Строение воды молекула: Распространение воды в природе. Строение молекул воды

Содержание

Молекула воды

Вода
(оксид водорода) Н₂О
– простейшее устойчивое соединение
водорода с кислородом. Молекулярная
масса воды 18,0160, на водород приходится
11,19% по массе, а на кислород – 88,81%.

Как
ранее говорилось, в природе существует
три изотопа водорода – легкий водород
Н¹,
дейтерий D
(Н²)
и тритий (Н³)
и три изотопа кислорода – О¹⁶,
О¹⁷
и О¹⁸.
Искусственно получены в ускорителях
сверхтяжелые изотопы водорода Н⁴
и Н⁵
и шесть изотопов кислорода: три легких
– О¹³,
О¹⁴,
О¹⁵,
два тяжелых – О¹⁹,
О²⁰
и один сверхтяжелый – О²⁴.
Теоретически пять изотопов водорода и
девять изотопов кислорода могут
образовать 135 разновидностей молекулы
воды, из которых устойчивыми являются
девять, включающих стабильные изотопы.
В природной воде на долю
О¹⁶
приходится 99,75% по массе, на долю
О¹⁸
– 0,2%, на
О¹⁷
– 0,04% и на Н¹Н²О¹⁶
– примерно 0,093%; остальные пять
разновидностей присутствуют в ничтожных
количествах [4].

Молекула
воды имеет угловое строение: входящие
в её состав ядра образуют равнобедренный
треугольник, в основании которого
находятся два водорода, а в вершине –
атом кислорода. Межъядерные расстояния
О – Н близки к 0,1 нм, расстояние между
ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из
шести электронов, составляющих внешний
электронный слой атома кислорода в
молекуле воды, две электронные пары
образуют ковалентные связи О-Н, а
остальные четыре электрона представляют
собой две неподелённые электронные
пары (рисунок 1).

Рисунок
1 – Модели строения молекулы воды [3]

Молекула
воды представляет собой маленький
диполь, содержащий положительный и
отрицательный заряды на полюсах. Около
ядер водорода имеется недостаток
электронной плотности, а на противоположной
стороне молекулы, около ядра кислорода,
наблюдается избыток электронной
плотности. Именно такая структура и
определяет полярность молекулы воды.
Если соединить прямыми линиями эпицентры
положительных и отрицательных зарядов,
получится объемная геометрическая
фигура – правильный тетраэдр (рисунок
1) [19,20].

С
позиций метода валентных связей
образование химических связей в молекуле
воды можно объяснить за счёт перекрывания
двух одноэлектронных p-облаков
атома кислорода и одноэлектронных
s-облаков
двух атомов водорода. Ввиду того что
участвующие в образовании химических
связей p-облака
кислорода расположены относительно
друг друга под углом в 90,
валентный угол НОН должен был также
соответствовать этому значению. Однако
в действительности он состовляет 104,5.
Отклонение валентного угла от ожидаемого
можно объяснить с двух позиций.

Согласно
одной из них увеличение валентного угла
с 90 до 104,5можно объяснить отталкиванием атомов
водорода, который вследствие большой
разности в электроотрицательности с
кислородом (разность составляет 1,4 по
шкале Полинга) приобретают в молекуле
воды частичный положительный заряд
(плюс 0,33 на каждом атоме). Эффективный
заряд атома кислорода составляет минус
0,66.

С
точки зрения концепции гибридизации
атом кислорода должен находится в
состоянии sp³-гибридизации,
в которой принимают участие две орбитали
с неподелёнными электронными парами и
две орбитали, осуществляющие связи с
водородом. В соответствии с этим валентный
угол между тетраэдрически расположенными
в пространстве орбиталями кислорода
должен составить порядка 109,5.
Отклонение валентного угла НОН от
тетраэдрического можно объяснить тем,
что электронные пары связи О – Н занимают
в пространстве меньший объём, чем
неподелённые пары кислорода [3].

Особенности
строения молекулы воды имеют важные
следствия.

Во-первых,
из-за неравномерности распределения
электронной плотности валентных
электронов молекула Н₂О
представляет собой диполь с отрицательным
полюсом на кислороде и положительным
со стороны атома водорода. Дипольный
момент воды составляет 6,1710^-30
Клм.
Это достаточно большая величина. Для
сравнения, дипольный момент метана
равен 0, аммиака – 4,4410^-30
Клм.

Во-вторых,
большой дипольный момент воды является
причиной возникновения диполь-дипольных
и ион-дипольных взаимодействий в водных
растворах.

В-третьих,
молекула воды образует водородные
связи.

В-четвёртых,
неподелённые электронные пары кислорода
позволяют Н₂О
выступать в качестве лиганда с образованием
комплексных соединений [3].

Вода
имеет очень высокие температуры
замерзания (0)
и кипения (100)
(рисунок 2). Это позволяет ей существовать
во всех агрегатных состояниях: твердом
(лед), жидком (вода) и газообразном (пар)
(рисунок 3).

Рисунок
2 – Аномалии точек кипения и замерзания
воды

Рисунок
3 – Агрегаты состояния воды: а – лед, б
– вода, в – пар [2]

Из
одиночных молекул вода состоит в
парообразном состоянии. При температуре
ниже температуры кипения, когда
кинетическая энергия молекул становится
ниже их потенциальной энергии
взаимодействия, вода, как и любое вещество
в этом случае, переходит в жидкое
состояние. Но температура этого фазового
перехода для воды почти на 200выше, чем это следовало бы ожидать из
характера того межмолекулярного
взаимодействия, которое должно
осуществлять между подобными ей по
составу молекулами, например сероводорода.

Высокая
полярность воды является лишь одной из
причин ассоциации молекул воды, которые
могут комбинироваться по две, три и
более вследствие взаимного притяжения
противоположно заряженных концов диполя
[3].

Главной
причиной образования ассоциатов (Н₂О)_х
являются водородные связи [3]. В твердом
состоянии атом кислорода каждой молекулы
воды образует две водородные связи
(показаны пунктиром) с соседними
молекулами по схеме (рисунок 4) [4].
Благодаря им жидкая вода – это не
разупорядоченное движение молекул, а
состояние, близкое к аморфному. В нём
молекулы воды ассоциированы в агрегаты
(Н₂О)_х
– кластеры со степенью ассоциации ()
до 130 молекул воды при 0,
до 90 – при 20,
до 60 – при 72(рисунок 5) [3].

Рисунок
4 – Схема образования водородных связей
[4]

Рисунок
5 – Некоторые возможные структуры
кластеров воды

Время
жизни таких кластеров небольшое (10^-11
– 10^-10
с). В их образовании участвуют не все
молекулы, иначе бы их плотность в жидком
состоянии должна была бы составить не
1
г/см³,
а 1,84 г/см³.
Последняя величина рассчитана из
предположения плотной упаковки молекул
Н₂О
с радиусом, равным 1,38
,
который определен из размеров
кристаллической решетки льда [3].

Схема
кристаллической решетки льда представлена
на рисунке 6. Каждая молекула Н₂О
(черные шарики) окружена тетраэдрически
четырьмя другими молекулами – тремя
из того же слоя и одной из соседнего
слоя молекул. Структура льда является
наименее плотной структурой. Ее
особенность заключается в наличии
пустот, размеры которых превышают
размеры молекул Н₂О.
При плавлении льда часть водородных
связей разрушается, и в пустотах
оставшихся агрегатов могут разместиться
отдельные молекулы воды, вследствие
чего достигается более плотная упаковка
молекул. Поэтому при плавлении льда
объем воды уменьшается, а плотность
возрастает.

Рисунок
6 – Кристаллическая решетка льда [4]

Опровергнута самая популярная теория строения воды — Газета.Ru

Опровергнута самая популярная теория строения воды — Газета.Ru | Новости

Экономист Григорьев посоветовал российским туристам купить валюту до 5 декабря
07:29

CNBC: американцы потратили рекордные $9,12 млрд на покупки в интернете…
07:25

Обозреватель 19FortyFive Бейнон: все больше новобранцев в армии США страдают…
07:23

Обзор: спрос на новогодние товары у россиян вырос более чем в пять раз. ..
07:18

Тренер сборной Франции Дешам назвал Мбаппе локомотивом
07:15

Синоптики «Фобоса» предупредили москвичей о «барической горе»
06:57

На Тайване не смогли провести референдум по снижению возрастного ценза…
06:55

Канчельскис призвал разогнать игроков «Спартака» в случае разгромного…
06:45

Экс-работник Белого дома Робертс: РФ может уничтожить Украину за день…
06:40

Антонио Бандерас рассказал, кому передал бы эстафету в случае перезапуска…
06:36

16 апреля 2019, 13:36
Наука

100%

Ученые Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Королевского института технологий Швеции опровергли самую популярную ныне кластерную теорию строения воды. В ходе работы исследователи предложили новую теорию, согласующуюся с результатами их эксперимента. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Вода обладает рядом нетипичных свойств, объясняемых ее особой структурой, например, высокой теплоемкостью и низкой электропроводностью. Общепринято, что вода состоит из молекул Н2О, объединенных в группы так называемыми водородными связями. Их наличие обусловлено притяжением между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. Свободные, не входящие в кластеры молекулы присутствуют лишь в небольшом количестве. Mногие ученые считают, что вода – постоянно изменяющаяся смесь кластеров легкого и тяжелого типов. В первом молекулы связаны друг с другом (как во льду), а во втором связи нарушены, благодаря чему такие системы более плотные. Наличие этих фаз можно обнаружить при помощи резонансного неупругого рассеяния рентгеновских фотонов водой. При этом виден переход, в котором электрон с занятой молекулярной орбитали заполняет дырку, на месте которой был выбитый ранее фотоном электрон. Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление резонанса на два пика. В научной литературе получившийся дублет приписывается кластерам легкого и тяжелого типов.

Чтобы пролить свет на эту фундаментальную проблему, авторы работы провели эксперимент с парами воды, где нет водородных связей. В ходе исследования они измерили спектр резонансного неупругого рассеяния изолированной молекулы. Эксперименты показали, что точно такое же расщепление резонанса на два пика присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе. Более того, выполненные теоретические расчеты однозначно объясняют расщепление на спектре сверхбыстрым распадом (диссоциацией) молекулы воды на ионы Н+ и ОН-. Таким образом, исследование свидетельствует о динамической природе расщепления резонанса и опровергает структурный механизм, тем самым демонстрируя, что структура воды однородна.

Второй не менее важный результат этой работы – получение детальной структурной информации о том, как влияют водородные связи на силу OH-связи. Колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия – общепринятый инструмент для исследования водородных связей в жидкостях. Но в них ИК-спектроскопия показывает лишь наиболее интенсивный переход в состояние с минимальной энергией колебаний, которое «слабо чувствует» межмолекулярное взаимодействие. Спектроскопия резонансного неупругого рассеяния воды качественно отличается от ИК-спектроскопии тем, что, получив энергию от рентгеновского фотона, электрон кислорода переходит с самой глубокой орбитали на первую незанятую. В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбужденный электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяженного набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние дает уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи.

«Важно отметить, что, в отличие от изолированной молекулы воды с одной энергией взаимодействия О и Н, в жидкости имеется набор (распределение) таких энергий в силу многообразия ближайшего окружения молекулы воды. Таким образом, второй результат работы – измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей. На следующем этапе исследовании? необходимо выяснить, возможно ли из спектров резонансного неупругого рассеяния воды определить такой важный структурный параметр, как среднее число связей молекулы. Он определяет энергию взаимодействия последней с ее окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и ее теплоемкость», – дополняет Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), старший научный сотрудник Сибирского федерального университета.

Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Новости

Дзен

Картина дня

«Это происходит за кулисами». На Украине заявили, что ряд стран поставляют военную помощь тайно

Глава МИД Украины Кулеба рассказал о тайных поставках оружия Киеву из «третьих стран»

26.11.2022, 23:56

«Еще вчера обсуждали планы на неделю». Умер глава МИД Белоруссии Владимир Макей

Захарова заявила, что потрясена сообщением о смерти главы МИД Белоруссии Макея

26.11.2022, 19:21

Зеленский предложил создать международную организацию со штаб-квартирой в Киеве или Одессе

Украина намерена отправлять по 10 судов с зерном в месяц в голодающие страны Африки

26. 11.2022, 22:08

Тренер сборной Мексики: мы ошиблись, а Месси не прощает ошибок