Строение воды. Загадки 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.

Поскольку атомы водорода друг от друга заметно отталкиваются, угол между химическими связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород - кислород не прямой (90°), а немного больше - 104,5°.

Химические связи в молекуле воды – полярные, так как кислород подтягивает к себе отрицательно заряженные электроны, а водород - положительно заряженные электроны. В результате вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода - положительный.

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.

Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - тетраэдр. Таково строение самой молекулы воды.

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°.

Геометрия и размеры молекулы воды для различных состояний
а - для парообразного состояния
б - для низшего колебательного уровня
в - для уровня, близкого к образованию кристалла льда, когда геометрия молекулы воды соответствует геометрии двух египетских треугольников с соотношением сторон 3: 4: 5
г - для состояния льда.

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".

Значит, среди геометрических рисунков молекулы воды и льда находится знаменитый египетский треугольник, в основу построения которого заложены соотношения золотой пропорции - длины сторон относятся как 3:4:5 с углом 53°08".

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.

В пространстве молекула воды занимает некоторый объем, и покрыта электронной оболочкой в виде вуали. Если представить вид гипотетической модели молекулы в плоскости, то она похожа на крылья бабочки, на Х-образную хромосому, в которой записана программа жизни живого существа. И это является показательным фактом того, что сама вода - это обязательный элемент всего живого.

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.

Если "скелет" молекулы воды так устойчив, то и его энергетическая "пирамида" - тетраэдр тоже стоит непоколебимо.

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.

Согласно статистическим данным, в обычной воде находится случайных ассоциатов - 60% (деструктурированная вода) и кластеров - 40% (структурированная вода).

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.

Вода — главная составляющая всего живого на Земле. Она является и средой обитания организмов, и главным элементом в их строении, а, следовательно, и источником жизни. Ее применяют в промышленности всех направлений. Поэтому представить себе жизнь с отсутствием воды весьма непросто.

Что входит в состав воды

Все прекрасно осведомлены о том, что вода состоит из водорода и кислорода. Это действительно так. Но помимо этих двух элементов, вода в своем составе имеет еще огромный перечень химических компонентов.

Из чего состоит вода?

Ей свойственно преобразовываться, проходя при этом гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков. В процессе протекания этих явлений вода соприкасается со множеством соединений органической природы, с металлами, газами, в результате чего жидкость дополняется различными элементами.

Элементы, входящие в состав воды, подразделяются на 6 категорий:

Ионы. К ним относятся: катионы Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO 3 и SO 4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве. В жидкость они поступают из почвенных слоев, природных минералов, горных пород, а также как элементы распада продуктов промышленной деятельности.
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, сточных и сельскохозяйственных вод.
Микроэлементы. Их насчитывается около 30 видов. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр. К ним относятся: бром, селен, медь, цинк и т. д.
Органические вещества, растворенные в воде, и азотосодержащие вещества. Это спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее.
Токсины. Это в основном тяжелые металлы и продукты нефтепереработки.

Молекула воды

Итак, из каких молекул состоит вода?

Формула воды тривиальна — Н 2 О. И она показывает, что молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода. Между ними установлена устойчивая связь.

Как же выглядит молекула воды в пространстве? Чтобы определить форму молекулы, соединяют прямыми линиями центры атомов, в результате чего вырисовывается объемная фигура - тетраэдр. Таково строение воды.

Форма молекулы воды способна изменяться в зависимости от ее агрегатного состояния. Для газообразного состояния характерен угол между атомами кислорода и водорода в 104,27 о, для твердого состояния - 109,5 о, для жидкого - 105,03 о.

Те молекулы, из которых состоит вода, занимают определенный объем в пространстве, при этом их оболочки покрыты электронным облаком в виде вуали. Вид водной молекулы, рассмотренной в плоскости, сравнивают с Х-образной хромосомой, которая служит для передачи генетической информации, а, следовательно, дает начало новой жизни. От такой формы проводится аналогия хромосомы и воды как источников жизни.

В пространстве молекула выглядит как объемный треугольник, тетраэдр. Такая форма является очень устойчивой и изменяется только из-за влияния на воду внешних физических факторов.

Из чего состоит вода? Из тех атомов, которые подвержены влиянию Ван-дер-Ваальсовых сил, образовыванию водородных связей. В связи с этим между кислородом и водородом соседних молекул образуются случайные ассоциаты и кластеры. Первые - это неупорядоченные структуры, вторые - упорядоченные ассоциаты.

В привычном состоянии воды количество ассоциатов составляет 60%, кластеров - 40%.

Между соседними водными молекулами возможны образования водородных мостиков, которые способствуют образованию различных структур - кластеров.

Кластеры способны взаимодействовать между собой посредством водородных связей, а это приводит к появлению структур нового порядка - шестигранников.

Электронное строение молекулы воды

Атомы - это то, из чего состоит вода, и каждый атом имеет свое электронное строение. Так, графическая формула электронных уровней выглядит так: 8 О 1s 2 2s 2 2p 4 , 1 Н 1s 1 .

Когда происходит процесс формирования молекулы воды, происходит перекрывание электронных облаков: два неспаренных электрона кислорода перекрываются с 1 неспаренным электроном водорода. В результате перекрывания образуется угол между атомами в 104 о.

