Структура воды и ее водородная связь

Еще ни одному веществу в природе, не удавалось возбудить, настолько же глубокий интерес к особенностям своего внутреннего строения, как это произошло с водой. Известна исключительная роль воды в происхождении и развитии всех форм живой природы на Земле, а так же, удивительный и уникальный набор характеристик и свойств, которыми обладает вода.

Проблема строения воды и по сей день остается предметом дискуссий, хотя многое в этом вопросе за последнее время стало яснее. Молекула обычной воды имеет, так называемое, угловое корпускулярное строение: если присмотреться в вершине угла, который в парах равен 104,27° ( а во льду 109°), располагается атом кислорода, на отрезке в 0,96 А от него расположены собственно атомы водорода. Электронные облака молекулы воды - s-водородных атомов и р-кислородного атома - четко перекрываются таким образом, что их основные оси направляются к углам образованного тетраэдра. К оставшимся двум углам этого тетраэдра, направляются оси облаков р-электронов уже кислорода, и, таким образом, получается, что полная электронная структура водной молекулы имеет тетраэдрическую форму. Электронные пары, которые остались не использованными в связи —О— с протонами водорода, обуславливают значительное увеличение электронной плотности в первой из частей молекулы воды, при одновременном избыточном положительном заряде в той части, где расположены протоны; в результате - это состояние молекулы в совокупности с ее угловой формой, вполне логично объясняют наличие у воды дипольного момента, приводящего к существующим силам физико-химического взаимодействия между отдельными молекулами обычной и удивительной воды Н2О: Н—О—Н.

Возникающие между внешними парами образованными электронами кислорода и собственно протонами соседних с ними молекул воды, водородные связи, имеют очень важное значение в структурной организации всего объема воды в ее жидком состоянии. Каждая из молекул Н2О имеет возможность принять участие в формировании четырех подобных связей: двух - за счет притяжения пары протонов из данной молекулы к уже электронным парам кислородного атома двух соседних с ними частиц, а две оставшиеся получаются посредством притяжения протонов от соседних молекул к другим электронным парам атома кислорода настоящей частицы. То есть, молекула воды одновременно является и донором, и акцептором протона.

В парообразном состоянии вода есть образует группы, состоящие из нескольких молекул Н2О — при не очень высоких температурах в парах воды образуются парные — так называемые димерные - частицы обычной воды. В кристаллической структуре воды, находящейся в замороженном твердом состоянии - в форме льда - каждая отдельная молекула воды оказывается окруженной четырьмя другими, таким образом, что в результате получается правильная тетраэдрическая физико-химическая структура, называемая гексагональной сингонией. Протоны, которые образуют водородные связи, расположены между атомами кислорода, а по характеру их движения нельзя понять, к какому именно атому кислорода относится данный протон. А в целом, протон связан почти одинаково прочно с обоими атомами кислорода. Возможно, водородная связь имеет возможность находиться и в состоянии ионизированном, при котором к одной из связанных в структуре молекул приближен протон, а оставшаяся молекула почти потеряла протон НО-... Н+—ОН2. Такое образование характеризуется наличием значительного дипольного момента.

Структура тетраэдра оставляет множество пустого пространства внутри своей структурной решетки. Эти «пустоты» достаточно велики, чтобы вместить в себя молекулу воды. По О. Я. Самойлову, при таянии льда пустоты заполняются жидкой водой, что несомненно приводит к увеличению плотности воды в жидком ее состоянии, по сравнению с ее твердой, кристаллической формой — льдом! Это вполне логически объясняет одну из важнейших особенностей воды.

Водородная связь представляет собой взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами двух одинаковых, или двух разных, молекул, посредством одного атома водорода: А−Н ... В (черта - это ковалентная связь, а три точки - водородная связь).

Водородная связь возможна за счет электростатического притяжения атома водорода, несущего положительный заряд δ+, к атому электроотрицательного элемента, несущего отрицательный заряд δ−. Чаще всего водородная связь слабее ковалентной, однако, значительно сильнее обычного физического притяжения молекул друг к другу, наблюдаемого в твердых и жидких средах. От межмолекулярных взаимодействий водородную связь отличает наличие свойств, обозначаемых как направленность и насыщаемость. От этого ее часто относят к одной из разновидностей ковалентной химической связи. Водородную связь можно описать, пользуясь методом молекулярных орбиталей, как трехцентровую двухэлектронную связь.

Кислотные свойства многих веществ определяются наличием водородных связей в их химической природе. Одна из галогеноводородных кислот - фтороводородная кислота, в отличие от них, является слабой потому, что атомы водорода в ней связаны одновременно и сразу же с двумя атомами фтора, что мешает их отщеплению. Большинство карбоновых кислот так же являются слабыми по этой же самой причине.

Свежие Видео