Презентація «Водневий зв'язок» з хімії для 11 класу

Привітайте клас і повідомте тему уроку. Зверніть увагу, що водневий зв'язок учні вже частково вивчали в 9 класі, тому спирайтеся на попередні знання. Скажіть, що сьогодні розглянемо механізм утворення зв'язку докладно й оцінимо його вплив на властивості речовин. Типова помилка учнів полягає в тому, що вони плутають водневий зв'язок із ковалентним, тому наголосіть на різниці між цими типами зв'язку.

Відповідь: водневий зв'язок. Запропонуйте учням висловити свої версії після кожної підказки. Після першої підказки хтось може сказати «водневий зв'язок», але підтвердіть це лише після третьої. Наголосіть, що числа 10–30 кДж/моль характеризують саме енергію цього зв'язку, і попросіть порівняти з енергією ковалентного зв'язку (250–400 кДж/моль). Типова помилка учнів: називають звичайне притягання молекул, тому уточніть, що водневий зв'язок є окремим типом, сильнішим за інші міжмолекулярні взаємодії.

Озвучте цілі уроку, щоб учні розуміли, що саме вони мають засвоїти. Підкресліть, що водневий зв'язок є ключовим для розуміння багатьох явищ у природі. Попросіть учнів записати цілі в зошит. Типова помилка: учні вважають, що водневий зв'язок стосується лише води, тому зверніть увагу на ширший контекст.

Після уроку учень зможе визначати речовини з водневим зв'язком за формулою, пояснювати механізм утворення між молекулами води та спиртів, прогнозувати фізичні властивості на основі будови й оцінювати роль зв'язку в біологічних системах. Наголосіть, що ці вміння знадобляться на контрольній роботі. Типова помилка: учні плутають прогнозування фізичних властивостей із завчанням чисел.

Поясніть, що через значну різницю електронегативностей (3,44 − 2,20 = 1,24) зв'язок O–H дуже полярний. На атомах Гідрогену зосереджується частковий позитивний заряд, на атомі Оксигену — негативний. Атом Оксигену має дві неподілені електронні пари, які є ключовою умовою для утворення водневого зв'язку. Типова помилка учнів: вважають, що полярність зв'язку в молекулі води є достатньою умовою для утворення водневого зв'язку, але потрібні ще й неподілені пари на іншому атомі.

Поясніть механізм на прикладі двох молекул води: позитивно заряджений атом Гідрогену однієї молекули притягується до неподіленої електронної пари атома Оксигену іншої молекули. Кожна молекула води утворює по чотири водневі зв'язки із сусідніми молекулами. Наголосіть, що зв'язок виникає лише в напрямку неподіленої пари. Типова помилка учнів: думають, що водневий зв'язок утворюється між двома атомами Гідрогену або між двома атомами Оксигену напряму.

Розкажіть про два типи водневого зв'язку. Міжмолекулярний виникає між молекулами однієї чи різних речовин, наприклад між молекулами води або між етанолом і водою. Внутрішньомолекулярний виникає всередині однієї молекули, як у саліциловій кислоті (з якої синтезують аспірин) між гідроксильною та карбоксильною групами. Групи –OH і –NH₂ у формулі є лише орієнтиром, а не необхідною умовою: водневі зв'язки можливі, зокрема, у HF та NH₃, які таких груп не містять. Типова помилка: учні вважають, що водневий зв'язок існує лише між молекулами.

Правильна відповідь: NH₃. У молекулі амоніаку є атом Нітрогену з неподіленою парою та атоми Гідрогену, сполучені з електронегативним Нітрогеном. Cl₂ і Br₂ не мають атома Гідрогену, а ZnCl₂ є йонною сполукою. Запропонуйте учням спочатку визначити тип зв'язку в кожній речовині, а потім оцінити можливість утворення водневого зв'язку. Типова помилка: учні обирають Cl₂ через високу електронегативність Хлору, але в молекулі немає атома Гідрогену.

Порівняйте енергії водневого та ковалентного зв'язків. Незважаючи на невелику енергію, водневі зв'язки суттєво впливають на фізичні властивості. Речовини з водневими зв'язками мають значно вищу температуру кипіння, ніж речовини з подібною молярною масою без таких зв'язків: H₂O (M = 18) кипить за 100 °C, а H₂S (M = 34) за −60,8 °C, HI (M = 128) за −35,4 °C, O₂ (M = 32) за −183 °C. Водневий зв'язок також зумовлює велику розчинність у воді спирту, цукру, ацетону, етанової кислоти. Типова помилка: учні плутають вплив водневого зв'язку з впливом ковалентного зв'язку на фізичні властивості.

Зверніть увагу, що вода і H₂S мають подібні молекулярні ґратки та близькі молярні маси, але різні температури кипіння. Різниця пояснюється наявністю водневих зв'язків між молекулами води. Під час кипіння води витрачається додаткова енергія на руйнування цих зв'язків. Наголосіть, що порівняння саме з H₂S є найпоказовішим, оскільки обидві речовини містять атом елемента підгрупи Оксигену. Типова помилка: учні порівнюють воду з речовинами значно більшої молярної маси.

Відповідь: у молекулах HF атом Гідрогену сполучений із дуже електронегативним Флуором, який має неподілені пари. Між молекулами HF утворюються водневі зв'язки, що підвищує температуру кипіння. У HCl зв'язок із Хлором значно слабший, оскільки атом Хлору більший, і водневі зв'язки майже не утворюються. Типова помилка: учні пояснюють різницю молярними масами (HF 20 проти HCl 36,5), але ця різниця не може пояснити такий великий стрибок температури.

Поясніть запис: крапки між формулами означають водневий зв'язок між атомом Гідрогену однієї молекули та атомом Оксигену іншої. У підручнику цю саму схему подано з електронними парами, у формі H:O: + H:O: → H:O:···H:O:. Кожна молекула води утворює по чотири водневі зв'язки із сусідніми молекулами, при цьому кожний атом Оксигену дає по два зв'язки, а кожний атом Гідрогену по одному. Саме ця спрямованість уздовж неподіленої пари зумовлює чітку структуру молекул у твердій воді. Типова помилка: учні використовують знак рівності замість стрілки та не вказують кількість зв'язків.

Поясніть, що у льоду молекули води утворюють чітку структуру з водневих зв'язків і розташовуються на більшій відстані. У рідкій воді частина зв'язків руйнується, тому під час плавлення вода дещо стискається: густина рідкої води трохи більша за густину льоду. Поверхневий натяг води зумовлений міцними водневими зв'язками між молекулами, завдяки чому комахи здатні переміщатися по воді. Водневий зв'язок також зумовлює аномально високу теплоємність води, тому поблизу морів та океанів клімат м'якший, ніж у центрі континентів. Типова помилка: учні вважають, що лід тоне у воді, хоча насправді він плаває.

Нагадайте про правила безпеки під час проведення дослідів із водою та мийними засобами (завдання 108: дослід із голкою на поверхні води). Будьте обережні зі скляним посудом, який може тріснути. Пральний порошок може викликати подразнення шкіри та очей, тому працюйте в рукавичках. Типова помилка: учні нехтують захисними окулярами, вважаючи, що вода безпечна.

Підкресліть, що водневі зв'язки мають надзвичайне значення для появи й існування життя на Землі. Вони стабілізують вторинну структуру білків, утримуючи її у формі спіралі. Завдяки водневим зв'язкам молекула ДНК існує у вигляді подвійної спіралі. Завдяки водневим зв'язкам між різними надмолекулярними комплексами можливі реплікація нуклеїнових кислот і синтез білків у рибосомах. Типова помилка: учні вважають, що структура ДНК утримується ковалентними зв'язками.

Розкажіть про практичне значення водневого зв'язку. Вода є добрим розчинником завдяки здатності утворювати водневі зв'язки з багатьма речовинами: спиртом, цукром, ацетоном, етановою кислотою. Спирти добре розчиняються у воді завдяки водневим зв'язкам між молекулами. Під час прання поверхнева плівка води перешкоджає видаленню бруду й жиру, і мийні засоби її руйнують (завдання 108: дослід із голкою, що плаває на воді, тоне після додавання прального порошку). Водневі зв'язки забезпечують структуру білків і ДНК. Типова помилка: учні не пов'язують побутові явища (розчинення цукру, прання) з водневим зв'язком.

Правильна відповідь: Б. Водневий зв'язок є взаємодією атома Гідрогену, сполученого з дуже електронегативним атомом, із неподіленою електронною парою іншого такого атома. Він утворюється переважно з Оксигеном, Флуором і Нітрогеном. Типова помилка: учні обирають А, плутаючи водневий зв'язок із ковалентним, який утворюється всередині молекули.

Правильна відповідь: Б. Групи –OH і –NH₂ містять атом Гідрогену, сполучений з електронегативним атомом, який також має неподілені пари. Такі речовини з великою ймовірністю утворюють водневі зв'язки. Наголосіть, що це орієнтир, а не необхідна умова: зв'язок можливий і в HF або NH₃. Типова помилка: учні обирають В, вважаючи, що будь-які вуглеводневі групи можуть утворювати водневі зв'язки, але вуглець недостатньо електронегативний.

Правильна відповідь: Б. Вода має температуру кипіння 100 °C, що набагато вище за H₂S (−60,8 °C), H₂Se (−41,3 °C) і H₂Te (−2,2 °C), незважаючи на найменшу молярну масу. Це пояснюється наявністю водневих зв'язків між молекулами води. Типова помилка: учні обирають Г через найбільшу молярну масу, не враховуючи впливу водневого зв'язку.

Узагальніть матеріал уроку. Водневий зв'язок є особливим типом міжмолекулярної взаємодії, який утворюється між атомом Гідрогену та неподіленою парою атома Оксигену, Флуору чи Нітрогену. Він впливає на температуру кипіння, розчинність, густину, поверхневий натяг і теплоємність речовин. Водневий зв'язок має надзвичайне значення для існування життя на Землі. Запитайте учнів, які питання залишилися незрозумілими.

Домашнє завдання охоплює теоретичний матеріал і практичні вправи з підручника. Запропонуйте учням виконати хоча б одне завдання з розвитку критичного мислення. Міні-проєкт 107 передбачає пошук відомостей у додаткових джерелах щодо впливу водневого зв'язку на властивості речовин та його роль у біологічних системах. Нагадайте про необхідність використовувати правильні формули та позначення. Типова помилка: учні пропускають завдання 103, де потрібно зобразити утворення водневих зв'язків.