Молекула воды

Лекция 1. ВОДА И ЕЕ СВОЙСТВА

1Молекула воды

2Свойства воды

3Вода как растворитель

4Диаграмма состояния воды и правило фаз

Вода – одно из самых распространенных веществ на нашей планете. Она имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы. На земле происходит непрерывный круговорот воды. В результате испарения во­ды в поверхности океанов и суши и выделения влаги рас­тениями и живыми существами атмосфера насыщается парами воды. Неравномерное нагревание атмосферы вызы­вает в ней крупномасштабные перемещения воздушных масс над поверхностью земного шара, а вследствие кон­денсации вода снова возвращается на землю в виде росы, дождя, града и снега.

Часть воды испаряется непосредственно с почвы и пок­рывающей ее растительности сразу же после выпадения на землю. Другая часть просачивается в почву, где она либо задерживается и используется растениями, либо проникает в подпочвенные горизонты, где соединяется с грунтовыми, а затем через них и с поверхностными водами. Наконец, некоторое количество воды остается на поверх­ности почвы, постепенно стекая в поверхностные водотоки.

Вследствие постоянного контакта с окружающей средой и включения в эту среду вода всегда содержит какие-либо вещества и практически никогда не бывает химически чистой. В то же время характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества.

Вода, или оксид водорода Н₂О, имеет молекулярную массу 18,016. На водород приходится 11,19 % массы, на кислород – 88,81 %.

В природе встречаются три изотопа водорода: ¹Н – протий, ²Н – дейтерий и ³Н – тритий и три изотопа кислорода ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О, образующих 9 устойчивых изо­топных модификаций молекул воды. В природной воде на долю ¹Н₂¹⁶О по массе приходится 99,73%. на долю ¹Н₂¹⁸О – 0,2%, на ¹Н₂¹⁷О – 0,04% и на ¹Н₂Н¹⁶О – около 0,03 %. Остальные пять разновидностей содержатся в ничтожных количествах. Помня о многообразии состава воды, мы, тем не менее, пользуемся привычной формулой Н₂О, так как она является символом основного компо­нента.

В молекуле воды ядра водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник, в основании которого нахо­дятся два мелких ядра водорода, в вершине – более круп­ное ядро кислорода. Валентный угол у центрального атома кислорода, образованный связями Н–О–Н, составляет 104^o27' (рис. 1, а). Структура электронного облака моле­кулы схематично показана на рис. 1, б. Две внешние пары электронов, образующих связи О–Н, смещены к атому кислорода, поэтому вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда. Две неподеленные пары электронов также смещены относительно ядра атома кисло­рода, и их отрицательные заряды остаются частично нескомпенсированными. Условно можно представить, что ле­пестки электронного облака направлены к вершинам частично искаженного тетраэдра, что иллюстрируется рис. 1, в. Ассиметричность распределения электрических зарядов обусловливает ярко выраженные полярные свойства молекулы воды, которая представляет собой диполь с очень высоким электрическим моментом.

а – угол между валентными связями О–Н; б – структура электронного облака;

в – расположение зарядов

Рисунок 1 – Строение молекулы воды

Измерения молекулярной массы жидкой воды показали, что она выше молекулярной массы воды в парообразном состоянии; это свидетельствует об ассоциации молекул – объединении их в сложные агрегаты. Вследствие тетраэдрической направленности электронного облака каждая молекула воды может образовать четыре водородные связи, которые обусловливают ассоциацию молекул воды и спо­собствуют возникновению ее упорядоченной внутренней структуры.

Водородные связи непрочны, легко разрушаются и обра­зуются даже при обычных тепловых движениях молекул.

Полностью все четыре водородные связи реализуются при замерзании воды. В твердом состоянии каждая моле­кула тетраэдрически окружена четырьмя другими – тремя из того же слоя и одной их соседнего слоя молекул. Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда показана на рисунке 2. Структура льда является наиболее упорядочен­ной и наименее плотной. Ее особенность заключается в наличии пустот, размеры которых превышают размеры мо­лекул.

1 – кислород; 2 – водород; 3 – химические связи; 4 – водородные связи

Рисунок 2 – Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда