Конспект урока химии "Агрегатные состояния веществ и водородная связь."

План урока №24

Дисциплина: Химия

Тема программы: Строение вещества

Тема урока: Агрегатные состояния веществ и водородная связь.

Тип урока: комбинированный

Цели урока:

Образовательная: изучить механизм образования водородной связи, её виды, свойства и значения в природе и жизни человека.

Развивающая: развитие внимания, наблюдательности, познавательного интереса к предмету.

Воспитательная: воспитание бережного отношения к своему здоровью, чувство коллективизма, ответственного отношения к учёбе.

Материально-дидактическое обеспечение урока: учебник Химия. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций/ Г.Е. Рудзитис, таблица Менделеева, таблицы электроотрицательности, примеры веществ в разных агрегатных состояниях.

Межпредметные и внутрипредметные связи: Молекулярные и атомные кристаллические решетки, физика; биология.

Ход урока:

I. Организационный этап (1-2 мин):

- приветствие;

- проверка отсутствующих;

- проверка готовности учащихся к работе;

- проверка подготовленности кабинета к уроку;

- организация внимания.

II. Этап всесторонней проверки знаний (10-15 мин):

Метод: Фронтальный опрос:

III. Этап подготовки учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала (1-2 мин):

- сообщение темы и цели урока;

- мотивация учебной деятельности учащихся.

IV.Этап усвоения новых знаний (20-25 мин)

План изложения:

1. Агрегатное состояние вещества

2. Переходы из одного агрегатного состояния вещества в другое

3. Водородная связь

4. Особенности водородной связи

V. Этап закрепления новых знаний (8-10 мин):

Метод: тест "Водородная связь"

VI. Этап информации учащихся о домашнем задании, инструктаж по его выполнению (2-3 мин):

- поведение итогов урока;

- аргументация выставленных оценок;

- сообщение домашнего задания;

- инструктаж по выполнения домашнего задания: выполнить задания на странице 38 учебника«Химия. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций/ Г.Е. Рудзитис».

Преподаватель: Решетник В.И.

Задания для всесторонней проверки знаний

1.     Что такое металлическая связь? Для каких веществ она характерна?

2.     Что такое металлическая кристаллическая решетка?

3.     Какими общими физическими свойствами обладают металлы и сплавы?

4.     Какую кристаллическую решетку имеет вещество, обладающее следующими свойствами: очень твердое, тугоплавкое, нерастворимое в воде, но проводящее электрический ток в расплавленном виде? К какому классу может принадлежать это вещество?

5.     Почему пластинки из кремния при сильном ударе разлетаются на куски, а из олова или свинца только деформируются? В каком случае происходит разрушение химической связи?

6.     Подчеркнуть, какой из приведенных металлов самый:

·         широко используемый: золото, серебро, железо;

·         ковкий: литий, калий, золото;

·         тугоплавкий: вольфрам, магний, цинк;

·         тяжелый: рубидий, осмий, цезий;

·         электропроводный: никель, свинец, серебро;

·         твердый: хром, марганец, медь;

·         легкоплавкий: платина, ртуть, литий;

·         легкий: калий, франций, литий;

·         блестящий: калий, золото, серебро.

Агрегатное состояние вещества

Вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Молекулярные силы в разных агрегатных состояниях различны: в твердом состоянии они наибольшие, в газообразном — наименьшие. Различием молекулярных сил объясняются свойства, которые проявляются в разных агрегатных состояниях:

• твердые тела сохраняют объем и форму (несжимаемы), имеют кристаллическое строение, характеризуются плотной упаковкой и дальним порядком в расположении частиц;
• жидкости текучи, практически не сжимаются (сохраняют объем), принимают форму сосуда, характеризуются плотной упаковкой и ближним порядком в расположении частиц;
• газы легко сжимаются, полностью занимают весь предоставленный им объем, имеют малую плотность, характеризуются большими расстояниями и слабым взаимодействием частиц вещества.
• В твердых телах расстояние между молекулами маленькое и преобладают силы взаимодействия. Поэтому твердые тела обладают свойством сохранять форму и объем. Молекулы твердых тел находятся в постоянном движении, но каждая молекула движется около положения равновесия.

В жидкостях расстояние между молекулами побольше, значит, меньше и силы взаимодействия. Поэтому жидкость сохраняет объем, но легко меняет форму.

В газах силы взаимодействия совсем невелики, так как расстояние между молекулами газа в несколько десятков раз больше размеров молекул. Поэтому газ занимает весь предоставленный ему объем.

Переходы из одного агрегатного состояния вещества в другое

Плавление вещества переход вещества из твердого состояния в жидкое.

Этот фазовый переход всегда сопровождается поглощением энергии, т. е. к веществу необходимо подводить теплоту. При этом внутренняя энергия вещества увеличивается. Плавление происходит только при определенной температуре, называемой температурой плавления. Каждое вещество имеет свою температуру плавления. Например, у льда t_пл=0°C.

Пока происходит плавление, температура вещества не изменяется.

Что надо сделать, что расплавить вещество массой m? Сначала нужно его нагреть до температуры плавления t_пл, сообщив количество теплоты c·m·ΔT, где c –удельная теплоемкость вещества. Затем необходимо подвести количество теплоты λ·m, где λ – удельная теплота плавления вещества. Само плавление будет происходить при постоянной температуре, равной температуре плавления.

Кристаллизация (затвердевание) вещества переход вещества из жидкого состояния в твердое.

Это процесс, обратный плавлению. Кристаллизация всегда сопровождается выделением энергии, т. е. от вещества необходимо отводить теплоту. При этом внутренняя энергия вещества уменьшается. Она происходит только при определенной температуре, совпадающей с температурой плавления.

Пока происходит кристаллизация, температура вещества не изменяется.

Что надо сделать, что вещество массой кристаллизовалось? Сначала нужно его охладить до температуры плавления t_пл, отведя количество теплоты c·m·ΔT, где c –удельная теплоемкость вещества. Затем необходимо отвести количество теплоты λ·m, где λ – удельная теплота плавления вещества. Кристаллизация будет происходить при постоянной температуре, равной температуре плавления.

Парообразование вещества переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Этот фазовый переход всегда сопровождается поглощением энергии, т. е. к веществу необходимо подводить теплоту. При этом внутренняя энергия вещества увеличивается.

Различают два вида парообразования: испарение и кипение.

Испарение парообразование с поверхности жидкости, происходящее при любой температуре.

Скорость испарения зависит от:

• температуры;
• площади поверхности;
• рода жидкости;
• ветра.

Кипение парообразование по всему объему жидкости, которое происходит только при определенной температуре, называемой температурой кипения.

Каждое вещество имеет свою температуру кипения. Например, у воды t_кип = 100°С. Пока происходит кипение, температура вещества не изменяется.

Что надо сделать, чтобы вещество массой выкипело? Сначала нужно его нагреть до температуры кипения t_кип, сообщив количество теплотыc·m·ΔT, где c –удельная теплоемкость вещества. Затем необходимо подвести количество теплоты L·m, где L – удельная теплота парообразования вещества. Само кипение будет происходить при постоянной температуре, равной температуре кипения.

Конденсация вещества переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Это процесс, обратный парообразованию. Конденсация всегда сопровождается выделением энергии, т. е. от вещества необходимо отводить теплоту. При этом внутренняя энергия вещества уменьшается. Она происходит только при определенной температуре, совпадающей с температурой кипения.

Пока происходит конденсация, температура вещества не изменяется.

Что надо сделать, чтобы вещество массой m сконденсировалось? Сначала нужно его охладить до температуры кипения t_кип, отведя количество теплотыc·m·ΔT, гдеc –удельная теплоемкость вещества. Затем необходимо отвести количество теплоты L·m, где L – удельная теплота парообразования вещества. Конденсация будет происходить при постоянной температуре, равной температуре кипения.