Агрегатное состояние воды

Как уже говорилось, молекулы воды - это диполи, и данный факт влияет на необычные Одним из таких свойств является то, что вода может присутствовать в природе в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и парообразном.

Переход от одного состояния в другое обусловлен следующими процессами:

Кипение - из жидкости в пар.
Конденсация - переход их пара в жидкость (осадки).
Кристаллизация - когда жидкость превращается в лед.
Плавление - процесс таяния льда и получения жидкости.
Сублимация - превращение льда в парообразное состояние.
Десублимация - обратная реакция сублимации, то есть переход пара в лед.

От состояния воды зависит и строение ее молекулярной решетки.

Заключение

Таким образом, можно сказать, что вода - это с простым строением, которое может меняться в зависимости от ее состояния. И нам стало понятно, из каких молекул состоит вода.

Вода в нашей жизни – самое распространенное и самое обычное вещество. Человеческий организм состоит из воды на 70%, и окружающая нас природная среда тоже содержит 70% воды.

Из школьных учебников мы знаем, что молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, т.е. одна из самых маленьких и самых легких молекул. При всей обыденности и очевидности для нас тех свойств воды, которые мы постоянно используем, существуют парадоксы жидкой воды, определяющие даже формы жизни на Земле.

Жидкая вода имеет плотность большую, чем плотность льда. Поэтому при замерзании объем льда увеличивается, лед плавает на поверхности воды.

Плотность воды максимальна при 4 о С, а не в точке плавления, уменьшается и справа, и слева от этой температуры.

Вязкость воды уменьшается с повышением давления.

Температура кипения воды находится вне общей зависимости температуры кипения от молекулярной массы веществ (рис.1.1). Иначе она должна быть не выше 60 о С.

Теплоемкость воды как минимум вдвое выше, чем у любой другой жидкости.

Теплота парообразования (~ 2250 кдж/кг) как минимум втрое выше, чем у любой другой жидкости, в 8 раз больше, чем у этанола.

Рассмотрим это последнее свойство воды. Теплота испарения – это энергия, необходимая для разрыва связей между молекулами при переходе их из конденсированной фазы в газообразную. Значит, причина всех парадоксальных свойств – в природе межмолекулярных связей воды, а это, в свою очередь, определяется структурой молекулы воды.

Рис.1.1. Область соотношений молекулярной массы различных соединений и их температуры кипения.

Какая же она – молекула воды?

В 1780г. Лавуазье экспериментально установил, что вода состоит из кислорода и водорода, что два объема водорода взаимодействуют с одним объемом кислорода и что отношение масс водорода и кислорода в воде составляет 2:16. К 1840 году стало ясно, что молекулярная формула воды Н 2 О.

Три ядра в молекуле образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами в основании (рис.1.2). Электронная формула молекулы воды [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].

Рис.1.2. Образование системы связывающих м.о. из 2р-орбиталей атома кислорода и 1 s -орбиталей атома кислорода и 1 s -орбитали атомов водорода.

За счет участия двух электронов водорода 1sв связи с двумя электронами 2р кислорода возникаетspгибридизация и образуются гибридныеsp 3 орбитали с характерным углом между ними в 104,5 о, а также два полюса противоположных зарядов. Длина связи О-Н равна 0,95Å (0,095 нм), расстояние между протонами – 1,54Å (0,154 нм). На рис.1.3 представлена электронная модель молекулы воды.

Рис.1.3. Электронная модель молекулы Н 2 О.

Восемь электронов попарно вращаются по четырем орбиталям, расположенным в трех плоскостях (углы 90 о ), вписывающихся в куб. 1, 2 – неподеленные пары электронов.

Самое главное следствие из этого рассмотрения: несимметричность распределения зарядов превращает молекулу Н 2 О в диполь: на двух положительных концах размещены протоны, на двух отрицательных – неподеленные пары р-электронов кислорода.

Таким образом, молекулу воды можно рассматривать как треугольную пирамиду – тетраэдр, по углам которого размещены четыре заряда – два положительных и два отрицательных.

Эти заряды формируют свое ближайшее окружение, разворачивая соседние молекулы воды строго определенным образом – так, что между двумя атомами кислорода всегда находится только один атом водорода. Проще всего такую межмолекулярную структуру представить и изучать на воде в твердом состоянии. На рис.1.4 представлена структура льда.

Рис. 1.4. Гексагональная структура льда

Структура скреплена с помощью связей О-Н…О. Такое соединение двух атомов кислорода соседних молекул воды при посредничестве одного водородного атома называется водородной связью.

Водородная связь возникает по следующим причинам:

1 – у протона всего один электрон, поэтому электронное отталкивание двух атомов минимально. Протон просто погружается в электронную оболочку соседнего атома, сокращая расстояние между атомами на 20-30% (до 1 Å);

2 – соседний атом должен иметь большую величину электроотрицательности. В условных величинах (по Полингу) электроотрицательность F– 4,0; О – 3,5;N– 3,0;Cl– 3,0;C– 2,5;S– 2,5.

Молекула воды может иметь четыре водородные связи, в двух она выступает как донор электрона, в двух – как акцептор электрона. И связи эти могут возникать как с соседними молекулами воды, так и с другими веществами.

Итак, дипольный момент, угол Н-О-Н и водородная связь О-Н…О определяют уникальные свойства воды и играют главную роль в формировании окружающего нас мира.