Урок,хімія 9 клас "Вода як розчинник"

Хімія, 9 клас

Урок № 4

Тема: Вода як розчинник. Фізико-хімічна суть процесу розчинення.
            Поняття про кристалогідрати.

Мета: сформувати уявлення про розчинення як результат складного фізико-хімічного процесу взаємодії між молекулами розчиненої речовини і розчинника; дати поняття про гідратацію як процес приєднання молекул води до молекул розчиненої речовини, про продукти такого приєднання — кристалогідрати; ознайомити з особливостями будови молекул води, диполями; дати уявлення про водневий зв’язок; розвинути знання про значення води як розчинника в природі, житті та практичній діяльності людини; розвивати вміння порівнювати та робити висновки; удосконалювати вміння спостерігати, аналізувати, творчо розв’язувати поставлені завдання; формувати навички дотримання правил техніки безпеки під час виконання лабораторних робіт; виховувати бережливе ставлення до природи.

Обладнання:  картки, зразки розчинів, кристалогідрат купрум сульфату, штатив з пробірками,

Тип уроку: комбінований.

Хід уроку:

І. Організаційний момент

ІІ. Перевірка домашнього завдання

1. Перевірка наявності в учнів виконаних письмових робіт. Обговорення запитань, що виявилися найбільш складними.

2. Бесіда.

  1. Дайте визначення розчину.

2. З яких компонентів складається розчин?

3. Чим подібні емульсії та суспензії та чим вони відрізняються?

4. Як можна довести, що суміш крохмалю з водою є суспензією?

5. Наведіть приклади колоїдного та істинного розчинів.

6. У якому агрегатному стані може перебувати розчинена речовина? Наведіть приклади.

7. Розкажіть про значення розчинів.

ІІІ. Актуалізація опорних знань та мотивація навчальної діяльності

1. Технологія «Мозковий штурм».

      Ця речовина є найпоширенішою на Землі. Немає такого мінералу, організму, у складі якого вона б містилася. Вона займає 3/4 поверхні Землі, з неї більш ніж на 70 % складаються тваринні організми, вона становить 90 % об’єму плодів огірка, кавуна.

— Про яку речовину йдеться?

2. Показ практичного значення вивчення нового матеріалу.

      У ході еволюції вода створила оточуючу нас природу, живий світ та й саму людину. Саме водне середовище (Світовий океан) забезпечило всі умови для виникнення й розвитку життя. Вода стала тим «поживним бульйоном», у якому 3,5 млрд років тому за специфічних зовнішніх умов на Землі зародилося життя. Майже всі процеси, що забезпечують життєдіяльність організму,— це хімічні реакції у водному розчині.

ІV.  Етап засвоєння нових знань

1. Розвиток наукових поглядів на природу процесу розчинення.

  Прихильники фізичної теорії розчинів, яку розвивали Вант-Гофф, Арреніус і Освальд, вважали, що процес розчинення є результатом дифузії, тобто проникнення молекул розчиненої речовини у проміжки між молекулами води, тобто фізичне явище.

На противагу уявленням прихильників фізичної теорії розчинів Д. І. Менделєєв та інші хіміки доводили, що розчинення є результатом хімічної взаємодії розчиненої речовини з молекулами води, тобто хімічне явище. Тому слід визначати розчин як однорідну систему, що складається із частинок розчиненої речовини, розчинника та продуктів їхньої взаємодії.

У результаті хімічної взаємодії речовин із водою утворюються сполуки — гідрати. Про хімічну взаємодію свідчать такі ознаки хімічних реакцій, як зміна забарвлення і теплові явища при розчиненні.

М. В. Ломоносов у 1906 році встановив, що розчини замерзають при більш низькій температурі, ніж розчинник (чиста вода).

Гідрати — це нестійкі сполуки речовин із водою, що існують лише в розчині. Непрямим доказом гідратації є існування твердих кристалогідратів — солей, які можуть утримувати воду у своєму складі. Таку воду називають кристалізаційною. Зміна кольору купрум(ІІ) сульфату на блакитний при розчиненні його у воді та існування блакитних кристалів мідного купоросу є ще одним доказом гідратної теорії Д. І. Менделєєва.

У наш час загальноприйнятою є теорія, що об’єднує обидві точки зору на природу процесу розчинення,— фізико-хімічна теорія розчинів. Її основи заклав Д. І. Менделєєв у своєму підручнику «Основи хімії» ще в 1906 році.

  Учні самостійно працюють за варіантами:

Варіант 1: фізична теорія;

Варіант 2: хімічна теорія;

Варіант 3: фізико-хімічна (сучасна) теорія.

Завдання: прочитати текст підручника, скласти опорний конспект, таблиці, схеми тощо. Колективне обговорення результатів самостійної роботи, формулювання висновків.

2. Вода — полярний розчинник. Властивості води H₂O багато в чому унікальні й зумовлені будовою її молекули. В утворенні хімічних зв’язків у молекулі води беруть участь р-електрони атома Оксигену й s-електрони атомів Гідрогену. В окремій молекулі води атоми Гідрогену й Оксигену розташовані так, що утворюють рівнобедрений трикутник. Вершиною його є атом Оксигену, у кутах при основі розміщені атоми Гідрогену. Зв’язки H—О—H розташовані під кутом 104,5º. Атом Оксигену має значно більшу електронегативність, ніж атом Гідрогену, тому зв’язок О—H є полярним. Атоми Гідрогену мають частковий позитивний заряд, а атом Оксигену — частковий негативний заряд. У різних частинах молекули зосереджені протилежні заряди. Отже, молекула води є полярною, має кутову форму і є електричним диполем. Кожна молекула води, як магніт, притягує до себе інші молекули або йони. Тому, на відміну від більшості інших рідин, вода є ідеальним розчинником для багатьох речовин. Саме завдяки електростатичній взаємодії між частинками речовин, що розчиняються, і диполями води в розчинах утворюються гідрати.

Другою особливістю води є те, що вона має найбільшу константу діелектричної проникності — 78. Це означає, що у воді електростатичне притягання двох протилежно заряджених йонів знижується в 78 разів. Тобто зв’язки між йонами в кристалах речовини при розчиненні у воді стають у 78 разів слабкішими й кристал значно легше руйнується.

Розчинюючій дії води тією чи іншою мірою підвладні й тверді тіла, і рідини, і гази. Маючи полярну молекулу, вода належить до полярних розчинників. Найлегше в ній розчиняються речовини, що мають полярні молекули або йонні кристали. Добре розчинними у воді, нейтральними сполуками є гліцерол та цукор, оскільки вони також здатні утворювати специфічні зв’язки з молекулами розчинника.

Постійно контактуючи з безліччю речовин, вода завжди є розчином різного, найчастіше дуже складного складу. Вода хімічно не змінюється під впливом більшості тих сполук, які вона розчиняє, і у свою чергу не змінює їх. Тобто вона є інертним розчинником, що важливо для живих організмів на нашій планеті, оскільки необхідні поживні речовини надходять до організму у водних розчинах у порівняно сталому вигляді.

3. Водневий зв’язок.

Демонстрація. Теплові явища під час розчинення (розчинення амоній нітрату і концентрованої сульфатної кислоти у воді).

Виявилося, що коли атом Гідрогену опиниться між двома електронегативними атомами (F, О, N, рідше Сl і S), то може утворюватися хімічний зв’язок. Це так званий водневий зв’язок. Водневий зв’язок утворюється між електронегативними атомами, з яких хоча б один має вільну електронну пару, наприклад: метанол (метиловий спирт), ціанідна (синильна кислота).

Зв’язок, що утвориться між атомами Гідрогену однієї молекули і атомом дуже електронегативного елемента (O, N, F) іншої молекули, називається водневим зв’язком. Може виникнути запитання: «Чому саме Гідроген утворює такий специфічний хімічний зв’язок?».

Це пояснюється тим, що атомний радіус Гідрогену дуже малий. Крім того, при зміщенні або повній віддачі свого єдиного електрона Гідроген набуває позитивного заряду, тому Гідроген однієї молекули взаємодіє з атомами електронегативних елементів із частковим негативним зарядом, що містяться у складі інших молекул (HF, H₂O, NH₃).

Розглянемо деякі приклади. Зазвичай ми зображуємо склад води хімічною формулою H₂O. Однак правильніше було б склад води позначати формулою (H₂O)n, де n = 2, 3, 4 і т. д. Це пояснюється тим, що окремі молекули води пов’язані між собою за допомогою водневих зв’язків.

Водневий зв’язок прийнято позначати крапками. Він набагато слабший за йонний або ковалентний зв’язок, але міцніший, ніж звичайна міжмолекулярна взаємодія.

Наявність водневих зв’язків пояснює збільшення об’єму води при зниженні температури. Це пов’язано з тим, що при зниженні температури відбувається зміцнення молекул і тому зменшується щільність їх розміщення.

4. Процес розчинення у воді

Наприклад, якщо ми додаємо до чаю цукор, то можемо спостерігати, як кількість твердої речовини поступово зменшується. Якщо чай холодний, то цукор розчиняється повільно. Навпаки, якщо чай гарячий, то розчинення відбувається швидко. Потрапляючи у воду, молекули цукру, що розташовані на поверхні кристалів цукрового піску, утворюють зв’язки з молекулами води. При цьому з однією молекулою цукру з’єднується кілька молекул води. Тепловий рух молекул води змушує зв’язані з ними молекули цукру відриватися від кристала й переміщуватися до молекул розчинника. Молекули цукру, що перейшли з кристала в розчин, можуть пересуватися по всьому об’єму розчину разом з молекулами води завдяки дифузії. Якщо розчин нагрівати або перемішувати, то дифузія відбувається інтенсивніше й цукор розчиняється швидше. Молекули цукру розподіляються рівномірно, і розчин стає однаково солодким по всьому об’єму.

Речовини при розчиненні хімічно не змінюються, після випарювання розчинів ми можемо знову одержати розчинену речовину у твердому стані. При розчиненні руйнуються лише кристалічні ґратки розчиненої речовини і її частинки переміщуються в розчині. Отже, розчинення — це фізичний процес. Для здійснення такого процесу необхідно витратити певну кількість енергії.

Але коли молекули розчиненої речовини зв’язуються з молекулами води, то фактично утворюються нові хімічні сполуки. Ці молекулярні асоціати не мають сталого складу. Їхня загальна назва ― гідрати.

Процес хімічної взаємодії речовин із водою називається гідратацією.

При випарюванні розчинів відбувається руйнування гідратів і утворення кристалічної речовини. Однак деякі речовини здатні утворювати стійкі гідрати, що можуть містити воду навіть у кристалічному стані. Такі речовини називаються кристалогідратами. Їх можна виділити з розчину, повільно випарюючи воду. У формулах таких речовин кристалізаційна вода вказується після формули сполуки зі знаком множення. Наприклад: CuSO₄ · 5H₂O ― мідний купорос, FeSO₄ · 7H₂O ― залізний купорос. Утворення гідратів, тобто нових речовин, свідчить, що розчинення — це хімічний процес.

Розібратися в суті процесу розчинення допомагає вивчення теплових явищ, що при цьому відбуваються. Відомо, що однією з ознак хімічних реакцій є виділення теплоти, а для фізичних явищ необхідні витрати енергії. Розчинення сульфатної кислоти супроводжується сильним розігрівом розчину, тобто гідратація супроводжується виділенням енергії. Це результат хімічної взаємодії між молекулами води й розчиненої речовини. А розчинення амоній нітрату супроводжується охолодженням розчину. У цьому випадку на фізичний процес руйнування кристалічних ґраток витрачається більше енергії, ніж утворюється при одержанні гідратів.

Наведені факти свідчать про те, що розчинення варто вважати фізико-хімічним процесом.

Розчинення — це складний фізико-хімічний процес, при якому відбувається взаємодія частинок розчинника та речовини, що розчиняється.

5. Кристалогідрати

Гідрати — нестійкі сполуки речовин із водою, що існують лише в розчині. Непрямим доказом гідратації є існування твердих кристалогідратів — солей, у складі яких міститься вода. Таку воду називають кристалізаційною. Наприклад, до кристалогідратів належить добре відома сіль блакитного кольору — мідний купорос CuSO₄ ∙ 5H₂O. Безводний купрум(II) сульфат — це кристали білого кольору. Зміна кольору купрум(ІІ) сульфату на блакитний при розчиненні його у воді й існування блакитних кристалів мідного купоросу є ще одним доказом гідратної теорії Д. І. Менделєєва.

Забарвлення деяких кристалогідратів і безводних солей

6. Значення води в природі та житті людини

Людство здавна приділяло велику увагу воді, оскільки добре відомо, що там, де немає води, немає і життя. Вода перебуває в постійному активному кругообігу. Його рушійною силою є енергія Сонця, а головним джерелом — Світовий океан. Вода перебуває на Землі в постійному русі. Час її перебування в атмосфері змінюється із широтою місцевості. Зміна води в річках відбувається в середньому 30 разів на рік, тобто кожні 12 днів. Волога, що міститься в ґрунті, оновлюється за один рік. Води проточних озер поновлюються за 10 років, а непроточних за 200–300 років. Води Світового океану оновлюються в середньому за 3000 років. Ці цифри свідчать про те, скільки часу необхідно для самоочищення водойм. Слід мати на увазі, що якщо річка витікає з брудного озера, то час її самоочищення визначається часом самоочищення озера. Кругообіг води — життєво важливий процес, оскільки він забезпечує суходіл прісною водою. У процесі кругообігу вода руйнує і розчиняє тверді породи і переносить їх до інших місць з утворенням наносів, тим самим змінюючи рельєф нашої планети.

