Строение молекулы воды

Урок 4. Тема: «Вода как растворитель. Строение молекулы воды,
понятие о водородной связи. Растворимость, ее зависимость от разных
факторов.
Вода – самое важное химическое соединение на Земле. Вода главный компонент всех
живых организмов и той среды, в которой живёт и существует человек. Физические
свойства воды резко отличаются от свойств других веществ, и характер этих различий
определяет природу физического и биологического мира. Одно из наиболее удивительных
свойств воды — ее способность растворять многие вещества с образованием водных
растворов. Растворы — очень важные состояния вещества; они имеют весьма большое
значение для промышленности и для жизненных процессов. Вода океанов представляет
собой водный раствор, содержащий тысячи компонентов: ионы металлов и неметаллов,
комплексные неорганические ионы, множество различных органических веществ. Именно
в этом растворе впервые возникли и развились живые организмы, и из него они получали
ионы и молекулы, необходимые для их роста и жизни С течением времени живые
организмы эволюционировали, что позволило им покинуть водную среду и перейти на
сушу и подняться в воздух. Они приобрели эту способность, сохранив в своих организмах
водный раствор в виде жидкой, составляющей ткани, плазмы крови и межклеточных
жидкостей, содержащих необходимый запас ионов и молекул.
Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она
обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов
обмена в организме.
Необходимо отметить, что вода является конечным продуктом биологического окисления
веществ, в частности глюкозы. Образование воды в результате этих процессов
сопровождается выделением большого количества энергии – приблизительно 29
кДж/моль.
Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая
вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком
состоянии, чем в твердом.
Для воды характерно наличие ассоциатов – групп молекул, соединенных водородными
связями.
В зависимости от сродства к воде функциональные группы растворяемых частиц
подразделяются на гидрофильные (притягивающие воду), легко сольватируемые водой,
гидрофобные (отталкивающие воду) и дифильные.
Строение молекулы воды
На фото слева-кристаллы воды.
Фото получены с помощью микроскопа высокого разрешения.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода . Оказывается,
что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления
определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их
объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.
В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их
ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, - по одному
ядру водорода.
Все аномальные свойства воды говорят о том, что молекулы Н2О в воде довольно прочно
связаны между собой и, по-видимому, образуют какую-то молекулярную конструкцию,
которая сопротивляется любым внешним тепловым, электрическим, механическим
воздействиям. Поэтому и нужно подвести так много тепла к воде, чтобы превратить ее в
пар, поэтому так велика удельная теплота испарения воды. Именно эти связи и являются
ключом к пониманию многих особых свойств воды. В 1920 г. американские ученые У.
Латимер и У. Родебуш предложили назвать эти особые связи водородными. С тех пор это
понятие стало хрестоматийным, вошло во все учебники и стало предметом серьезных
фундаментальных исследований.
Известно, что молекулы удерживают друг друга благодаря слабым межмолекулярным
взаимодействиям. Возникают эти взаимодействия в результате электростатического
притяжения положительно заряженного ядра одной молекулы к отрицательно заряженной
электронной оболочке другой. И хотя в значительной мере это притяжение
компенсируется взаимным отталкиванием оболочек и ядер молекул, результирующий
эффект взаимодействий достигает нескольких десятых килокалории на моль вещества. А
вот между молекулами некоторых соединений, построенных с участием водорода, силы
притяжения возрастают в десятки раз. Объясняется это незначительным атомным
радиусом водорода и отсутствием внутренних слоев электронов, благодаря чему соседняя
молекула получает возможность подойти к атому водорода на очень близкое расстояние,
не испытывая сильного отталкивания. Особенно подходящим соединением для
образования "водородных связей" является вода.
В различных состояниях водородного атома такая способность к присоединению может
быть свойственна водороду не в одинаковой степени. Наиболее сильной она будет тогда,
когда водород в наиболее полной степени отдает свой электрон, когда он связан с атомом
одного из наиболее электроотрицательных элементов - в первую очередь с атомами фтора
и кислорода и в меньшей степени с атомами хлора и азота. Наоборот, в случае неполярной
или малополярной связи (с углеродом, кремнием или другими) и тем более в случае связи
с менее электроотрицательными элементами - с металлами (гидриды металлов) - этой
способности у атома водорода быть не может. Впрочем, степень полярности связи зависит
не только от вида атома, с которым непосредственно связан данный атом, но также и от
того, с какими атомами связаны эти атомы другими валентностями. Так, водородный
атом, связанный с кислородом или азотом, будет более способен к образованию
водородной связи, если атомы кислорода или азота другой своей валентностью связаны с
более электроотрицательным элементом. Даже водородный атом, связанный с углеродом,
может приобрести способность образовывать водородную связь, если остальные
валентности углерода насыщаются сильно электроотрицательными атомами или
соответствующими атомными группами (например, хлороформ и пентахлорэтан).
Наличием в воде водородных связей объясняется высокая степень упорядоченности ее
молекул, что сближает воду с твердым телом. С другой стороны, вследствие таких связей
возникают многочисленные полости, определяющие большую рыхлость структуры воды.
Причем водородная связь сильно направлена. Следовательно, если атом водорода
находится между двумя атомами кислорода, то пространственная организация такой
тройки атомов не может быть произвольной, а будет иметь совершенно четкую,
однозначную структуру.
Растворимость веществ.
Раствори́мость — способность вещества образовывать с другими веществами
однородные системы — растворы, в которых вещество находится в виде отдельных
атомов, ионов, молекул или частиц. Растворимость данного вещества равна его
концентрации в насыщенном растворе и выражают в г/л (грамм на литр).
Факторы влияющие на растворимость
1. Природа растворенного вещества.
2. Природа растворителя: полярные и ионные вещества хорошо
растворяются в полярных растворителях, а неполярные – в
неполярных.
3. Температура: с увеличением температуры растворимость твердых и
жидких веществ практически всегда увеличивается; растворимость
газов пи увеличении температуры уменьшается.
4. Давление: давление влияет только на растворимость газов, увеличение
давления и снижение температуры увеличивают растворимость газов в
жидкостях.
Домашнее задание.
1. Опишите строение молекулы воды.
2. Чем обусловлены аномальные свойства вода?
3. Дайте определение водородной связи.
4. Перечислите факторы, влияющие на растворимость.