Какая связь между структурой молекулы воды и ее свойствами
Вода является источником жизни для всех живых организмов.
Молекула воды имеет уникальное строение. В ней удивительным образом сочетаются прочность и устойчивость кристаллической структуры (льда), и подвижность жидкого вещества.
В статье мы подробно рассмотрим особенности строения молекулы воды в различных агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном.
Какое строение имеет молекула воды
Долгое время химики считали воду простым соединением, не вступающим в сложные реакции.
Состав воды как сложного вещества был установлен Лавуазье в 1783 г.
Одна молекула воды состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Химическая формула: H₂O
Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость. Они определяют химические и физические свойства соединений.
Молекула воды, картинка № 1
По форме молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода.Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.
Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями Н—О—Н равен 104,5°.
Молекула воды имеет два положительных и два отрицательных полюса и поэтому в большинстве случаев ведёт себя как диполь (т.е. на одной стороне – положительный заряд, на другой – отрицательный)
Значения эффективных зарядов на атомах составляет ±0,17 от заряда электрона.
Водородная связь
В жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт особой химической связи, которая называется водородной.
Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность.
Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.
На картинке № 2 показано образование димера воды с одной водородной связью.
Димер — это две молекулы Н2О, соединенные водородной связью. Связь между молекулами воды водородная.
Каждая молекула способна образовать четыре водородные связи: две между неподеленными электронными парами её атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и ещё две – между атомами водорода и атомами кислорода двух других молекул.
Энергия водородной связи может изменяться от 17 до 33 кДж/моль.
Строение молекулы в различных агрегатных состояниях
Вода может быть в нескольких состояниях:
- Жидком. Это ее преимущественное состояние в нормальных условиях. Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан.
- Твердом – это лед, а его кристаллы часто образуют иней или снег.
- 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.
Лед
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.
Из чего состоит вода
При обычных условиях вода выглядит как прозрачная жидкость. У нее отсутствуют вкус и запах. При небольшой толщине слоя не наблюдается даже цвета.
Вода является отличным растворителем. В природе в ней постоянно находятся растворенные газы и соли. При соединении атомов кислорода с водородом получается молекула воды. Поскольку более сильными являются водородные соединения, то, когда происходит их разрыв, они прикрепляются к иным веществам, помогая тем растворяться.
Из-за своего малого размера каждую молекулу растворенного вещества окружают очень много молекул воды. Благодаря этому в ней присутствуют отрицательные и положительные ионы.
Чистая вода является еще и хорошим изолятором с концентрацией протонов и гидроксильных ионов в количестве 10-7 моль/л, это позволяет ей проводить электричество. Именно по ее электропроводности можно оценивать чистоту жидкости.
При взаимодействии с другими веществами состав воды не изменяется, что играет особую роль в жизни любого живого организма. Ведь очень важно, чтобы жидкостные растворы, через которые в организм поступают полезные вещества, не изменялись.
Кроме того, вода хорошо поглощает инфракрасное и микроволновое излучение, а также способна хранить в себе память о веществах, которые были в ней растворены.
Элементы
Проходя гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков вода может дополняться разными химическими элементами, которые можно разделить на 6 категорий. Рассмотрим информацию в таблице № 1.
Таблица № 1 «Элементы, которые могут входить в состав воды».
| Ионы | Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO3 и SO4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве. |
| Растворенные газы | Кислород, азот, сероводород, углекислый газ и прочие. Количество каждого газа в воде напрямую зависит от ее температуры. |
| Биогенные элементы | Главными из них являются фосфор и азот, которые поступают в жидкость из осадков |
| Микроэлементы | Их насчитывается около 30 видов: бром, селен, медь, цинк и т. д. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр. |
| Органические вещества | Спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее. |
| Токсины | Тяжелые металлы и продукты нефтепереработки. |
В настоящий момент доступны специальные методы очистки, которые эффективно борются с вредными химическими соединениями.
Вода также может содержать в себе магний и катионы кальция. В зависимости от этого ее подразделяют на мягкую и жесткую.
По изотопам водорода в молекуле воды можно говорить о легкой воде, тяжелой и сверхтяжелой воде.
Подводим итоги
Вода необходима для жизни всего живого на Земле. Она участвует в мировом круговороте воды в природе. Благодаря испарению с поверхности водоемов, почвы, растений образуются облака. Затем они выпадают в виде дождя, снега, града, питая собой подземные воды и родники. Родниковые воды по рекам попадает в море.
Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы — это и есть круговорот воды в природе.
Уникальное строение молекулы воды помогает ей трансформироваться в три агрегатных состояния.
При замерзании воды ее молекулы собираются в небольшие группы. При испарении находится на расстоянии относительно друг друга. Жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.
Список литературы
- Химия и микробиология воды. Учебное пособие В. В. Котов, Г.А. Нетесова
- Конспект лекций ГИДРОГЕОХИМИЯ. Киреева Т.А., МГУ им. М.В. Ломоносова, 2016
Источник
1. Один атом кислорода в воде соединен ковалентными связями с парой атомов водорода. Поэтому каждый атом водорода приобретает частично положительный заряд, а атом кислорода частично отрицательный.
2. Между отрицательно заряженным атомом кислорода одной молекулы воды и положительно заряженным атомом водорода другой молекулы имеется водородная связь. Потому молекулы воды и связаны друг с другом.
3. Водородные связи легко разрушаются — они в 20 раз слабее ковалентных связей. Поэтому молекулы воды подвижны в клетке и организме.
4. Водородные связи также обусловливают высокую температуру кипения воды, теплоемкость
(способность поглощать тепло при минимальном колебании собственной температуры).
Роль воды в живой системе — клетке
1. Молекула воды — это диполь, так как в области атомов водорода преобладает заряд положительный, а в области атома кислорода выше плотность отрицательного заряда.
2. Угол связи H-O-H в молекуле воды составляет 104,5 градуса, поэтому положительный и отрицательный заряды сосредоточены на разных концах молекулы. И именно поэтому вода — прекрасный растворитель полярных веществ.
3. Вода вообще является универсальным растворителем благодаря своей способности образовывать гидраты.
4. Вода способна на ориентирование в электрическом поле, она может присоединиться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд, — при этом образуются гидраты. Если силы притяжения внутри молекулы воды меньше, чем силы притяжения молекул воды к молекулам иного вещества, это вещество растворятся в воде.
5. Поэтому выделяют гидрофильные вещества — они хорошо растворимы в воде: соли, щелочи, кислоты. Данные вещества диссоциируют на заряженные частицы — катионы и анионы. Молекулы воды взаимодействуют с ними.
6. Кроме полярных соединений к гидрофильным веществам относятся также сахара, аминокислоты, спирты — неполярные соединения, в составе которых имеются полярные группы (OH, различные радикалы).
7. Гидрофобные вещества — с трудом или вовсе не растворяются в воде. К ним относятся жиры, жироподобные вещества, бензин, парафин, каучук. Жироподобные вещества находятся, например, внутри клеточных мембран, ограничивая исход растворенных веществ из клетки в окружающую среду и проникновение обратно.
8. Вода — участник многих реакций в клетке, ведь большинство реакций идут как раз в водном растворе. Белки, липиды, углеводы и другие органические вещества расщепляются в результате работы ферментов и взаимодействия с водой до более простых веществ в результате реакций гидролиза.
9. В связи с высокой теплоемкостью вода отлично поддерживает тепловое равновесие в клетке, и при сильном повышении температуры среды вода нагревается медленно, но долго сохраняет тепло. Организмы защищены водой от резких колебаний температуры окружающей среды, поэтому процессы обмена веществ могут происходить в стабильных условиях.
10. Вода имеет относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Тепло равномерно распределяется по всему объему воды в клетке, препятствуя перегреванию в отдельных точках.
11. Испарение
воды обеспечивает охлаждение именно всей поверхности клетки, так как на разрыв водородных связей тратится энергия. Таким образом, вода участвует в терморегуляции.
12. Вода — источник кислорода, который растения выделяют в атмосферу.
13. Вода — источник водорода, который используется для синтеза органических веществ растениями.
14. Вода — среда для транспорта веществ
в организме. Она обеспечивает ток лимфы и крови, восходящие и нисходящие токи растворов по древесине и лубу у растений. В клетках вещества, растворенные в воде, транспортируются через клеточные мембраны. Транспортные функции воды обеспечиваются ее низкой вязкостью и высокой подвижностью.
15. В клетке различают воду свободную (ее 90 процентов) и связанную (10 процентов). Связанная вода участвует в образовании макромолекул и никогда не теряется живой клеткой. Вода определяет объем и тургор клеток и тканей. Тургор
— напряженное состояние плазматической мембраны, вызванное давлением воды внутри клетки.
16. Вода характеризуется высоким поверхностным натяжением — этим обеспечивается сцепление ее молекул. Благодаря такому свойству молекулы воды передвигаются по проводящим тканям растений, а также некоторые животные двигаются по поверхности воды. Например, клоп-водомерка при передвижении использует именно поверхностное натяжение воды. На первой и третьей паре ног у него есть специальные волоски, которые не продавливают слой воды, а держат жука на поверхности.
17. При замерзании воды ее объем возрастает, а плотность уменьшается, поэтому вода в виде льда всплывает на поверхность водоема. Максимальную плотность вода имеет при температуре 4 градуса, а при 0 она имеет меньшую плотность. Зимой часть воды в реках превращается в более легкий лед, который всплывает на поверхность и создает защиту для речных обитателей, препятствуя промерзанию толщи воды. При этом более теплая и плотная вода (с температурой не ниже 4 градусов) концентрируется под покровом льда, создавая условия для выживания водных животных. Поздней осенью, при понижении температуры ниже 4 градусов в клетках растений образуются кристаллы льда и они погибают. Чтобы выжить, многие растения накапливают в тканях белки и сахара, благодаря чему вода с растворенными в ней органическими веществами не замерзает, и растения благополучно переносят холода.
Источник
Все живые организмы на планете Земля состоят из воды. Эта
жидкость встречается везде и без нее жизнь невозможна. Большая ценность воды
обусловлена уникальными свойствами жидкости и простым составом. Чтобы
разобраться во всех особенностях, рекомендуется детально ознакомиться со структурой
молекулы воды.
Модель строения воды
Молекула воды включает два атома водорода (Н) и один атом
кислорода (О). Элементы, из которых состоит жидкость, определяют всю
функциональность и особенности. Модель молекулы воды имеет форму треугольника.
Вершину этой геометрической фигуры представляет крупный элемент кислорода, а
внизу находятся небольшие атомы водорода.
Молекула воды обладает двумя положительными и двумя
отрицательными полюсами зарядов. Отрицательные заряды формируются из-за излишка
электронной плотности у атомов кислорода, а положительные – из-за нехватки
электронной плотности у водорода.
Неравномерное распределение электрических зарядов создает
диполе, где диполярный момент составляет 1,87 дебай. Вода обладает способностью
растворять вещества, поскольку ее молекулы пытаются нейтрализовать
электрическое поле. Диполя приводят к тому, что на поверхности погруженных в
жидкость веществ становятся слабее межатомные и межмолекулярные связи.
Вода отличает большой устойчивостью при растворении прочих
соединений. В обычных условиях из 1 млрд молекул только 2 распадаются, а протон
переходит в строение иона гидроксония (образуется при растворении кислот).
Вода не меняет свой состав при взаимодействии с другими
веществами и не влияет на структуру этих соединений. Такая жидкость считается
инертным растворителем, что особо важно для живых организмов. Полезные вещества
поступают к различным органам через водные растворы, поэтому важно, чтобы их
состав и свойства оставались неизменными. Вода сохраняет в себе память о
растворенных в ней веществах и может применяться многократно.
Каковы особенности пространственной организации молекулы
воды:
- Соединение проводится противоположными зарядами;
- Появляются межмолекулярные водородные связи, которые исправляют электронную неполноценность водорода с помощью дополнительной молекулы;
- Вторая молекула фиксирует водород по отношению к кислороду;
- Благодаря этому образуются четыре водородные связи, которые могут контактировать с 4 соседями;
- Такая модель напоминает бабочку и имеет углы равные 109 градусам.
Атомы водорода соединяются с атомами кислорода и образуют
молекулу воды с ковалентной связью. Водородные соединения более сильные,
поэтому, когда они разрываются, то молекулы присоединяются к другим веществам,
способствуя их растворению.
Прочие химические элементы, в состав которых входит водород,
замерзают при -90 градусах, а закипают при 70 градусах. Но вода становится
льдом, когда температура достигает нуля, а закипает при 100 градусах. Чтобы
объяснить такие отклонения от нормы, требуется разобраться, в чем особенность
строения молекулы воды. Дело в том, что вода – это ассоциированная жидкость.
Это свойство подтверждается и большой теплотой
парообразования, что делает жидкость хорошим энергоносителем. Вода – отличный
регулятор температуры, способен нормализировать резкие перепады этого
показателя. Теплоемкость жидкости повышается, когда ее температура 37 градусов.
Минимальные показатели соответствуют температуре человеческого тела.
Относительная молекулярная масса воды составляет 18.
Рассчитать этот показатель достаточно легко. Следует заранее ознакомиться с
атомной массой кислорода и водорода, которая равна 16 и 1 соответственно. В
химических задачах нередко встречается массовая доля воды. Этот показатель
измеряется в проценте и зависит от формулы, которую требуется рассчитать.
Строение молекулы в различных агрегатных состояниях воды
В жидком состоянии молекула воды состоит из моногидроля,
дигидроля и тригидроля. Количество этих элементов зависит от агрегатного
состояния жидкости. Пар включает одну H₂O – гидроль (моногидроль). Две H₂O
обозначают жидкое состояние – дигидроль. Три H₂O включает лед.
Агрегатные состояния воды:
- Жидкое. Между одиночными молекулами, которые связаны водородными связями, располагаются пустоты.
- Пар. Одиночные H₂O никак не соединяются между собой.
- Лед. Твердое состояние отличается прочными водородными связи.
При этом существуют переходные состояния жидкости, например,
при испарении или замерзании. Для начала требуется разобраться, отличаются ли
молекулы воды от молекул льда. Так замерзшая жидкость имеет кристаллическую
структуру. Модель льда может иметь форму тетраэдр, тригональной и моноклинной
сингонии, куба.
Обычная и замерзшая вода отличаются плотностью.
Кристаллическая структура приводит к меньшей плотности и увеличению объема.
Основное различие между жидким и твердым состоянием – это количество, сила и
разновидность водородных связей.
Состав не меняется ни в одном агрегатном состоянии.
Отличается строение и движение составных частей жидкости, сила связей водорода.
Обычно молекулы воды слабо притягиваются друг к другу, размещаются хаотично,
поэтому жидкость такая текучая. Лед отличается более сильным притяжением, так
как создается плотная кристаллическая решетка.
Многих интересует, одинаковы ли объемы и состав молекул
холодной и горячей воды. Важно запомнить, что состав жидкости не меняется ни в
одном из агрегатных состояний. Молекулы при нагревании или остывании жидкости
отличаются расположением. В холодной и горячей воде разные объемы, так как в первом
случае структура упорядоченная, а во втором – хаотичная.
Когда лед тает, то его температура не меняется. Только после
того, как жидкость меняется свое агрегатное состояние, показатели начинают
подниматься. Для таяния требуется определенное количество энергии, которое
называется удельной теплотой плавления или лямбда воды. Для льда показатель
равен 25000 Дж/кг.
Источник