Строение молекулы воды

Физические свойства воды, как и любого другого вещества, зависят от ее строения, наличия примесей и их свойств. Молекулярное строение воды во всех ее фазах не перестает интересовать ученых на протяжении уже длительного периода.

Химическая формула этого самого распространенного на планете вещества настолько проста, что можно только удивляться, почему так мало известно о расстановке атомов и молекул в фазах воды. В конце концов, именно она определяет упаковку молекул, а следовательно, плотность вещества.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, точное положение электронов в атоме не может быть определено, но можно принять, что они расположены вокруг ядра по сферическим оболочкам. Максимальное количество электронов, которое может находиться на одной оболочке, постоянно. Известно, что на первой к ядру оболочке может быть не более двух электронов, на второй - не более восьми и т. д. У атома водорода имеется один электрон, у атома кислорода - восемь. Поэтому на внешней электронной оболочке атома кислорода оказываются два «свободных места», так как внутренние оболочки атомов должны быть обязательно заполнены электронами. В изолированном атоме кислорода эти «дырки» расположены под углом 90°. Если атомы кислорода и водорода соприкасаются, то электрон последнего изменяет свою орбиту и начинает двигаться по траектории, общей для обоих атомов, обеспечивая тем самым их объединение в молекулу. При соединении с двумя атомами водорода происходит заполнение внешней оболочки кислорода и образуется устойчивая молекула воды. В результате того, что электроны водорода в молекуле Н2О частично принадлежат атому кислорода, у атомов водорода появляется положительный заряд, они начинают взаимно отталкиваться, и угол между связями О-Н возрастает до 104° 31'. На рис. 4.1 показано схематично строение молекулы Н2О в соответствии с изложенной ее качественной картиной.
Проблема оценки структуры воды пока остается одной из самых сложных. По мнению ряда ученых, при приближении «обнаженного» иона водорода другой молекулы воды к указанному отрицательному электрическому полю происходит небольшое взаимное электростатическое притяжение молекул. И хотя эта так называемая водородная, или протонная, связь значительно менее прочная, чем ковалентная, она может оказаться достаточной для объединения двух молекул.

Рис.

4.1. Схематическое строение молекулы Н2О (по Паундеру)

Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы - ассоциаты: каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими (рис. 4.2). Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии. При этой структуре образуются «пустоты - каналы» между фиксированными молекулами, поэтому плотность льда меньше плотности воды.
Повышение температуры льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей. При жидком состоянии воды достаточно даже обычных тепловых движений молекул, чтобы эти связи разрушить.

Рис. 4.2. Схема взаимодействия молекул воды:
1 - кислород, 2 - водород, 3 - химическая связь, 4 - водородная связь

Считается, что при повышении температуры воды до 4 °С упорядоченность расположения молекул по кристаллическому типу с характерной структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98 °С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и к разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.
Вблизи точки температуры замерзания в воде преобладают ассоциации тетраэдрической структуры. Четыре молекулы в вершинах правильного четырехугольника (тетраэдра) окружают пятую, находящуюся в центре. Как уже отмечалось, такая структура обладает малой плотностью упаковки молекул. Поэтому лед, практически полностью состоящий из таких комплексов молекул, имеет малую плотность. При разрушении ассоциаций молекул их упаковка может стать более компактной, и плотность жидкой фазы по сравнению с твердой возрастает. Одновременно с повышением температуры увеличиваются средние расстояния между молекулами Н2О, что приводит к соответствующему уменьшению плотности.

<< | >>

↑

Источник: Сутырина Е. Н.. Океанология : учеб. пособие. 2012

Еще по теме Строение молекулы воды:

- Болотоведение - Метеорология и климатология - Научно-популярная история - Океанология (океанография) - Почвоведение -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -