100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что находится между молекулами воды?

Строение воды

Строение водыМолекула воды Н2О состоит из одного атома кислорода, связанного ковалентной связью с двумя атомами водорода.

В молекуле воды главным действующим лицом является атом кислорода.

Поскольку атомы водорода друг от друга заметно отталкиваются, угол между химическими связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород — кислород не прямой (90°), а немного больше — 104,5°.

Химические связи в молекуле воды – полярные, так как кислород подтягивает к себе отрицательно заряженные электроны, а водород — положительно заряженные электроны. В результате вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода — положительный.

Поэтому вся молекула воды является диполем, то есть молекулой с двумя разноименными полюсами. Дипольная структура молекулы воды во многом определяет ее необычные свойства.

Строение воды

Молекула воды – это диамагнетик.

Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура — тетраэдр. Таково строение самой молекулы воды.

При изменении состояния молекулы воды длина сторон и угол между ними изменяются в тетраэдре.

Например, если молекула воды находится в парообразном состоянии, то угол, образованный ее сторонами, равняется 104°27′. В водном состоянии угол составляет 105°03′. И в состоянии льда угол равен 109,5°.

Строение воды

Геометрия и размеры молекулы воды для различных состояний
а — для парообразного состояния
б — для низшего колебательного уровня
в — для уровня, близкого к образованию кристалла льда, когда геометрия молекулы воды соответствует геометрии двух египетских треугольников с соотношением сторон 3 : 4 : 5
г — для состояния льда.

Если разделить пополам эти углы, то получим углы:
104°27′: 2 = 52°13′,
105°03′: 2 = 52°31′,
106°16′: 2 = 53°08′,
109,5°: 2 = 54°32′.

Значит, среди геометрических рисунков молекулы воды и льда находится знаменитый египетский треугольник, в основу построения которого заложены соотношения золотой пропорции — длины сторон относятся как 3:4:5 с углом 53°08′.

Молекула воды приобретает строение золотой пропорции на пути, когда вода переходит в лед, и наоборот, когда лед тает. Очевидно, за это состояние и ценится талая вода, когда ее структура в построении имеет пропорции золотого сечения.

Теперь становится понятным, что знаменитый египетский треугольник с соотношением сторон 3:4:5 «взят» из одного из состояний молекулы воды. Сама же геометрия молекулы воды образована двумя египетскими прямоугольными треугольниками, имеющими общий катет равный 3.

Молекула воды, имеющая в основе соотношение золотой пропорции, является физическим проявлением Божественной Природы, которая участвует в создании жизнь. Именно поэтому в земной природе заложена та гармония, которая присуща всему космосу.

И поэтому древние египтяне обожествляли числа 3, 4, 5, а сам треугольник считали священным и старались заложить его свойства, его гармонию в любую конструкцию, дома, пирамиды и даже в разметку полей. Кстати, украинские хаты строились тоже с применением соотношения золотой пропорции.

Строение воды

В пространстве молекула воды занимает некоторый объем, и покрыта электронной оболочкой в виде вуали. Если представить вид гипотетической модели молекулы в плоскости, то она похожа на крылья бабочки, на Х-образную хромосому, в которой записана программа жизни живого существа. И это является показательным фактом того, что сама вода — это обязательный элемент всего живого.

Если представить вид гипотетической модели молекулы воды в объеме, то она передает форму треугольной пирамиды, у которой имеется 4 грани, а у каждой грани по 3 ребра. В геометрии треугольная пирамида называется тетраэдром. Такое строение свойственно кристаллам.

Таким образом, молекула воды образует прочную уголковую структуру, которую она сохраняет даже, когда находится в парообразном состоянии, на грани перехода в лед, и когда превращается в лед.

Строение воды

Если «скелет» молекулы воды так устойчив, то и его энергетическая «пирамида» — тетраэдр тоже стоит непоколебимо.

Читайте так же:
Фаюмские портреты: разбираем в общих чертах

Такие структурные свойства молекулы воды в различных условиях объясняются прочными связями между двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Эта связь примерно в 25 раз сильнее, чем связь между соседними молекулами воды. Поэтому легче отделить одну молекулу воды от другой, например, при нагревании, чем разрушить саму молекулу воды.

За счет ориентационных, индукционных, дисперсионных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса) и водородных связей между атомами водорода и кислорода соседних молекул молекулы воды способны образовывать как случайные ассоциаты, т.е. не имеющие упорядоченной структуры, так и кластеры – ассоциаты, имеющие определенную структуру.

Согласно статистическим данным, в обычной воде находится случайных ассоциатов — 60% (деструктурированная вода) и кластеров — 40% (структурированная вода).

В результате исследований, проведенных российским ученым С. В. Зениным, были обнаружены стабильные долгоживущие кластеры воды.