Водородная связь

Водородная связь (Н-связь) – особый тип взаимодействия между реакционно-способными группами, при этом одна из групп содержит атом водорода, склонный к такому взаимодействию. Водородная связь – глобальное явление, охватывающее всю химию. В отличие от обычных химических связей, Н-связь появляется не в результате целенаправленного синтеза, а возникает в подходящих условиях сама и проявляется в виде межмолекулярных или внутримолекулярных взаимодействий.

Электроотрицательность – способность атома удерживать валентные электроны на внешнем энергетическом уровне или количественная характеристика, показывающая, с какой силой притягиваются электроны к ядру атома. Наиболее электроотрицательными элементами являются фтор, азот и кислород.

Сильное электростатическое взаимодействие между атомом водорода и электроотрицательными атомами обуславливается небольшими размерами атома водорода и силой притяжения атомов элементов. В результате возникает частный случай ковалентной полярной связи. Примерами водородной химической связи являются:

• плавиковая кислота (HF);
• вода (H₂O);
• аммиак (NH₃);
• соляная кислота (HCl);
• сероводород (H₂S).

Наличие водородной связи обуславливает физические и химические свойства вещества. В частности определяет температуру плавления, кипения, растворимость, кислотность.

Особенностью связи является её невысокая прочность и распространённость, особенно в органических веществах.

Типы

Водородная связь бывают двух типов:

• межмолекулярная, возникающая между несколькими однотипными молекулами;
• внутримолекулярная, возникающая внутри одной молекулы.

Способ образования связи в обоих типах одинаковый. Разница только в том, что с помощью межмолекулярной водородной связи образуются цепочка молекул, а при внутримолекулярной связи водород «сцепляется» с атомами внутри молекулы.

Например, молекула воды образована одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. За счёт высокой электроотрицательности кислород, на внешнем энергетическом уровне которого шесть электронов, притягивает единственные электроны двух атомов водорода. Две пары электронов кислорода остаются свободными. При этом у водорода освобождается орбиталь. Другая аналогичная молекула может присоединиться в месте свободных электронных пар атома кислорода, заполнив освободившуюся орбиталь водорода. Возникает межмолекулярная водородная связь.

Аналогичным образом соединяются молекулы плавиковой кислоты и аммиака. Однако связь между азотом и водородом будет слабее, чем между водородом и кислородом. Также молекулы плавиковой кислоты сильнее притягиваются друг к другу, чем молекулы воды. Это объясняется величиной электроотрицательности.

Внутримолекулярная водородная связь чаще всего возникает внутри сложных молекул органических веществ – белков, ДНК, аренов. Например, водородная связь образуется в молекуле салициловой кислоты между атомом водорода гидроксильной группы и кислорода, входящего в функциональную группу -СООН.

Особенности водородной связи

Отличительная черта водородной связи – сравнительно низкая прочность, ее энергия в 5–10 раз ниже, чем энергия химической связи. По энергии она занимает промежуточное положение между химическими связями и Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, теми, что удерживают молекулы в твердой или жидкой фазе.

В образовании Н-связи определяющую роль играет электроотрицательность участвующих в связи атомов – способность оттягивать на себя электроны химической связи от атома – партнера, участвующего в этой связи. В результате на атоме А с повышенной электроотрицательностью возникает частичный отрицательный заряд d- , а на атоме-партнере – положительный d+, химическая связь при этом поляризуется: Аd-–Нd+.

Возникший частичный положительный заряд на атоме водорода позволяет ему притягивать другую молекулу, также содержащую электроотрицательный элемент, таким образом, основную долю в образование Н-связи вносят электростатические взаимодействия.

В формировании Н-связи участвуют три атома, два электроотрицательных (А и Б) и находящийся между ними атом водорода Н, структура такой связи может быть представлена следующим образом: Б···Нd+–Аd- (водородную связь обычно обозначают точечной линией). Атом А, химически связанный с Н, называют донором протона (лат. donare – дарить, жертвовать), а Б – его акцептором (лат. acceptor – приемщик). Чаще всего истинного «донорства» нет, и Н остается химически связанным с А.

Атомов – доноров А, поставляющих Н для образования Н-связей, не много, практически всего три: N, O и F, в то же время набор атомов-акцепторов Б весьма широк.

Само понятие и термин «водородная связь» ввели В.Латимер и Р.Родебуш в 1920, для того, чтобы объяснить высокие температуры кипения воды, спиртов, жидкого HF и некоторых других соединений. Сопоставляя температуры кипения родственных соединений Н₂O, Н₂S, Н₂Se, и Н₂Te, они обратили внимание на то, что первый член этого ряда – вода – кипит намного выше, чем это следовало из той закономерности, которую образовали остальные члены ряда. Из этой закономерности следовало, что вода должна кипеть на 200°С ниже, чем наблюдаемое истинное значение.

Точно такое же отклонение наблюдается для аммиака в ряду родственных соединений: NН₃, Н₃P, Н₃As, Н₃Sb. Его истинная температура кипения (–33°С) на 80°С выше ожидаемого значения.

При кипении жидкости разрушаются только Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия, те, что удерживают молекулы в жидкой фазе. Если температуры кипения неожиданно высокие, то, следовательно, молекулы связаны дополнительно еще какими-то силами. В данном случае это и есть водородные связи.

Точно также повышенная температура кипения спиртов (в сравнении с соединениями, не содержащими группу -ОН) – результат образования водородных связей.

В настоящее время надежный способ обнаружить Н-связи дают спектральные методы (чаще всего инфракрасная спектроскопия). Спектральные характеристики групп АН, связанных водородными связями, заметно отличаются от тех случаев, когда такая связь отсутствует. Кроме того, если структурные исследования показывают, что расстояние между атомами Б – Н меньше суммы Ван-дер-Ваальсовых радиусов, то считают, что присутствие Н-связи установлено.

Помимо повышенной температуры кипения водородные связи проявляются себя также при формировании кристаллической структуры вещества, повышая его температуру плавления. В кристаллической структуре льда Н-связи образуют объемную сетку, при этом молекулы воды располагаются таким образом, чтобы атомы водорода одной молекулы были направлены к атомам кислорода соседних молекул:

Борная кислота В(ОН)₃ имеет слоистую кристаллическую структуру, каждая молекула связана водородными связями с тремя другими молекулами. Упаковка молекул в слое образует паркетный узор, собранный из шестиугольников:

Большинство органических веществ не растворимо в воде, когда такое правило нарушается, то, чаще всего, это результат вмешательства водородных связей.

Кислород и азот – основные доноры протонов, они берут на себя функцию атома А в рассмотренной ранее триаде Б···Нd+–Аd-. Они же, чаще всего, выступают в роли акцепторов (атом Б). Благодаря этому некоторые органические вещества, содержащие O и N в роли атома Б, могут растворяться в воде (роль атома А исполняет кислород воды). Водородные связи между органическим веществом и водой помогают «растащить» молекулы органического вещества, переводя его в водный раствор.

Задания для закрепления новых знаний

Тест "Водородная связь"

1. Частным случаем какого типа связи является водородная связь?

a)   Ковалентной неполярной связи

b)  Ковалентной полярной связи

c)   Ионной связи

d)  Металлической связи

2. Между какими атомами возникает водородная связь?

a)   Водородом и любым другим элементом

b)  Водородом и атомом с большей атомной массой

c)   Водородом и элементами с высокой электроотрицательностью

d)  Водородом и неметаллами

3. Каковы основные особенности водородной связи?

a)   Невысокая прочность, распространённость

b)  Высокая прочность, распространённость

c)   Невысокая прочность, редкость

d)  Высокая прочность, редкость

4. В каком веществе водородная связь более прочная?

a)   В воде

b)  В аммиаке

c)   В соляной кислоте

d)  В плавиковой кислоте

5. Какое вещество является примером внутримолекулярной водородной связи?

a)   Сероводород

b)  ДНК

c)   Углеводы

d)  Борная кислота