Строение молекул воды: Распространение воды в природе. Строение молекул воды — урок. Химия, 9 класс.

2. Строение молекул воды

В
молекулах воды ядра атомов образуют
равнобедренный треугольник с протонами
в основании и ядром атома кислорода в
вершине. В свободных молекулах воды (в
парах) межъядерные расстояния О–Н равны
0,09568 нм. Угол между направлениями связей
составляет 104^о27’,
а расстояние между протонами 0,1515 нм
(рис. 1).

Рис. 1. Модель
молекулы воды (по Н.Бьерруму)

Под влиянием электростатического поля
соседних молекул или ионов указанные
параметры могут несколько изменяться.
Это происходит при изменении агрегатного
состояния воды, растворении в ней других
веществ или под влиянием поверхностного
слоя кристаллов твердого тела, с которым
соприкасается вода.

При
образовании молекулы воды происходит
sp³-гибридизация
орбиталей атома кислорода и возникают
четыре гибридные электронные орбитали.
При этом два гибридных облака, участвующие
в образовании ковалентной связи,
вытягиваются в направлении атома
водорода. Электроны, образующие связи
О–Н,
смещены к более электроотрицательному
атому кислорода. В результате атом
кислорода имеет отрицательный заряд
–0,66 элементарного заряда, атомы водорода
– положительный, 0,33 каждый. Неподелённые
пары электронов, находящиеся на гибридных
орбиталях, не участвующих в образовании
связи, удаляются от ядра атома кислорода
в сторону, противоположную связям О–Н.
Это способствует появлению двух полюсов
отрицательных зарядов. Таким о

Рис.
2. Схема перекрывания электронных
орбиталей атомов кислорода и водорода
в молекуле воды

бразом, в молекуле воды образуются
четыре полюса зарядов, расположенных
в вершинах неправильного тетраэдра
(рис. 2).

Вследствие
такого несимметричного строения вода
обладает высоким дипольным моментом
(1,84 Д) или 5,52∙10^–3
Кл∙м. Это один из самых больших
электрических дипольных моментов
молекул с небольшим числом атомов. Эти
особенности строения молекулы Н₂О
имеют очень важные следствия:

1. большой электрический
   дипольный момент молекулы воды является
   причиной возникновения диполь-дипольных
   и ион-дипольных взаимодействий в водных
   растворах;

2. молекула воды
   образует водородные связи с
   электроотрицательными атомами других
   молекул, в том числе других молекул
   воды;

3. неподеленные
   электронные пары позволяют молекуле
   Н₂О
   образовывать комплексные соединения
   по донорно-акцепторному механизму с
   катионами металлов.

Два
первых следствия являются причиной
того, что вода имеет высокие температуры
кипения и плавления. Отсюда же широкий
температурный интервал существования
жидкого состояния воды (0…100^оС)
и большие числовые значения теплоты
испарения (40,7 кДж/моль) и теплоты плавления
(6,0 кДж/моль). В результате, вода является
растворителем, способным растворять
огромное число неорганических и
биоактивных веществ.

Высокая полярность
является также причиной диссоциации в
воде электролитов. Значительное влияние
на строение и свойства воды и её растворов
оказывает способность молекул воды
образовывать водородные связи. Каждая
молекула воды способна образовать
четыре водородные связи с соседними
молекулами по схеме (рис.3):

а)

б)

Рис. 3. Структура
воды

а) образование
водородных связей между молекулами
воды;

б) гексагональная
структура льда

Количество
связей зависит от температуры. Но
взаимодействие между молекулами воды
оказывается достаточно сильным, что
даже в парах воды присутствуют димеры
и тримеры состава (Н₂О)₂
и (Н₂О)₃.
В растворах же могут возникать длинные
цепи
ассоциатов (Н₂О)_n.
Длина водородной связи О
^… Н
изменяется в пределах от 0,14 до 0,2 нм, а
энергия от 17 до 33 кДж/моль.

Глава 4.2. Структура воды | BookOnLime

Молекула воды, построенная из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как установлено исследованиями оптических спектров воды в гипотетическом состоянии полного отсутствия движения имеет структуру равнобедренного треугольника, вершину треугольника занимает кислород, а два атома водорода лежат в основании треугольника (рис. 30 а).

Рис. 30. Геометрическая схема (а) и пространственная электронная структура (б) мономера Н2О

Угол треугольника равен 104,5°, расстояние между кислородом и водородом 0,96 Å. Для ближайшего гомолога воды Н2S угол составляет около 92° (табл. 4.2.1).

Таблица 4.2.1. Длины связей (Н-Э) и углы гомологов воды

В образовании каждой ковалентной связи О-Н участвуют по одному электрону от атомов кислорода и водорода. У кислорода остается одна неподеленная пара электронов, которая в изолированной молекуле воды остается свободной, но при сближении с другими молекулами воды играет важную роль в образовании молекулярной структуры воды, а именно в способности к образованию водородных связей. Водородные связи между молекулами воды возникают в результате специфического распределения в них электронной плотности.

Неподеленные электроны отталкиваются от связей О-Н, поэтому их орбиты сильно вытянуты в сторону, противоположную атомам водорода. Таким образом, в трехмерном пространстве молекулу воды можно изобразить в виде тетраэдра, в центре которого находится атом кислорода, а в двух вершинах – по атому водорода (рис. 29 б). Каждый из протонов может образовывать связь с неподеленным электроном другой молекулы. Первая молекула при этом выступает в качестве акцептора, а вторая донора, образуя водородную связь. Таким образом, молекула воды представляет собой двойной симметричный донор и акцептор, что позволяет ей образовывать водородные связи с соседними молекулами воды с точным балансом числа донорных и акцепторных связей. Электронная структура молекул воды определяет условия их объединения в сложную трехмерную сеть водородных связей, как в воде, так и во льду. Пока молекула воды свободна, электроны, которые не участвуют в образовании связи, располагаются ближе к ядру кислорода, чем связывающие и сильно отталкивают связывающие электроны, при этом угол НОН свободной молекулы около 1040, а при образовании водородных связей угол возрастает до 1090. Водородная связь имеет электростатическую природу. У гомологов воды атомы практически нейтральны, поэтому водородные связи между их молекулами не образуются. Только в системе молекул воды водородные связи полностью определяют геометрию кристаллов и свойства жидкой воды.

Водородные связи вокруг каждой молекулы воды реализуются в кристаллах льда. Схематически структура льда представлена на рис. 31.

Рис. 31. Гексагональная структура льда Ih

Это так называемый гексагональный лед, который образуется при давлении 1 атм. Получается сетка водородных связей, в узлах сетки находятся молекулы воды, в каждом ее узле сходится четыре связи. Все углы между связями в сетке равны тетраэдрическому углу 1090. Сетка состоит из изогнутых шестичленных колец, поэтому сетка называется гексагональной и вся структура льда обозначается как гексагональный лед (лед Ih). Характерной особенностью структуры льда является рыхлая упаковка в ней молекул. Если бы молекулы воды во льду были плотно упакованы, то его плотность составляла бы 2,0 г/см3, на самом деле она равна 0,92 г/см3. Но рыхлость упаковки не ведет к неустойчивости структуры. При сжатии льда сетка водородных связей не разрушается, а перестраивается, сохраняя свою четверную конфигурацию. Более выгодным оказывается не разорвать некоторые водородные связи, а сохранить их, лишь деформируя сетку, несколько изменяя углы между связями. При повышении давления гексагональный лед Ih меняет свою структуру. При деформации гексагональной сетки плотность увеличивается, а углы между соседними связями отличаются от тетраэдрических. Гексагональный лед обладает минимальной плотностью и наибольшей рыхлостью. По своим электрическим свойствам лед относят к протонным полупроводникам, так как носителями заряда во льду являются неупорядоченные протоны. В кристаллической решетке льда упорядочено расположение атомов кислорода, а по протонам – это неупорядоченная среда.

Гексагональная форма льда является не единственной. Полиморфных форм льда, образуемых при различных давлениях и температурах, насчитывают от 12 до 14. При плавлении льда тетраэдрическая сетка водородных связей не должна разрушаться, но кристаллический порядок нарушается.

Поскольку вода является сложной ассоциированной жидкостью с динамическим характером связей, то описание ее свойств на молекулярном уровне возможно лишь с помощью квантово-механических моделей различной сложности и строгости. Таких моделей достаточно много. В последние годы все больше появляется данных о существовании сетки водородных связей в воде в виде разнообразных структур кластерного типа. Под кластерами понимают кристаллоподобные структуры, которые могут содержать полости. Водные кластеры структурно могут быть подобны кластерам углерода и кремния (фуллерены, алмаз, графит, силикаты). Такое подобие определяется способностью атомов углерода и кремния образовывать по четыре ковалентные связи, а у атома кислорода воды также четыре связи (две ковалентные и 2 водородные). Следует заметить, что углерод – основа всего живого, кремний – основа неживой материи и вода, объединяющая эти два мира, способна образовывать связи тетраэдрической конфигурации.

Имеются квантово-химические расчеты, подтверждающие возможность существования устойчивых водных кластеров, которые, блокируясь друг с другом, могут достичь громадных размеров, включающих в себя 280 и более молекул воды, фактически это полимерные молекулы, построенные из тетраэдрической сетки.

В водных кластерах, как показали квантомеханические расчеты, может происходить миграция протонов по эстафетному механизму, приводящая к делокализации протонов в пределах кластера. Наличие делокализации протонов в пределах кластера способствует стабилизации последнего.

Свойство тетраэдрических сеток водородных связей воды образовывать различные структурные конфигурации проявляется в существовании соединений включения (клатратные гидраты). Это система «гость – хозяин». Простейшая модель – додекаэдр, образованный молекулами воды («хозяин»), в полость которого помещаются небольшие молекулы, например, метан («гость»).

Структура воды позволяет объяснить многочисленные аномальные свойства воды. Резкое увеличение плотности при плавлении льда связано с тем, что сетка водородных связей льда сильно искажается после плавления, углы между связями отклоняются от оптимальных, тетраэдрических, в результате чего уменьшается объем пустого пространства между молекулами воды. Уменьшение плотности при понижении температуры ниже 4 0С определяется перестройкой структуры водной сетки – чем ниже температура, тем ажурнее становится сетка, больше объем пустого пространства. При высоких температурах перестройка структуры сетки мало влияет на плотность, поскольку сетка в этом случае сильно отличается от ажурной, тетраэдрической. Тогда преобладает общее для всех веществ свойство – увеличение расстояния между частицами при нагревании. Аналогично объясняются и другие аномалии воды при низких температурах. Общая причина аномального поведения воды при низких температурах заключается в том, что при этом сетка водородных связей воды не очень искажена по сравнению тетраэдрической конфигурацией и при изменении температуры первостепенное значение имеет перестройка структуры этой сетки, которая и определяет аномальный вклад в поведение наблюдаемого свойства воды. При высоких температурах, когда водная сетка сильно деформирована, ее перестройка оказывает меньшее влияние и вода ведет себя, как все обычные жидкости.

Деформация сетки при изменении температуры требует затрат энергии, что и объясняет аномальный вклад в теплоемкость. Особые свойства сетки водородных связей определяют аномальное поведение не только чистой воды, но и многих ее растворов.

Структура воды и водородные связи Учебное пособие

Вода необходима для выживания жизни. Отличительные качества воды обусловлены полярностью ее молекул, особенно ее способностью образовывать водородные связи друг с другом и с другими молекулами.

Введение:

Вода необходима для всех форм жизни. Он обладает несколькими замечательными химическими свойствами, которые делают его идеальным для жизнеобеспечения. В этой статье давайте углубимся в понимание водородных связей воды.

Растворяющие свойства воды:

Источник

Воду часто называют «универсальным растворителем» из-за ее способности растворять многие растворенные вещества. Однако некоторые масла не растворяются в воде, и это связано с тем, что вода хорошо растворяет ионы и полярные молекулы, но плохо растворяет неполярные молекулы. Молекулы воды полярны, имеют частичный положительный заряд на водороде, частичный отрицательный заряд на кислороде и скрученную общую структуру.

Когезия и адгезия воды:

• Молекулы воды могут связываться друг с другом, что называется когезией, а другие молекулы называются адгезией.
• Поверхностное натяжение вызывается когезионными силами, отвечающими за склонность поверхности жидкости сопротивляться разрыву при воздействии деформации или напряжения.
• Капли сферической формы образуются водой за счет поверхностного натяжения.
• Адгезия — это притяжение одного типа молекул к другому, и оно может быть относительно сильным для воды, особенно в сочетании с другими молекулами с положительным или отрицательным зарядом.

Удельная теплоемкость, теплота парообразования и плотность воды:

Вода обладает большой удельной теплоемкостью. Это означает, что вода может выдержать большое количество энергии, прежде чем ее температура изменится. Вода также имеет высокую теплоту парообразования, то есть теплоту, необходимую для перехода соединения из жидкого состояния в газообразное. Эффективность испарительного охлаждения (почему пот заставляет человека чувствовать себя прохладнее) и низкая плотность льда (плавающий лед) объясняются водородными связями.

Полярность молекулы воды

Молекулярная структура воды объясняет, что молекула воды состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода, и ее общая структура изогнута. Помимо образования связей с атомами водорода, атом кислорода несет два неподеленных электрона.

Как общие, так и неподеленные пары электронов отталкивают друг друга. Поскольку кислород более электроотрицательный (электроно-жадный), чем водород, он захватывает электроны и удерживает их подальше от атомов водорода. Это приводит к частичному отрицательному заряду на кислородном конце молекулы воды и частичному положительному заряду на водородном конце. Таким образом, вода классифицируется как полярная молекула.

Водородная связь

Водородная связь представляет собой межмолекулярную силу притяжения, при которой ковалентно связанный атом водорода притягивается к неподеленной паре электронов на атоме в соседней молекуле. Водородные связи довольно прочны по сравнению с другими дипольными взаимодействиями, и типичная водородная связь имеет примерно 5% прочности ковалентной связи.

Водородные связи в молекулах воды приводят к уникальным, но очень важным свойствам. Большинство молекулярных соединений с массой, близкой к воде, являются газами при комнатной температуре. Молекулы воды могут оставаться конденсированными в жидкости из-за сильных водородных связей. На приведенной ниже диаграмме показано, как изогнутая форма и два атома водорода на молекулу позволяют каждой молекуле воды связываться с двумя другими молекулами.

Источник

• Водородные связи воды могут разрываться и восстанавливаться, когда молекулы перемещаются из одного места в другое в жидком состоянии. Молекулы воды начинают замедляться по мере ее охлаждения.
• Когда вода превращается в лед, водородные связи становятся постоянными и создают высокоспециализированную сеть.
• Искаженная форма молекул вызывает пустоты в сети водородных связей льда.
• Лед обладает странным достоинством: в твердом состоянии он менее плотный, чем в жидком. В жидкой воде лед плавает.

Водородная связь в воде

Водородная связь представляет собой динамическое притяжение между окружающими молекулами воды, при котором один атом водорода располагается между двумя атомами кислорода в воде. В жидкой воде водородная связь возникает, когда атомы водорода одной молекулы воды притягиваются к атому кислорода соседней молекулы воды.

Источник

• Благодаря компоненту полярности молекулы воды притягиваются друг к другу.
• Положительный конец одного, атома водорода, соединяется с отрицательным концом атома кислорода. Это водородные связи, слабые связи, которые развиваются между атомом водорода с частичным положительным зарядом и более электроотрицательным атомом, например кислородом.
• Атомы водорода в водородных связях должны быть соединены с электроотрицательными атомами, такими как O, N и F.

Источник

• Молекулы воды притягиваются к другим полярным молекулам, а также к ионам. Гидрофильный относится к заряженному или полярному материалу, который взаимодействует с водой и растворяется в ней: гидро означает «вода», а фильный означает «любящий».
• Масла и жиры, например, являются неполярными соединениями, плохо взаимодействующими с водой. Они гидрофобны (фобия означает «страшный»), потому что они отделяются от него, а не растворяются в нем.
• Шкала pH работает от 0 до 14 и является мерой того, насколько кислой или щелочной является вода — кислой (pH < 7), нейтральной (pH = 7), щелочной/основной (pH > 7).
• Кислота – это любое вещество, реагирующее с выделением ионов водорода в водном растворе. Напротив, основание принимает ионы водорода. Чистая вода имеет рН 7 и считается «нейтральной», поскольку не имеет ни кислотных, ни основных свойств.

Вывод:

• Полярность молекулы воды важна при растворении ионных веществ при получении водных растворов.
• Водородная связь — это сила, при которой атом водорода, ковалентно связанный с мельчайшим чрезвычайно электроотрицательным атомом, притягивается к неподеленной паре электронов на атоме в соседней молекуле.

Часто задаваемые вопросы:

1. Как водородные связи влияют на структуру воды?

Водородные связи влияют на твердую структуру воды; по мере замерзания воды связи становятся более жесткими, что придает льду более открытую и менее плотную общую структуру. Существование водородных связей также делает молекулы воды более «липкими», или, говоря научным языком, когезивными и липкими.

2. Что произойдет, если в воде не будет водородных связей?

Без водородных связей молекулы воды двигались бы быстрее и с меньшим подводом тепла, в результате чего температура поднималась бы выше на каждую калорию подведенного тепла. Это также значительно снизит тепловую энергию, необходимую для фазовых переходов от льда к жидкости и от жидкости к пару.

3. Что вызывает образование водородных связей в воде?

В частном случае воды водородные связи развиваются между соседними атомами водорода и кислорода соседних молекул воды.

4. Какова наиболее важная роль водородных связей между молекулами воды?

Молекулы воды могут оставаться конденсированными в жидкости из-за сильных водородных связей.

5. Какие условия необходимы для образования водородной связи?

Водородное соединение требует двух условий:

(i). Первая молекула имеет водородную связь с сильно электроотрицательным атомом (N, O, F).

(ii). Неподеленная пара электронов на мельчайшем крайне электроотрицательном атоме характеризует вторую молекулу (N, O, F).

6. Как вы разрываете водородные связи в воде?

Эти связи можно разорвать, просто добавив в воду другой материал или вещество.

Мы надеемся, что вам понравился этот урок, и вы узнали что-то интересное о структуре воды и водородных связях ! Присоединяйтесь к нашему сообществу Discord, чтобы получить ответы на любые вопросы и пообщаться с другими студентами, такими же, как и вы! Не забудьте загрузить наше приложение, чтобы испытать наши веселые классы виртуальной реальности — мы обещаем, что это сделает учебу намного веселее! 😎

Источники:

1. Вода. https://www.britannica.com/science/water. По состоянию на 16 декабря 2021 г.
2. Структура воды. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_Chemistry/Book%3A_Introductory_Chemistry_(CK-12)/15%3A_Water/15.01%3A_Structure_of_Water. По состоянию на 16 декабря 2021 г.
3. Структура воды. https://healingearth.ijep.net/water/structure-water. По состоянию на 16 декабря 2021 г.
4. Описание курса и экзамена по биологии AP https://apcentral.collegeboard.org/pdf/ap-biology-course-and-exam-description-0.pdf?course=ap-biology По состоянию на 16 декабря 2021 г.

Ученые зафиксировали «квантовый буксир» между молекулами воды

Вода — самая распространенная, но наименее изученная жидкость в природе. Он демонстрирует много странного поведения, которое ученые до сих пор пытаются объяснить. В то время как большинство жидкостей становятся более плотными по мере того, как они становятся холоднее, вода становится наиболее плотной при температуре 39 градусов по Фаренгейту, чуть выше точки замерзания. Вот почему лед всплывает на поверхность стакана для питья, а озера замерзают с поверхности вниз, что позволяет морским обитателям пережить холодные зимы. Вода также имеет необычно высокое поверхностное натяжение, позволяющее насекомым ходить по ее поверхности, и большую способность сохранять тепло, поддерживая стабильную температуру океана.

Теперь группа, в которую входят исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Стэнфордского университета, Калифорнийского университета в Дэвисе и Стокгольмского университета в Швеции, провела первое прямое наблюдение того, как атомы водорода в молекулах воды тянут и толкают соседние молекулы воды, когда они возбуждаются лазерным светом. Их результаты, опубликованные в Nature 25 августа, раскрывают эффекты, которые могут лежать в основе ключевых аспектов микроскопического происхождения странных свойств воды и могут привести к лучшему пониманию того, как вода помогает белкам функционировать в живых организмах.

«Водородная связь, молекулярный строительный блок, который придает воде ее особые свойства, до сих пор полностью не изучена», — сказал Дэвид Донадио, профессор химии Калифорнийского университета в Дэвисе и соответствующий автор статьи. «Эта работа сочетает в себе беспрецедентные эксперименты и выходящее за рамки современного неравновесного молекулярного моделирования, чтобы раскрыть динамику релаксации водородных связей, когда внутримолекулярная связь ОН возбуждается интенсивным инфракрасным лазером».

Каждая молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода, а сеть водородных связей между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженными атомами кислорода в соседних молекулах удерживает их вместе. Эта сложная сеть является движущей силой многих необъяснимых свойств воды, но до недавнего времени исследователи не могли напрямую наблюдать, как молекула воды взаимодействует со своими соседями.

«Небольшая масса атомов водорода подчеркивает их квантово-волновое поведение», — говорит соавтор Келли Гаффни, ученый из Стэнфордского института пульса в SLAC. «Это исследование является первым, которое прямо демонстрирует, что реакция сети водородных связей на импульс энергии критически зависит от квантово-механической природы того, как атомы водорода разнесены, что, как уже давно предполагалось, отвечает за уникальные атрибуты. воды и ее сети водородных связей».

Возлюби ближнего своего

До сих пор сделать это наблюдение было сложно, потому что движения водородных связей очень малы и быстры. В этом эксперименте эта проблема была решена благодаря использованию MeV-UED от SLAC, высокоскоростной «электронной камеры», которая обнаруживает тонкие молекулярные движения, рассеивая мощный пучок электронов на образцах.

Исследовательская группа создала струи жидкой воды толщиной 100 нанометров — примерно в 1000 раз тоньше, чем толщина человеческого волоса — и заставила молекулы воды вибрировать с помощью инфракрасного лазерного излучения. Затем они взорвали молекулы короткими импульсами высокоэнергетических электронов из МэВ-УЭД.

В результате были созданы снимки в высоком разрешении меняющейся атомной структуры молекул, которые они объединили в покадровую анимацию того, как сеть молекул воды реагирует на свет.

Снимки, сделанные на группы из трех молекул воды, показали, что когда возбужденная молекула воды начинает вибрировать, ее атом водорода притягивает атомы кислорода от соседних молекул воды ближе, прежде чем оттолкнуть их с вновь обретенной силой, расширяя пространство между молекулами воды. молекулы.

Лаборатория Донадио в Калифорнийском университете в Дэвисе вместе с Тоддом Мартинесом в Стэнфорде построили симуляции, чтобы смоделировать реакцию молекул воды в эксперименте за чрезвычайно короткие промежутки времени — фемтосекунды или квадриллионные доли секунды. Команда может сравнить эти симуляции с экспериментальными результатами, чтобы исключить некоторые гипотезы.

«Долгое время исследователи пытались понять сеть водородных связей, используя методы спектроскопии», — сказал Цзе Ян, бывший научный сотрудник SLAC, а ныне профессор Университета Цинхуа в Китае, который руководил исследованием. «Прелесть этого эксперимента в том, что мы впервые смогли напрямую наблюдать, как движутся эти молекулы».

Результаты моделирования также подтвердили квантово-механическую природу динамики в краткосрочной перспективе, сказал Донадио.

«Небольшой сюрприз. Обычно, когда вы что-то нагреваете, вы ожидаете, что молекулы разойдутся, но в этом случае нагревание одной молекулы на самом деле заставляет другие сблизиться в очень короткий срок», — сказал Донадио.

Окно в воду

Исследователи надеются использовать этот метод, чтобы лучше понять квантовую природу водородных связей и роль, которую они играют в странных свойствах воды, а также ключевую роль, которую эти свойства играют во многих химических процессах. и биологические процессы.

«Это действительно открыло новое окно для изучения воды», — сказал Сицзе Ван, выдающийся научный сотрудник SLAC и соавтор исследования. «Теперь, когда мы, наконец, можем увидеть движение водородных связей, мы хотели бы связать эти движения с более широкой картиной, которая могла бы пролить свет на то, как вода привела к возникновению и выживанию жизни на Земле, и дать информацию о развитии методов возобновляемой энергии.