Строение молекулы воды и её свойства

 

Начнем с элементарного — со строения молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода (Н1) и одного атома кислорода (О18). Оказывается, все многообразие свойств воды и необычность их проявления, в конечном счете, определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельно рассматриваемой молекуле воды ядра водорода и кислорода так расположены друг относительно друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник — со сравнительно крупным ядром кислорода в вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания (рис. 1, а).

 

 

 

Строение молекулы воды:

а) — угол между связями О-Н, б) — структура электронного облака молекулы, в) — расположение полюсов заряда.

 

Электронное облако молекулы, образованное пятью парами электронов, схематически распределено так (рис. 1, б), что внутренняя пара окружает ядро кислорода, две внешние пары неравномерно поделены между ядрами кислорода и водорода, тяготея больше к кислороду, а остальные две пары кислород не делит с водородом, и их заряды остаются частично нескомпенсированными. Таким образом, в молекуле воды оказывается четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных — вследствие недостатка электронной плотности у несколько оголенных ядер водорода — протонов.

Эти заряды можно условно представить расположенными в вершинах частично искаженного тетраэдра (рис. 1, в). Вследствие такой асимметричности распределения электрических зарядов молекула воды обладает ярко выраженными полярными свойствами: она является диполем с высоким дипольным моментом — 1,87 Дебая. На рис. 2 показана схема образования молекулы воды.

 

 

Образование молекулы воды.

 

У одного атома кислорода и двух атомов водорода (а) появляются общие электроны, образующие прочную ковалентную связь (б). Если два протона водорода молекулы воды вращаются в одну сторону, то вода называется параводой, в разные стороны — ортоводой.

 

В обыкновенной воде 3/4 ортоводы. Ряд ученых предполагает, что соотношение орто- и параводы в клетке имеет регуляторное значение. Если строение молекулы воды в общих чертах установлено, то структура воды по-прежнему остается загадкой.

 

Изотопный состав. Существуют девять устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее: 1Н216О – 99,73%, 1Н218О – 0,2%,

1Н217О – 0,04%, 1H2Н16О – 0,03%. Остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожно малых количествах.

 

Структура модификаций льда представляет собой трёхмерную сетку. В модификациях, существующих при низких давлениях, так называемый лёд – I, связи Н – О – Н почти прямолинейны и направлены к вершинам правильного тетраэдра. Но при высоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемые лёд – II, лёд – III так далее – более тяжёлые и плотные кристаллические формы этого вещества. Самые твёрдые, плотные и тугоплавкие пока – лёд – VII и лёд – VIII. Лёд – VII получен под давлением 3 млрд Па, он плавится при температуре + 1900 C. В модификациях – лёд – II - лёд – VI – с вязи Н – О – Н искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда. Только в модификациях лёд – VII и лёд – VIII достигается самая высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, выстроенные из тетраэдров, вставлены одна в другую, при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей.

Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всём интервале от температуры плавления до критической температуры, равной + 3,980 С. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей.

Искривление водородных связей увеличивается с ростом температуры и давления, что ведёт к возрастанию плотности. С другой стороны при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре + 3, 980 С.

Физические свойства воды аномальны, что объясняется приведёнными выше данными о взаимодействии между молекулами воды.

Вода – единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях – жидком, твёрдом и газообразном.

Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При 00С 1 грамм льда занимает объём 1,0905 кубических сантиметров, а 1 грамм жидкой воды занимает объём 1,0001 кубических сантиметров. И лёд плавает, оттого и не промерзают обычно насквозь водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом.

Температурный коэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соответственно ниже - 2100 С и + 3,980 С.

Теплоёмкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 00 С до 1000 С почти не зависит от температуры.