Какие свойства воды связаны с ее способностью образовывать водородные связи

Вода. Водородная связь. Ни одна из планет Солнечной системы не содержит на
своей поверхности такого большого количества воды, как наша Земля. Моря и
океаны, средняя глубина которых около 6 км, покрывают 71 % поверхности
Земли. Огромное количество воды в виде снега и льда сосредоточено в
приполярных районах. Этот удивительный факт пока не нашел однозначного
объяснения. Безусловно, вода играет огромную роль в возникновении и
существовании жизни на нашей планете. Во многом это связано со
свойствами, которых нет у ее ближайших соседей и аналогов (H2S, H2Se
и т.д.)

Прежде всего нужно
разобраться, почему вода может находиться в жидком и даже в твердом
состоянии (лед) в условиях, в которых похожие соединения водорода с
более тяжелыми элементами (серой, селеном и т.д.) газообразны.

Молекула воды имеет следующее строение:

Две поделенные электронные пары участвуют в образовании двух полярных ковалентных связей, а оставшиеся две неподеленные
пары электронов тоже играют важную роль в свойствах воды. Все
заместители у атома кислорода, включая неподеленные пары, стремятся
расположиться как можно дальше друг от друга. Это
приводит к тому, что молекула приобретает форму искаженного тетраэдра с
атомом кислорода в центре. В четырех вершинах этого “тетраэдра”
находятся два атома водорода и две неподеленные пары электронов. Но если
смотреть только по центрам атомов, то получается, что молекула воды
имеет угловое строение, причем угол Н–О–Н составляет примерно 105
градусов.

Для возникновения водородных связей важно, чтобы в
молекулах вещества были атомы водорода, связанные с небольшими, но
электроотрицательными атомами, например: O, N, F. Это создает заметный
частичный положительный заряд на атомах водорода. С другой стороны,
важно, чтобы у электроотрицательных атомов были неподеленные электронные
пары. Когда обедненный электронами атом водорода одной молекулы
(акцептор) взаимодействует с неподеленной электронной парой на атоме N, O
или F другой молекулы (донор), то возникает связь, похожая на полярную
ковалентную.

Рис. 7-1а. Водородные связи между молекулами воды (обозначены пунктиром).

Рис. 7-1б. Объемная модель, показывающая расположение молекул воды, связанных водородными связями.

Учитывая заметную разницу зарядов на атомах Н и О
соседних молекул, дополнительную прочность этой межмолекулярной связи
придает притяжение разноименных зарядов. Водородные связи характерны для
таких веществ, как вода H2O, аммиак NH3, фтороводород HF.

В
водных растворах аммиака или HF эти молекулы образуют водородные связи
не только между собой, но и с молекулами воды. Благодаря водородным
связям аммиак NH3 имеет фантастическую растворимость: в 1 л
воды может растворяться 750 л газообразного аммиака! В органических
веществах встречаются также внутримолекулярные водородные связи, сильно влияющие на пространственную форму этих молекул.

Энергия связи водородной связи Н—О в димере воды (H2O)2
составляет 21,5 кДж/моль, а ее длина 2,04 А. Таким образом, эти связи
более длинные и примерно в 10-20 раз менее прочные, чем обычные
ковалентные, но именно они заставляют воду быть жидкостью или льдом (а
не газом) в обычных условиях. Водородные связи разрушаются только тогда,
когда жидкая вода переходит в пар.

При температурах выше 0 °С (но ниже температуры
кипения) вода уже не имеет такую упорядоченную межмолекулярную
структуру, как показано на рисунках 7-1а и 7-1б. Поэтому в жидкой воде
молекулы связаны между собой лишь в отдельные агрегаты из нескольких
молекул. Эти агрегаты могут свободно двигаться рядом друг с другом,
образуя подвижную жидкость. Но при понижении температуры упорядоченность
становится все больше и больше, а агрегаты – все крупнее. Наконец,
образуется лед, который имеет примерно такую упорядоченную структуру,
как на рис. 7-1б и 3-15 из §3.8.

Кстати, на этих рисунках хорошо видно, что в
кристалле льда между молекулами остаются пустоты. Объем пустот чуть
больше, чем размер отдельной молекулы Н2О. Поэтому лед имеет
меньшую плотность, чем жидкая вода и плавает на поверхности. Большинство
же других веществ при замерзании увеличивает свою плотность.

Таким образом, водородные связи придают воде еще одно
уникальное свойство, без которого вряд ли могла бы существовать
разнообразная жизнь в тех районах Земли, где температура зимой
понижается ниже 0 °С. Если бы лед тонул в воде, то зимой все водоемы
промерзали бы до самого дна. Трудно ожидать, что рыбы согласились бы
жить в таких условиях. Человек мог бы растапливать лед, превращая его в
воду для своих нужд, но это потребовало бы огромных затрат
дополнительной энергии.

** Еще одно красивое проявление водородных связей –
голубой цвет чистой воды в ее толще. Когда одна молекула воды
колеблется, она заставляет колебаться и связанные с ней водородными
связями другие молекулы. На возбуждение этих колебаний расходуются
красные лучи солнечного спектра, как наиболее подходящие по энергии.
Таким образом, из солнечного спектра “отфильтровываются” красные лучи – их энергия поглощается и рассеивается колеблющимися молекулами воды в виде тепла.

В белом солнечном свете различные цвета как бы уравновешивают друг друга. Поэтому солнечный свет кажется глазу “белым” – лишенным цвета. Если “отфильтровать” лучи одного участка спектра, то начинает проступать другой –
в данном случае голубой участок спектра. Он и окрашивает воду в
красивый голубой цвет. Но для этого требуется, чтобы солнечный луч
прошел не менее чем через 2-х метровую толщу чистой воды и “потерял”
достаточно много красных лучей.

Понять механизм восприятия цвета нашими глазами может
помочь “круг цветов”, используемый художниками и показанный на рисунке.
Цвета в нем расположены в следующем порядке (по часовой стрелке):
красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый. Цвет,
возникающий при поглощении какого-либо цвета из белого, называют дополнительным.
В “круге цветов” дополнительными по отношению друг к другу являются,
например, красный и зеленый. Или оранжевый и синий, то есть те цвета,
которые находятся в секторах напротив друг друга.

Обычно человеческий глаз воспринимает свет с длиной волны от 800 нм (пурпурно-красный) до 400 нм (темно-фиолетовый). “Круг
цветов” достаточно условен, так как строгой границы между цветами нет.
Существует множество оттенков и порой трудно определить, где
заканчивается, например, желтый цвет и начинается зеленый. Но условно
эти границы можно провести примерно так, как показано на следующем
рисунке. Поэтому если какое-нибудь вещество (в нашем случае – вода)
поглощает из солнечного спектра красные лучи, то поток света, прошедший
через это вещество (или отраженный от его поверхности), обогащается
дополнительным цветом – голубым. Разумеется, для этого необходимо, чтобы
вода была чистой и не содержала веществ, поглощающих лучи из других
участков спектра. Очень загрязненная вода поглощает практически весь
видимый свет и выглядит черной.

Химические свойства воды. Давайте вспомним
все уже известные нам реакции, в которых участвует вода. Для этого вновь
напишем уравнения встречавшихся ранее реакций и систематизируем их.
Оказывается, вода – весьма активное в химическом отношении вещество.

1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2K + 2H2O = H2 + 2KOH(бурно)

3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4(только при нагревании)

Не все, а только достаточно активные металлы могут
участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа.
Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II
групп.

Из неметаллов с водой реагируют, например,
углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее
активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой
температуре:

C + H2O = H2 + CO(при сильном нагревании)

CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2(при сильном нагревании)

2) Вода разлагается на водород и кислород при
действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная
реакция, где вода является одновременно и окислителем, и
восстановителем:

3) Вода реагирует со многими оксидаминеметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой. Примеры таких реакций мы уже встречали:

5) Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом. Например:

Приведем другие примеры образования гидратов:

H2SO4 + H2O = H2SO4.H2O (гидрат серной кислоты)

NaOH + H2O = NaOH.H2O (гидрат едкого натра)

Соединения, связывающие воду в гидраты и
кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью,
например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.

6) Особая реакция воды – синтез растениями крахмала (C6H10O5)n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2 (при действии света)

Задачи

1. Напишите уравнения реакций следующих превращений: Ca→CaH2→

Ca(OH)2 .

2. Определите число молекул кристаллизационной воды в кристаллогидрате сульфата алюминия Al2(SO4)3×
nH2O, если в 6,66 г этого соединения содержится 1,806×
1023 атомов кислорода.

Способность молекул воды образовывать определенные структуры, основана
на наличии так называемых водородных связей. Эти связи не химической
природы. Они легко разрушаются и быстро восстанавливаются, что делает
структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в
отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают своеобразные ассоциаты
воды, её структурные элементы. Связь в таких ассоциатах называется
водородной. Она является очень слабой, легко разрушаемой, в отличие от
ковалентных связей, например, в структуре минералов или любых
химических соединений.

Интересно, что свободные, не связанные в ассоциаты
молекулы
воды присутствуют в воде лишь в очень небольшом количестве. В основном
же вода – это совокупность беспорядочных ассоциатов и
«водяных кристаллов», где количество связанных в
водородные связи молекул может достигать сотен и даже тысяч единиц.

«Водяные кристаллы» могут иметь
самую
разную форму, как пространственную, так и двухмерную (в виде кольцевых
структур). В основе же всего лежит тетраэдр (простейшая пирамида в
четыре угла). Именно такую форму имеют распределенные положительные и
отрицательные заряды в молекуле воды. Группируясь, тетраэдры молекул
H2O образуют  разнообразные пространственные и плоскостные
структуры. И из всего многообразия структур в природе базовой, судя по
всему (пока лишь не точно доказанное предположение) является всего одна
– гексагональная (шестигранная), когда шесть молекул воды
(тетраэдров) объединяются в кольцо.

Такой тип структуры характерен для льда, снега, талой воды,
клеточной
воды всех живых существ.

Рис. 1. Кристаллическая структура льда

Каждая молекула воды в кристаллической структуре
льда
участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В
центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах
— по атому водорода, электроны которых задействованы в
образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины
занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в
образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной
молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы
возникает водородная связь, менее сильная, чем связь
внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать
рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно
образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго
определенными углами, равными 109°28′, направленных к вершинам
тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную
структуру (при этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр
правильный).

Когда лёд плавится, его тетрагональная структура
разрушается
и образуется смесь полимеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и
гексамеров воды и свободных молекул воды. Схематически этот процесс
показан ниже.

Рис. Структура жидкой воды. В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10-12 секунд.

Изучить строение этих образующихся полимеров воды
оказалось
довольно сложно, поскольку вода – смесь различных полимеров,
которые находятся в равновесии между собой. Сталкиваясь друг с другом,
полимеры переходят один в другой, разлагаются и вновь образуются.

Разделить эту смесь на отдельные компоненты тоже
практически
невозможно. Лишь в 1993 году группа исследователей из Калифорнийского
университета (г. Беркли, США) под руководством доктора Р.Дж.Сайкалли
расшифровала строение триммера воды, в 1996 г. – тетрамера и
пентамера, а затем и гексамера воды. К этому времени уже было
установлено, что жидкая вода состоит из полимерных ассоциатов
(кластеров), содержащих от трех до шести молекул воды.

На рисунке ниже показано строение три-, тетра-,
пента-, и
гексамера воды. Все они цикличны, т. е. образуют довольно устойчивые
«кольца».

Более сложным оказалось строение гексамера. Самая
простая
структура – шесть молекул воды в вершинах шестиугольника,
– как выяснилось, не столь прочна, как структура клетки.
Более того, структуры призмы, раскрытой книги или лодки тоже оказались
менее устойчивыми. В шестиугольнике может быть только шесть водородных
связей, а экспериментальные данные говорят о наличии восьми. Это
значит, что четыре молекулы воды связаны перекрёстными водородными
связями.

 Структуры кластеров воды были найдены и
теоретически,
сегодняшняя вычислительная техника позволяет это сделать. Более того,
именно сопоставлением экспериментально найденных и рассчитанных
параметров удалось доказать, что полимеры имеют то строение, которое
описано выше.

 В 1999 г. Станислав Зенин провёл совместно с Б.
Полануэром
(сейчас в США) исследование воды в ГНИИ генетики, которые дали
интереснейшие результаты. Применив современные методы анализа, как-то
рефрактометрического, протонного резонанса и жидкостной хроматографии
исследователям удалось обнаружить полиассооциаты – “кванты” воды.

Объединяясь друг с другом, кластеры могут
образовывать более
сложные структуры:Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу
оказались
более стабильными.

На рисунке ниже показано строение три-, тетра-, пента-, и гексамера воды. Все они цикличны, т. е. образуют довольно устойчивые
«кольца».

Согласно гипотезе С.В. Зенина вода представляет
собой
иерархию правильных объемных структур “ассоциатов” (clathrates), в
основе которых лежит кристаллоподобный “квант воды”, состоящий из 57 ее
молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных
водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют
структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4
додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный
элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода на 80% состоит из таких
элементов, 15% – кванты-тетраэдры и 3% – классические молекулы Н2О.
Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми
телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой
пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела
(тетраэдра).

Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры,
содержащие
связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или
пять молекул Н2О (объемно-центрированный тетраэдр).

При этом у каждой из молекул воды в простых
тетраэдрах
сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их
простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или
гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в
форме додекаэдра.

Таким образом, в воде возникают стабильные кластеры,
которые
несут в себе очень большую энергию и информацию крайне высокой
плотности. Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и
порядковое число кристаллов (структура с максимально высоким
упорядочением, которую мы только знаем), потому их также называют
«жидкими кристаллами» или
«кристаллической водой». акая структура
энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул
воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей
[Зенин, 1994]. “Кванты воды” могут взаимодействовать друг с другом за
счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин
“кванта” своими гранями. При этом возможно
образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие
друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние
состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не
способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и
объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из
громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как
бы иерархически организованный жидкий кристалл.

Мосин Олег
https://www.famous-scientists.ru/3634/ 
https://www.o8ode.ru/article/oleg/