Зенин установил, что молекулы воды первоначально образуют додекаэдр. Четыре додекаэдра соединяясь, образует основной структурный элемент воды — кластер, состоящий из 57 молекул воды.

Строение воды

В кластере додекаэдры имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. Это объёмное соединение молекул воды, в том числе гексамеров, которое имеет положительные и отрицательные полюса.

Водородные мостики позволяют молекулам воды объединяться самыми различными способами. Благодаря этому в воде наблюдается бесконечное разнообразие кластеров.

Кластеры могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, что приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников. Они состоят из 912 молекул воды, которые практически не способны к взаимодействию. Время существования такой структуры весьма велико.

Строение воды

Эту структуру, похожую на маленький острый кристаллик льда из 6 ромбических граней, С.В. Зенин назвал «основным структурным элементом воды”. Многочисленные эксперименты подтвердили; в воде — мириады таких кристалликов.

Эти кристаллики льда почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому не образуют более сложных устойчивых конструкций и легко скользят гранями относительно друг друга, создавая текучесть. В этом смысле вода напоминает переохлажденный раствор, который никак не может кристаллизоваться.

Научная электронная библиотека

Молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода (H 1 ) и одного атома кислорода (O 16 ).

Три ядра в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами водорода в основании и кислородом в вершине. Расстояние O-H — 0,9568 Å; H-H — 1,54 Å. Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором, показана на рис. 1.

Свойства воды в основном зависят от величины водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине, а также из-за того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря чему, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: два атома водорода — каждый в одной, а атом кислорода — в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4°С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение.

p

p

Рис. 1. Строение молекулы воды [1]

а — угол между связями O-H;

б — расположение полюсов заряда;

в — внешний вид электронного облака молекулы воды

p

При испарении рвутся все оставшиеся связи. Для разрыва связей требуется большое количество энергии, отсюда высокая температура, удельная теплота плавления и кипения, высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Строение электронного облака молекулы воды таково, что во льду каждая молекула связана четырьмя водородными связями с ближайшими к ней молекулами, координационное число молекул в структуре льда равно четырем. О размере молекулы можно судить по величине расстояния между ближайшими молекулами во льду, составляющего 2,67Å. Соответственно молекуле воды можно приписать радиус равный 1,38Å.

Читайте так же:
Талисманы удачи и их происхождение

Тенденция каждой молекулы воды к окружению четырьмя ближайшими молекулами и к образованию с ними водородных связей сохраняется и в жидкости, исследования показали, что в воде сохраняется ближняя упорядоченность, свойственная структуре льда. Расстояние между ближайшими молекулами при плавлении льда изменяется от 2,76 Å до 2,90 Å. Свойственное среднее расположение ближайших молекул ведет к очень рыхлой, ажурной структуре. Именно с этим связаны аномалии воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом.

Полярность молекул, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядов создает группировки молекул — ассоциаты. Полностью соответствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. В температурном интервале от 0 до 100°С концентрация отдельных мономерных молекул жидкой воды не превышает 1%. Все остальные молекулы объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой [Н2O]x. Причиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды.

Пищевая химия: учебник для студентов вузов

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 Н 2 О

Угол треугольника равен 104,5°, расстояние между кислородом и водородом 0,96 Å. Для ближайшего гомолога воды Н 2 S угол составляет около 92° (табл. 4.2.1).

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

Длина связи, 10 –8 см

Угол молекулы, град

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 104 0 , а при образовании водородных связей угол возрастает до 109 0 . 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.

Читайте так же:
Школьные хитрости, о которых забыли уже на выпускном — разъясняем нюансы

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 109 0 . 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/см 3 , на самом деле она равна 0,92 г/см 3 . 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»).

Читайте так же:
Как определить, что найденный камень – метеорит?

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 0 С 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.

Строение молекулы воды (H2O), схема и примеры

Здесь все просто и понятно: все вещества во вселенной состоят из молекул, в свою очередь молекулы состоят из атомов, а атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронных оболочек, на которых расположены отрицательно заряженные электроны.

Представьте, что два атома достаточно сблизились д

Представьте, что два атома достаточно сблизились друг с другом. В таком случае электроны на внешней оболочке одного атома начинают взаимодействовать с внешними электронами другого. Подобное взаимодействие внешних электронов и образует молекулы, так как оно способно удерживать взаимодействующие атомы вместе, притягивая их друг к другу.

Видео

Молекулярная и структурная формула

Графическое изображение структуры молекулы называется структурной формулой. Обычно ковалентная химическая связь в структурных формулах молекул изображается прямой линией, которая соединяет связанные атомы.

Структурную формулу молекулы воды H2O, к примеру, изображают двумя способами. Второй вариант структурной формулы воды, учитывает тот факт, что на самом деле молекула воды не линейна; две связи Н—О образуют угол 105° друг с другом. Молекулы газообразного водорода, сероводорода, аммиака, метана и метанола (метилового спирта) имеют следующие структурные формулы:

Структурная формула молекулы лишь схематично изобр

Структурная формула молекулы лишь схематично изображает связи между атомами, но не дает информации о реальной форме молекулы. Заметим, что угол между связями в молекулах, содержащих более двух атомов, может принимать различные значения. Так, угол между связями в молекуле воды равен 105°, а угол в молекуле сероводорода равен 92°; четыре атома, присоединенных к центральному атому углерода в метане и метаноле, направлены к четырем вершинам тетраэдра. Структурная формула неразветвленного октана, одного из компонентов бензина, такова:

Изображение ниже дает более реальное представление

Изображение ниже дает более реальное представление о форме и относительном объеме некоторых простых молекул. Каждая пара связанных атомов как бы проникает друг в друга, потому что их электронные облака перекрываются между собой. Принято изображать молекулы таким образом, что расширяющаяся линия указывает связь, направленную от плоскости рисунка в сторону наблюдателя, а пунктирная линия указывает связь, уходящую за плоскость рисунка в сторону от наблюдателя.

Каждая из указанных выше структурных формул может быть сведена к сжатой молекулярной формуле, которая указывает, сколько атомов каждого элемента имеется в молекуле, но совсем или почти совсем не дает сведений о том, как эти атомы соединены между собой. Молекулярная формула водорода Н2, воды Н2O, сероводорода H2S, аммиака NH3, метана СН4, метанола (метилового спирта) СН3ОН или СН4O, а октана С8Н18. Формула октана может быть также записана в такой форме:

Читайте так же:
10 простых способов узнать, каков человек на самом деле: передаем суть

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях

Вода может быть в нескольких состояниях:

  1. Жидком. Это ее преимущественное состояние в нормальных условиях. Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан.
  2. Твердом – это лед, а его кристаллы часто образуют иней или снег.
  3. Газообразном — водяной пар.

Существуют также и переходные состояния жидкости, которые возникают при замерзании или испарении.

Примечательно, что различные формы воды могут одновременно находиться рядом и даже взаимодействовать, например реки с ледниками, айсберги с морской водой, облака на небе с водяным паром.

Строение молекулы воды, водородная связь способствует расположению молекул воды. Рассмотрим особенности каждого агрегатного состояния по отдельности.

Представляет собой твердое состояние воды.

Молекулы воды образуют слои, причём каждая молекула связана с тремя молекулами в своём слое и с одной молекулой соседнего слоя. Расстояние между атомами кислорода ближайших молекул равно 0,276 нм.

Атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода: с двумя, расположенными на расстоянии 0,096 — 0,102 нм посредством валентных связей, и с двумя другими, находящимися на расстоянии 0,174 — 0,180 нм посредством водородных связей.

Жидкая вода

В отличие от структуры льда структура жидкой воды исследована ещё недостаточно.

Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.

В результате изучения молекулы воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей было видно, что при температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах.

При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.

Водяной пар

Это газообразное агрегатное состояние воды.

При данном состоянии молекула воды не имеет структуры и состоит преимущественно из мономерных молекул воды, которые находятся на расстояние относительно друг друга.

Примеры решения задач

Задание Напишите уравнения реакций между водой и следующими веществами: а) кальцием; б) оксидом углерода (IV); в) железом при нагревании); г) оксидом серы (VI); д) оксидом кальция. Ответ При растворении кальция в воде происходит образование мутного раствора белого цвета (гидроксид кальция) и выделение пузырьков газа (водород): Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2↑. При растворении оксида углерода (IV) в воде происходит образование угольной кислоты. Это обратимая реакция: CO2 + H2O ↔ H2CO3. При взаимодействии раскаленного железа с водяным паром протекает химическая реакция, уравнение которой имеет вид: 3Fe + 4H2O = Fe3O4+ 4H2↑. При пропускании оксида серы (VI) через воду происходит образование серной кислоты: SO3 + H2O = H2SO4. При растворении оксида кальция в воде происходит образование гидроксида кальция. Реакция сопровождается выделением тепла (экзотермическая): CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q.

Задание Какая масса водорода выделится, если в воду добавить 1г кальция? Решение Запишем уравнение реакции растворения кальция в воде: Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2↑. Рассчитаем количество вещества кальция, вступившего в реакцию (молярная масса – 40 г/моль): n = m / M; n(Ca) = m(Ca) / M(Ca); n(Ca) = 1 / 40 = 0,025 моль. Согласно уравнению реакции n(Ca) : n(H2) = 1 : 1, т.е. n(Ca) = n(H2) = 0,025 моль. Тогда, масса выделившегося водорода будет равна (молярная масса – 2 г/моль): m = n × M; m(H2) = n (H2)× M (H2); m(H2) = 0,025 × 2 = 0,05 г. Ответ Масса водорода равна 0,05 г.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию