Как связаны молекулы воды

Какое строение имеет молекула воды

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:

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.

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».

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.

Источник

Связь строения воды с ее функциями

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

Молекула воды

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:

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.

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:

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

Урок 27. Состав и физические свойства воды

В уроке 27 «Состав и физические свойства воды» из курса «Химия для чайников» узнаем, что из себя представляет вода, выясним её состав, а также физические свойства.

Наиболее распространенным оксидом на Земле является оксид водорода H₂O, или вода. Без воды, как и без кислорода, невозможна жизнь человека, животных и растений.

Вода — единственное вещество, существующее на Земле одновременно в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Она является основным компонентом морей и океанов, ледников и айсбергов, облаков и тумана.

Около 70 % поверхности Земли покрыто океанами, морями, реками и озерами — природными хранилищами воды. Из космоса толстый слой воды имеет голубой цвет (рис. 104), вот почему нашу планету называют голубой. Вода входит в состав всех живых организмов, а также очень многих минералов.

Состав и строение воды

Как вы уже знаете, молекула воды состоит из трех атомов — двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 105). Относительная молекулярная масса воды равна:

Следовательно, молярная масса воды равна:

Вода — это вещество с молекулярным строением. В твердом (рис. 106) и жидком агрегатных состояниях молекулы воды прочно связаны друг с другом. Этим во многом объясняется целый ряд удивительных физических свойств воды.

Физические свойства воды

При комнатных условиях вода представляет собой жидкость без вкуса и запаха. В тонком слое вода не имеет цвета. Однако при толщине более 2 м она имеет голубой цвет. Совершенно чистая вода очень плохо проводит электрический ток.

На заметку: По тому, как проводит электрический ток вода, можно судить о ее чистоте — чем ниже электропроводность, тем чище вода.

У воды высокая теплоемкость, поэтому она медленно нагревается, но и медленно остывает. Это позволяет морям и океанам накапливать тепло летом (и днем) и высвобождать его зимой (и ночью), что предотвращает резкие колебания температуры воздуха на нашей планете в течение года (и суток). Моря и океаны служат своеобразными аккумуляторами тепла на нашей планете.

При нормальном давлении (101,3 кПа) температура кипения воды равна 100 °С. При понижении давления температура кипения воды понижается. Например, в горах на высоте около 5000 м давление существенно ниже нормального (примерно в два раза), поэтому вода закипает в этих условиях при температуре около 84 °С. Понятно, что варить продукты до готовности в горах необходимо более длительное время. И наоборот, в скороварке, где создается высокое давление, вода закипает при температуре выше 100 °С, что позволяет быстрее приготавливать пищу.

Вода как растворитель

С совершенно чистой водой, не содержащей никаких других веществ, большинство людей никогда не встречается. Такая вода используется только в специальных целях.

Почти все жидкости, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни и деятельности, представляют собой растворы различных веществ.

Раствор — это однородная смесь двух и более веществ.

Одно из веществ, входящих в состав раствора, называется растворителем, а остальные — растворенными веществами. Очень часто растворителем является вода. Вода может растворять твердые, жидкие и газообразные вещества.

Все природные воды содержат растворенные соли. Их легко обнаружить экспериментально, выпарив воду на часовом стекле. Кроме солей, вода может растворять различные газы. Их присутствие (правда, не всегда) можно обнаружить экспериментально. Например, поместив пробирку с холодной водой из-под крана в теплое место, через некоторое время можно заметить у стенок пробирки пузырьки. Это растворенные газы (преимущественно кислород) выделяются из раствора при его нагревании до комнатной температуры (рис. 108).

Многие жидкости также хорошо растворимы в воде. Например, серная кислота и спирт неограниченно растворяются в воде. В таком случае говорят, что вещество смешивается с водой в любых соотношениях. Из-за хорошей растворимости многих веществ в воде ее иногда называют универсальным растворителем.

Краткие выводы урока:

Надеюсь урок 27 «Состав и физические свойства воды» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Источник

Строение воды

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

В молекуле воды главным действующим лицом является атом кислорода.

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

Молекула воды – это диамагнетик.

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°.

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′.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Источник