

На доску прикрепляется табличка «ВОДА».

  1. Ассоциативный куст.

Вода – это вещество. Какие мысли возникают у вас, когда мы говорим об этом веществе? (Учитель записывает на доске высказывания учеников:

Этот куст может расти и расти до бесконечности, т.к. роль воды на нашей планете очень велика.

ІІІ. Актуализация знаний.

Ребята, скажите, где в природе мы встречаемся с водой?

— А теперь давайте посмотрим, где в природе встречается вода, и почему воду называют таинственной.

Слайд 2 » Вода в природе».

Вы слыхали о воде?

Говорят она везде!

В луже, в море, в океане

и в водопроводном кране.

Как сосулька замерзает

В лес туманом заползает

Ледником в горах зовётся

Лентой серебристой вьётся.

Мы привыкли, что вода наша спутница всегда

IV. Изучение нового материала. Исследовательская деятельность

А сейчас пришло время поближе познакомиться с водой. Открыть тайны воды помогут опыты. Представим, что мы исследователи, которые сделают серьёзные открытия и узнают, что происходит с водой в жидком состоянии. Узнаем с помощью опытов свойств воды. Запишите в тетради с красной строки слово «Вода» и после каждого нашего открытия будете дописывать свойства воды.

 ОПЫТ №1. Опускаем в стакан с водой ложку (проводит учитель).

Оборудование: стакан с водой, ложка.

Содержание опыта: 

— Рассмотрите воду в стакане. Опустим туда ложечку. Видна ложечка?

— Почему?

Вывод: вода прозрачная (запись в тетрадь).

Опыт 2. Сравниваем цвет воды с цветом полосок (проводит учитель).

Оборудование: стакан с водой, полоски белого, синего и красного

Содержание опыта: 

— Давайте сравним воду, которая в стакане с полосками белого, синего, красного цвета.

— Что можно сказать о цвете воды? Она ни белого, ни синего, ни красного цвета.

Вывод: Вода бесцветная и прозрачная. Через неё видно предметы (запись в тетрадь).

ОПЫТ № 3 Сравниваем цвет воды с цветом полосок ( проводит ученик).

Оборудование: стакан с водой.

Содержание опыта:

Второй опыт мне поможет провести мой помощник (Назар) .

— Понюхай воду. Пахнет?

— Теперь предложи понюхайте воду в своем стакане другим ученикам.

— Какой запах вы чувствуете?

— И я тоже не почувствовала никакого запаха.

Вывод: ни Назар, ни я, ни вы, ребята, запаха у воды не почувствовали.

Вода не имеет запаха (запись в тетрадь).

ОПЫТ № 4. Определяем, имеет ли вода вкус ( проводит ученик).

Оборудование: стаканы с водой.

Содержание опыта:

Этот опыт мне тоже поможет провести помощник Коля.

— У меня возник еще один вопрос: есть ли у воды вкус? Мы потребляем воду из пищи. Пьём сок, чай. Едим на обед суп. Все эти продукты разные на вкус.

Вот интересно: есть ли вкус у простой воды? Попробуй воду. Почувствовал ты вкус?

А теперь и вы попробуйте воду со своих стаканов.

Как вы думаете, есть ли у воды вкус?

Вывод: вода не имеет вкуса (запись в тетрадь).

ОПЫТ № 5. Опускаем в стакан немного сахара, размешиваем (проводит ученик).

Оборудование: стакан с водой, сахар, ложечка.

Содержание опыта:

Насыпь в воду немного сахара. Перемешай ложечкой. Что вы заметили?

— Сахар растворился.

Вывод: вода – растворитель для некоторых веществ (запись в тетрадь).

Опыт № 6. Пропускаем грязную воду через фильтр (проводит учитель совместно с учеником).

Оборудование: стакан с водой, почва, ложечка

Содержание опыта:

— Опусти в стакан с водой кусочек почвы. Перемешай полочкой. Растворилась почва? Что стало с водой?

— Вода стала мутная.

-Сделаем из бумажного полотенца фильтр и выльем в чистый стакан эту мутную воду. Что произошло с водой?

— Вода очистилась. Грязь осталась на фильтре.

Вывод: воду можно очистить, пропустив через фильтр. Нерастворившиеся вещества остаются на фильтре (запись в тетрадь).

Опыт № 7. Нагреваем воду (проводит учитель)

Оборудование: колба с водой, металлическая подставка, горючий спирт, металлический держатель для колбы.

Содержание опыта:

— Заметьте уровень воды в чашке. Я нагреваю воду. Что заметили?

— Уровень воды чуть-чуть поднялся.

Вывод: при нагревании вода расширяется (запись в тетрадь)..

-У какого вещества вы уже наблюдали такое свойство?

— У воздуха.

А что будет с водой при охлаждении?

Вывод: при нагревании вода расширяется, при охлаждении – сжимается.

Сейчас вы увидели 7 опытов, которые нам помогли раскрыть некоторые тайны воды. Мы узнали основные свойства воды.

— Так почему воду называют таинственной?

V. Физкультминутка

Приём «ДА – НЕТка» (дети выходят из-за парт, при утвердительном ответе согласно кивают головой, при отрицательном — машут головой из стороны в сторону).

  1. Когда вода застаивается, она имеет неприятный запах? (Да)

  2. При нагревании вода расширяется? (Да)

  3. При температуре ниже нуля вода текучая? (Нет)

  4. При растворении в воде соли вода соленая? (Да)

  5. При растворении в воде сахара вода соленая? (Нет)

  6. Воду можно носить в решете? (Да)

  7. При опрокидывании стакана с водой вода упадет камнем со стола? (Нет)

  8. Вода имеет цвет? (Нет)

VI. Продолжение работы.

Рассказ учителя.

— Как вы думаете, много ли воды на земле? Посмотрите на глобус (слайд № 3).Реки покрывают наш Земной шар, словно голубой паутиной. Космонавты из космоса видят нашу планету голубой, так как воды на Земле больше, чем суши. Вода занимает ¾ поверхности земного шара. А вот так бы выглядела наша планета, если бы на земле пропала вся вода (слайды № 4,5)

Реки Донецкого края — голубая паутинка нашей «малой родины»

По территории Донецкого края протекают 110 рек, 47 из них имеют протяжённость более 25 км каждая. Давайте вспомним основные реки – Кальмиус, Миус (слайды 8-10). Реки — равнинного типа, преимущественно снежного и дождевого питания. Многие реки летом пересыхают и водоснабжение осуществляется за счёт 20 водохранилищ. Сооружены 1011 прудов общей площадью водного зеркала 8049 га (слайд 11).

Рассказ учителя об Азовском море. (Слайд 12).  Азовское море – любимое место отдыха как жителей Донецкого региона, так и его гостей. Азовское море – самое мелкое море в мире, его площадь 38 000 квадратных километров, средняя глубина его составляет 8 метров, а максимальная едва дотягивает до 14 метров. Вода в Азовском море мутная, серо-зеленого цвета. Это объясняется тем, что реки Кубань, Дон и другие несут в него огромное количество ила и песка, а также других веществ. Вода в нем хорошо прогревается солнцем – практически до самого дна.  Поэтому в Азовском море идеальные условия для произрастания большого количества водорослей. Ими питаются мелкие рачки и моллюски, а они в свою очередь прекрасная пища для рыб.

Однако рыб в Азовском море становится все меньше. Ученые считают, что главная причина этого явления – повышение солености воды и потеря рыбами своих мест откладывания икры – из-за вмешательства в жизнь моря хозяйственной деятельности человека, а именно: сокращения притока в море пресных вод.

— Давайте сделаем вывод о том, как необходимо беречь водные ресурсы нашего края (анализ ответов учеников).

VI. Рефлексия. Прием «Капелька».

— Что нового узнали на уроке?

Посмотрите, у вас на партах лежат капельки воды синие и жёлтые. Синяя капелька — урок понравился, было интересно. Жёлтая — возникали трудности.

Поднимите капельку, которую считаете нужной.

  1. Домашнее задание

Подсчитайте, сколько стаканов воды вы выпиваете за сутки.

Прочитайте в учебнике статьи на стр. 51-54 и проверьте себя по вопросам на стр. 54.

Дополнительное задание – задача: «Вычисли и запиши, сколько воды в твоем организме. Для этого нужно массу тела разделить на 3, а полученное число умножить на 2.

  1. Подведение итога:

  1. Почему вода самая главная жидкость на Земле?

  1. Подведя итог сегодняшнего урока, давайте составим СЕНКАН «ВОДА»:

  1. Что? Вода

  1. Какая она? Чистая, волшебная, чудесная,

текучая, бесцветная.

  1. Что дает людям? Дает жизнь всему живому, растворяет,

радует, охлаждает, исцеляет.

  1. Ваше отношение к воде? Бережем воду, любим её.

  1. Обобщение: Всегда и везде

Вечная слава воде!

На последнем кадре все ученики хором читают стихотворение:

Символ жизни на Земле — вода!

Экономь её и береги!

Мы ведь на планете не одни!

Таблица 1. Описание опытов

Что делаем

Вывод

Опыт 1. Опускаем в стакан с водой ложку.

Ложка видна. Вода прозрачная.

Опыт 2. Сравниваем цвет воды с цветом полосок.

Вода бесцветная и прозрачная. Через неё видно предметы.

Опыт 3. Определяем, имеет ли вода запах.

Вода не имеет запаха.

Опыт 4. Определяем, имеет ли вода вкус.

Вода не имеет вкуса.

Опыт 5. Опускаем в стакан немного сахара, размешиваем.

Вода может растворять некоторые вещества.

Опыт 6. Пропускаем грязную воду через фильтр.

Вода очищается. Нерастворившиеся вещества остаются на фильтре.

Опыт 7. Нагреваем воду.

При нагревании вода расширяется.

Вода – самое необычное вещество на Земле?

Чем вода так примечательна?

Мы сосредоточены на пользе очищенной воды, но, возможно, у нас нет времени размышлять о замечательной природе самой воды. Не будет преувеличением предположить, что его уникальные свойства делают возможным мир, в котором мы живем.

Вода — высокополярная неорганическая жидкость, способная растворять чрезвычайно широкий спектр материалов. Он имеет высокую удельную теплоемкость, теплоту парообразования и поверхностное натяжение. Он обладает высокой связностью и адгезией в твердой форме, которая менее плотна, чем жидкость. Эти свойства, которые делают его таким замечательным материалом, проистекают из его основной структуры.

Что придает воде необычные свойства?

Как показано на диаграмме, два атома водорода находятся на расстоянии 95,8 пм от атома кислорода и расположены с одной и той же стороны на расстоянии 104,5° друг от друга. Атомы водорода заряжены положительно, а атом кислорода — отрицательно, что приводит к сильно диполярной молекуле. Отрицательные атомы кислорода могут образовывать «водородные связи» с двумя атомами водорода в соседних молекулах, создавая массив связанных молекул. Молекулы воды постоянно движутся, а водородные связи разрываются и восстанавливаются, но водородные связи достаточно прочны, чтобы отвечать за большинство необычных свойств, описанных ниже:

Увеличенное притяжение между молекулами воды повышает ее температуру кипения, делая ее жидкостью при комнатной температуре, в отличие от ее ближайших соседей в периодической таблице, которые являются газами (h3S, Nh4, HF).

Все о водородных связях

Водородная связь также приводит к очень высокой удельной теплоемкости и теплотам парообразования и плавления. Это делает воду хорошим хладагентом в лаборатории и других местах, но, что более важно, она сдерживает глобальные температурные изменения. По мере охлаждения тепловое движение уменьшается, позволяя образовываться большему количеству водородных связей и предотвращая сближение молекул воды. Это поддерживает открытую кристаллическую структуру во льду, в результате чего он примерно на 10% менее плотный, чем жидкая вода. Когда лед тает и вода нагревается, водородные связи разрываются, что позволяет молекулам более плотно упаковываться при температуре до 4°C, когда вода наиболее плотная. При более высоких температурах увеличение теплового движения заставляет воду расширяться и становиться менее плотной. Низкая плотность льда имеет решающее значение для поддержания жизнеспособности водных биологических систем при отрицательных температурах окружающей среды. Он замерзает сверху, оставляя более плотную подповерхностную воду при температуре около 4°C. Лед тогда также действует как изолятор.

Вода — эффективный растворитель

Высокая полярность молекул воды делает ее очень эффективным растворителем для ионных или полярных частиц. Эти частицы в воде окружаются гидратной сферой молекул воды, например, отрицательно заряженный конец молекулы воды притягивается к положительному иону или части молекулы растворенного вещества. Это позволяет разрушить твердую решетку и растворить материал.

Притяжение между молекулами воды создает сильное сцепление и поверхностное натяжение, а ее полярная природа вызывает адгезию. Эта комбинация также приводит к капиллярному действию, при котором вода поднимается по узкой трубке против силы тяжести. Эти эффекты также имеют большое биологическое значение.

На более знакомой территории чистая вода очень слабо диссоциирует на ионы гидроксида и гидроксония. Это объясняет остаточную электропроводность сверхчистой воды 0,055 мкСм/см (эквивалентно удельному сопротивлению 18,15 МОм·см).

2H 2 O = H 3 O + + OH K W = 1 x 10 -14 при 25 ° C

На практике, Формативная вода в воде в воде в воде. среды всегда выше и зависит от растворенных в ней ионов.

Действительно любопытно, что самое распространенное вещество на Земле также является одним из самых необычных.

 

Доктор Пол Уайтхед

Получив степень бакалавра химии в Оксфордском университете, Пол сосредоточил свою карьеру на промышленном применении химии. Он получил докторскую степень в Имперском колледже в Лондоне за разработку детектора плазмы, индуцированной микроволновым излучением, для газовой хроматографии. Первую половину своей карьеры он провел, руководя группой аналитической поддержки в Исследовательско-технологическом центре Джонсона Матти, специализируясь на определении драгоценных металлов и характеристике таких приложений, как катализаторы выхлопных газов автомобилей и топливные элементы. Впоследствии, в качестве руководителя лаборатории по исследованиям и разработкам в ELGA LabWater, он участвовал во внедрении и разработке новейших технологий очистки воды. Сейчас он работает консультантом ELGA.

11.9: Вода – необычное вещество

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    46978
  •  Цели обучения
    • Определить три особых свойства воды, которые делают ее необычной для молекулы такого размера, и объяснить, как они возникают в результате образования водородных связей.
    • Объясните, что подразумевается под водородной связью и структурными особенностями молекул, которые ее вызывают.
    • Опишите «структуру» жидкой воды, как она есть.
    • Нарисуйте структурные примеры водородных связей в трех малых молекулах, отличных от H 2 O.
    • Опишите роль водородных связей в белках и ДНК.

    Большинство студентов, изучающих химию, быстро учатся связывать структуру молекулы с ее общими свойствами. Таким образом, мы обычно ожидаем, что маленькие молекулы образуют газы или жидкости, а большие — существуют в виде твердых тел при обычных условиях. И тогда мы приходим к H 2 О, и были потрясены, обнаружив, что многие предсказания далеки от истины, и что вода (и, следовательно, сама жизнь) не должна даже существовать на нашей планете! В этом разделе мы узнаем, почему эта крошечная комбинация из трех ядер и десяти электронов обладает особыми свойствами, которые делают ее уникальной среди более чем 15 миллионов химических соединений, известных нам в настоящее время.

    В воде каждое ядро ​​водорода ковалентно связано с центральным атомом кислорода парой общих электронов. В Ч 2 O, только два из шести электронов внешней оболочки кислорода используются для этой цели, а четыре электрона организованы в две несвязывающие пары. Четыре электронные пары, окружающие кислород, стремятся располагаться как можно дальше друг от друга, чтобы свести к минимуму отталкивание между этими облаками отрицательного заряда. Обычно это приводит к тетраэдрической геометрии, в которой угол между электронными парами (и, следовательно, валентный угол H-O-H ) равен 109°.0,5°. Однако, поскольку две несвязывающие пары остаются ближе к атому кислорода, они оказывают более сильное отталкивание на две пары ковалентных связей, эффективно сближая два атома водорода. В результате получается искаженное тетраэдрическое расположение, в котором угол Н—О—Н составляет 104,5°.

    Большой дипольный момент воды приводит к образованию водородных связей

    Молекула H 2 O электрически нейтральна, но положительные и отрицательные заряды распределены неравномерно. Это показано градацией цвета на схематической диаграмме здесь. Электронный (отрицательный) заряд сконцентрирован на кислородном конце молекулы, частично благодаря несвязывающим электронам (сплошные синие кружки) и высокому ядерному заряду кислорода, который оказывает более сильное притяжение на электроны. Это смещение заряда составляет электрический диполь , обозначен стрелкой внизу; вы можете думать об этом диполе как об электрическом «образе» молекулы воды.

    Противоположные заряды притягиваются, поэтому неудивительно, что отрицательный конец одной молекулы воды будет ориентироваться так, чтобы быть ближе к положительному концу другой молекулы, оказавшейся поблизости. Сила этого диполь-дипольного притяжения меньше, чем у обычной химической связи, и поэтому она полностью подавляется обычными тепловыми движениями в газовой фазе. Однако, когда H 2 Молекулы O скучены вместе в жидкости, эти силы притяжения оказывают очень заметный эффект, который мы называем (несколько ошибочно) водородными связями . А при температурах, достаточно низких, чтобы отключить разрушительные эффекты тепловых движений, вода замерзает и превращается в лед, в котором водородные связи образуют жесткую и устойчивую сеть.

    Обратите внимание, что водородная связь (показана пунктирной зеленой линией) несколько длиннее, чем ковалентная связь O—H. это тоже намного слабее , около 23 кДж моль –1 по сравнению с прочностью ковалентной связи O–H 492 кДж моль –1 .

    Давно известно, что вода обладает многими физическими свойствами, которые отличают ее от других малых молекул сопоставимой массы. Хотя химики называют это «аномальными» свойствами воды, они отнюдь не загадочны; все это вполне предсказуемые последствия того, как размер и ядерный заряд атома кислорода искажают облака электронного заряда атомов других элементов, когда они химически связаны с кислородом.

    Сочетание больших дипольных связей и коротких диполь-дипольных расстояний приводит к очень сильным диполь-дипольным взаимодействиям, называемым водородными связями, как показано для льда на рисунке \(\PageIndex{6}\). Водородная связь обычно обозначается пунктирной линией между атомом водорода, присоединенным к O, N или F (донор водородной связи ), и атомом, имеющим неподеленную пару электронов (акцептор водородной связи ). Поскольку каждая молекула воды содержит два атома водорода и две неподеленные пары, тетраэдрическое расположение максимально увеличивает количество водородных связей, которые могут быть образованы. В структуре льда каждый атом кислорода окружен искаженным тетраэдром атомов водорода, образующих мостики с атомами кислорода соседних молекул воды. Мостиковых атомов водорода 9Однако 0066, а не , равноудалены от двух атомов кислорода, которые они соединяют. Вместо этого каждый атом водорода находится на расстоянии 101 пм от одного кислорода и 174 пм от другого. Напротив, каждый атом кислорода связан с двумя атомами H на более коротком расстоянии и с двумя на более длинном расстоянии, что соответствует двум ковалентным связям O–H и двум водородным связям O⋅⋅⋅H от соседних молекул воды соответственно. Получающаяся в результате открытая, напоминающая клетку структура льда означает, что твердое тело на самом деле немного менее плотное, чем жидкость, что объясняет, почему лед плавает в воде, а не тонет.

    Рисунок \(\PageIndex{6}\): Структура льда, связанная водородными связями.

    Каждая молекула воды принимает две водородные связи от двух других молекул воды и отдает два атома водорода для образования водородных связей с еще двумя молекулами воды, образуя открытую, подобную клетке структуру. Структура жидкой воды очень похожа, но в жидкости водородные связи постоянно разрываются и образуются из-за быстрого движения молекул.

    Для образования водородной связи требуется как донор водородной связи, так и акцептор водородной связи.

    Точка кипения

    Молекулы с атомами водорода, связанными с электроотрицательными атомами, такими как O, N и F (и в гораздо меньшей степени Cl и S), склонны к необычно сильным межмолекулярным взаимодействиям. Это приводит к гораздо более высоким температурам кипения, чем наблюдаемые для веществ, в которых преобладают лондонские дисперсионные силы, как показано для ковалентных гидридов элементов групп 14–17 на рисунке \(\PageIndex{5}\). Метан и его более тяжелые соединения в группе 14 образуют ряд, температура кипения которого плавно возрастает с увеличением молярной массы. Это ожидаемая тенденция для неполярных молекул, для которых лондонские дисперсионные силы являются исключительными межмолекулярными силами. Напротив, гидриды самых легких членов групп 15–17 имеют температуры кипения более чем на 100 ° C выше, чем предсказывается на основе их молярных масс. Эффект наиболее драматичен для воды: если мы продолжим прямую линию, соединяющую точки для H 2 Te и H 2 Se к строке для периода 2, мы получаем расчетную температуру кипения воды -130°C! Представьте себе последствия для жизни на Земле, если бы вода кипела при температуре -130°C, а не 100°C.

    Рисунок \(\PageIndex{5}\): Влияние водородных связей на температуру кипения. Эти графики температур кипения ковалентных гидридов элементов групп 14–17 показывают, что температуры кипения самых легких членов каждого ряда, для которых возможно образование водородных связей (HF, NH 3 и H 2 O) аномально высоки для соединений с такой низкой молекулярной массой.

    Почему сильные межмолекулярные силы вызывают такие аномально высокие температуры кипения и другие необычные свойства, такие как высокие энтальпии испарения и высокие температуры плавления? Ответ заключается в сильно полярной природе связей между водородом и очень электроотрицательными элементами, такими как O, N и F. Большая разница в электроотрицательности приводит к большому частичному положительному заряду на водороде и, соответственно, большому частичному отрицательному заряду на O. , N или атом F. Следовательно, связи H–O, H–N и H–F имеют очень большие диполи связи, которые могут сильно взаимодействовать друг с другом. Поскольку атом водорода очень мал, эти диполи также могут приближаться друг к другу ближе, чем большинство других диполей.

    Плавучий лед на воде

    Наиболее энергетически выгодная конфигурация молекул H 2 O — это конфигурация, в которой каждая молекула связана водородной связью с четырьмя соседними молекулами. Благодаря тепловым движениям, описанным выше, этот идеал никогда не достигается в жидкости, но когда вода замерзает и превращается в лед, молекулы располагаются именно в таком порядке в кристалле льда. Такое расположение требует, чтобы молекулы находились несколько дальше друг от друга, чем это было бы в противном случае; как следствие, лед, в котором водородные связи максимальны, имеет более открытую структуру и, следовательно, меньшую плотность, чем вода.

    Вот трехмерные изображения типичной локальной структуры воды (слева) и льда (справа). Обратите внимание на большую открытость структуры льда, которая необходима для обеспечения наиболее сильной степени водородных связей в однородном протяженном кристаллическая решетка. Более тесное и беспорядочное расположение в жидкой воде может поддерживаться только большим количеством тепловой энергии, доступной выше точки замерзания.

    Когда лед тает, более сильное тепловое движение разрушает большую часть водородных связей, позволяя молекулам упаковываться более плотно. Таким образом, вода является одним из очень немногих веществ, чья твердая форма имеет меньшую плотность, чем жидкость при температуре замерзания. Однако локализованные кластеры водородных связей все еще остаются; они постоянно разрушаются и восстанавливаются, поскольку тепловые движения раскачивают и толкают отдельные молекулы. По мере того, как температура воды поднимается выше точки замерзания, размеры и время жизни этих кластеров уменьшаются, поэтому плотность воды увеличивается.

    При более высоких температурах начинает преобладать другой эффект, общий для всех веществ: с повышением температуры увеличивается и амплитуда тепловых движений. Это более сильное столкновение приводит к увеличению среднего расстояния между молекулами, уменьшая плотность жидкости; это обычное тепловое расширение. Поскольку два конкурирующих эффекта (водородная связь при низких температурах и тепловое расширение при более высоких температурах) приводят к уменьшению плотности, отсюда следует, что должна существовать некоторая температура, при которой плотность воды проходит через максимум.