Здоровий організм дорослої людини перебуває в стані водної рівноваги, або водного балансу. Він полягає в тому, що кількість води, споживана людиною, дорівнює кількості води, що виводиться з організму. Водний обмін є важливою складовою загального обміну речовин живих організмів, у тому числі й людини. Загальний об’єм води, що споживається людиною протягом доби з їжею та напоями, становить 2–2,5 л. Завдяки водному балансу стільки ж води виводиться з організму. Нирками й сечовивідними шляхами видаляється близько 50–60 % води. При втраті організмом людини 6–8 % вологи понад звичайну норму підвищується температура тіла, червоніє шкіра, частішає серцебиття й дихання, з’являється м’язова слабкість і запаморочення, починається головний біль. Втрата 10 % води може призвести до незворотних змін в організмі, а втрата 15–20 % призводить до смерті, оскільки кров настільки густішає, що серце не може її перекачувати. За добу серце перекачує близько 10 000 л крові.

Для приготування їжі та як питну можна використовувати природну воду, за умови, що вона не містить шкідливих мікроорганізмів і шкідливих мінеральних і органічних домішок, якщо вона прозора, безбарвна і не має присмаку й запаху. Згідно з Державним стандартом, вміст мінеральних домішок не може перевищувати 1 г/л. Кислотність води в одиницях рН має бути в межах 6,5–9,5, а концентрація нітрат-іонів не повинна перевищувати 50 мг/л. Якість води має також відповідати бактеріологічним вимогам і мати допустимі показники токсичних і шкідливих хімічних сполук. Цим вимогам зазвичай задовольняє колодязна і джерельна вода. Однак у великих обсягах знайти воду, що відповідає Державному стандарту, важко. Тому воду доводиться очищати на спеціальних станціях. Із давніх часів для стерилізації питної води використовувалося просте кип’ятіння. Стародавні греки додавали у воду сухе вино, що створювало кисле середовище, у якому гинуло багато хвороботворних мікроорганізмів. Ще в давнину було відомо, що вода після контакту з металевим сріблом набувала цілющих властивостей. Стародавні індуси знезаражували воду зануренням у неї платівок із срібла. У російській православній церкві парафіяни отримують святу воду витримуванням у срібних посудинах. У деяких країнах існував звичай при освяченні колодязів кидати в них срібні монети. У наш час вважається, що антимікробних властивостей воді надають не атоми срібла, а йони Ag⁺.

Природні води, що містять солі, розчинені гази, органічні речовини в більших концентраціях, ніж звичайна питна вода, називають мінеральними. Оскільки вода є дуже добрим розчинником, у природі вона завжди містить певні розчинені речовини. Їхній вид і кількість залежать від складу порід, з якими вода перебувала в контакті. Найменша кількість домішок і розчинених речовин міститься в дощовій воді. Проте навіть вона містить розчинені гази, солі, тверді частинки. Солі, що містяться в дощовій воді, потрапляють до неї з океанів і морів. Твердий залишок, що утворюється при випаровуванні дощової води,— це частинки пилу, які потрапили до крапель води.

V.  Узагальнення й систематизація знань

     Робота з підручником

Учні за підручником і конспектом складають запитання до вивченого матеріалу. Можна об’єднати клас у групи й улаштувати змагання. Оцінювати можна як відповіді, так і цікаві запитання. Деякі запитання можна запропонувати як домашнє завдання, інструктаж щодо його виконання.

VІ. Домашнє завдання, інструктаж щодо його виконання

Індивідуальне завдання. Напишіть твір-роздум на тему «Якщо на планеті Земля зникне вода, то…».

VІІ. Підбиття підсумків уроку

     Анонімне тестування

1. Мені це знадобиться в житті.      2. На уроці було над чим поміркувати.

3. На всі запитання, що виникли, я отримав(-ла) відповіді.    4. На уроці я попрацював(-ла) сумлінно.