Week 2 · 1-2 Chemical Properties of Water: the water molecule, polarity, hydrogen bonds and boiling point, water as a universal solvent (NaCl), ionic equilibrium, hydrolysis of salts, pH and its measurement · 3 lessons
1
جزيء الماء: شكله وقطبيته والرابطة الهيدروجينية
Integrated Science Sec 1 Term 1, Unit 1: pp. 8–15
الهدفأصف شكل جزيء الماء، وأفسّر لماذا هو قطبي، وأبيّن ما الرابطة الهيدروجينية ولماذا ترفع درجة غليان الماء.
كلمات جديدة
الرابطة التساهمية · رابطة تتشارك فيها ذرتان في الإلكتروناتجزيء قطبي · جزيء له طرف سالب قليلًا وطرف موجب قليلًا لأن الإلكترونات المشتركة فيه غير موزعة بالتساوي بين الذرتينالرابطة الهيدروجينية · تجاذب بين ذرة الأكسجين السالبة قليلًا في جزيء ماء وذرة الهيدروجين الموجبة قليلًا في جزيء مجاور
الشرح
يتكون جزيء الماء من ذرة أكسجين واحدة وذرتي هيدروجين ترتبط بهما برابطتين تساهميتين أحاديتين، والزاوية بين الرابطتين نحو ١٠٤٫٥°، فالجزيء منحنٍ وليس مستقيمًا. وبالكتلة يكوّن الأكسجين ١٦ جزءًا من كل ١٨ جزءًا (٨٨٫٨٩%) ويكوّن الهيدروجين جزأين من كل ١٨ جزءًا (١١٫١١%)؛ فنسبة كتلة الهيدروجين إلى الأكسجين ١ : ٨، وهذا يختلف عن نسبة عدد الذرات ٢ : ١. والأكسجين أعلى سالبية كهربية: فهو يجذب الإلكترونات المشتركة نحوه أكثر. لذلك تحمل ذرة الأكسجين شحنة سالبة جزئية (δ−) وتحمل كل ذرة هيدروجين شحنة موجبة جزئية (δ+)، ويكون الجزيء قطبيًا مع أنه متعادل الشحنة في مجموعه. وتجذب ذرة الأكسجين δ− في جزيء ذرة الهيدروجين δ+ في الجزيء المجاور، وهذه هي الرابطة الهيدروجينية. وهي أضعف كثيرًا من الرابطة التساهمية، وتعمل بين الجزيئات بينما الروابط التساهمية داخلها. ويستطيع كل جزيء تكوين حتى أربع روابط هيدروجينية، فيصبح الماء السائل شبكة. وتفسر هذه الشبكة لماذا يغلي الماء (كتلته الجزيئية ١٨) عند ١٠٠ °C بينما يغلي كبريتيد الهيدروجين (كتلته ٣٤) عند نحو −٦١ °C.
أمثلة محلولة
كم أكسجين وهيدروجين في ٣٦ g من الماء؟ نسبة كتلة الهيدروجين إلى الأكسجين ١ : ٨، فالماء ٩ أجزاء في المجموع. والجزء الواحد ٣٦ ÷ ٩ = ٤ g. الهيدروجين جزء واحد = ٤ g، والأكسجين ٨ أجزاء = ٣٢ g. للتحقق: ٤ g + ٣٢ g = ٣٦ g. وبالطريقة نفسها يحتوي ٩٠ g من الماء على ١٠ g من الهيدروجين و٨٠ g من الأكسجين.
كتلة الماء (١٨) أصغر من كتلة كبريتيد الهيدروجين (٣٤)، ومع ذلك يغلي الماء عند درجة أعلى منه بمقدار ١٦١ درجة: ١٠٠ − (−٦١) = ١٦١ °C. وعادةً يغلي الجزيء الأثقل عند درجة أعلى، فلا بد أن شيئًا آخر يمسك جزيئات الماء معًا. إنه الروابط الهيدروجينية التي تحتاج إلى طاقة كبيرة لكسرها.
هل كل مما يلي رابطة تساهمية أم هيدروجينية؟ (أ) بين O وH داخل جزيء ماء واحد؛ (ب) بين أكسجين جزيء وهيدروجين الجزيء التالي. (أ) تساهمية، و(ب) هيدروجينية. وطريقة للتذكر: التساهمية داخل الجزيء، والهيدروجينية بين الجزيئات.
نشاط الفصل
نموذج الجزيء المنحني، بمساعدة أحد الكبار. اصنع جزيء ماء من خرزة كبيرة (أكسجين) وخرزتين صغيرتين (هيدروجين) على شريطين من الورق مثنيين بزاوية نحو ١٠٥°. اصنع ثلاثة جزيئات، وضعها متجاورة بحيث يكون أكسجين أحدها قريبًا من هيدروجين التالي، ثم صل كل زوج قريب بخط منقط: هذه هي الروابط الهيدروجينية. ثم ضع قطرة ماء على قطعة نقود وأضف القطرات واحدة بعد أخرى. صف عدد القطرات التي تثبت على القطعة وشكل الماء الذي يتكوّن.
تدرّب
1
في جزيء الماء، أي ذرة تحمل الشحنة السالبة الجزئية، ولماذا؟
الأكسجين، لأن سالبيته الكهربية أعلى فيجذب الإلكترونات المشتركة نحوه.
2
احسب كتلة الهيدروجين وكتلة الأكسجين في ٩٠ g من الماء.
٩٠ ÷ ٩ = ١٠، فالهيدروجين ١٠ g والأكسجين ٨ × ١٠ = ٨٠ g.
3
جزيء الماء قطبي. هل يعني ذلك أن له شحنة كهربية كلية؟ فسّر.
لا. له طرف سالب قليلًا وطرف موجب قليلًا، لكن الشحنتين تتعادلان، فالجزيء كله متعادل.
4
لماذا يغلي الماء عند ١٠٠ °C مع أن كبريتيد الهيدروجين، وهو جزيء أثقل، يغلي عند نحو −٦١ °C؟
الروابط الهيدروجينية تمسك جزيئات الماء معًا، فتلزم طاقة أكبر كثيرًا لفصلها.
