Какие свойства воды обусловлены межмолекулярными водородными связями
3.1 Свойства воды, обусловленные водородной связью
3.1.1 Плотность воды
Наибольшей плотности вода достигает при + 4 °С. При охлаждении водоёмов ниже + 4 °С более холодная вода как менее плотная остаётся сверху и перемешивание слоев прекращается. В дальнейшем самый охлаждённый слой с меньшей плотностью остаётся на поверхности, превращается в лёд и тем самым защищает лежащие ниже слои от замерзания. С понижением температуры увеличивается число водородных связей между её молекулами. Это приводит к такому расположению молекул воды относительно друг друга, при котором образуются пустоты между молекулами. Кристаллическая решётка льда имеет ажурное строение. Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала, нормальными свойствами лёд был бы, как и полагается твёрдому веществу, плотнее жидкой воды. Зимой образовавшийся сверху лёд, как более плотный, тонул бы, непрерывно опускаясь на дно водоёма. Летом же лёд, защищённый толщей воды, не смог бы растаять. Постепенно все озёра, пруды, реки, ручьи превращались бы в гигантские ледяные гроты. Промёрзли бы моря, океаны. Наш мир был бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тоненьким слоем талой воды.
3.1.2 Температура плавления и кипения
За счёт водородной связи молекулы объединяются друг с другом и образуют целые группы молекул. Это затрудняет испарение воды, а, следовательно, повышает температуру плавления и кипения.
Эта аномалия объясняется сцеплением молекул за счет водородной связи, что затрудняет испарение воды, а значит, и повышает температуру кипения и плавления.
3.1.3 Теплоемкость
Теплоёмкость воды составляет 4,18 Дж/г ·К. Это в 10 раз больше, чем у железа, в 40 раз больше, чем у золота. Ни одно вещество не требует таких больших затрат теплоты для повышения его температуры на 1 °С. В ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно. Днём или при переходе от зимы к лету она медленно нагревается. Это делает воду регулятором и переносчиком тепла на всей планете.
3.1.4 Очень высокое поверхностное натяжение
В отсутствие силы тяжести вода имеет форму шара, которую мы можем наблюдать при падении капель, а космонавты – в космическом корабле. Сферическая форма воды связана с поверхностным натяжением, которое обусловлено способностью молекул воды сцепляться (когезия). Это сцепление молекул вызвано водородными связями. Молекулы воды в поверхностном слое испытывают действие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны. Молекулы, находящиеся во внутренних слоях, стараются втянуть молекулы наружного слоя внутрь, и вследствие этого образуется упругая внешняя плёнка, благодаря которой некоторые предметы (стальная иголка) могут лежать на поверхности воды, слегка её прогибая, или например, в стакан можно постепенно добавлять воду так чтобы образовалась выпуклая поверхность, которая так же будет удерживаться за счет поверхостного натяжения. Многие насекомые (водомерки и др.) легко скользят по поверхности воды. Маленькие улитки- прудовики и катушки – ползают по внутренней стороне плёнки, как по твёрдой поверхности, в поисках пищи. У воды самое высокое поверхностное натяжение из всех жидкостей, кроме ртути. Поверхность воды всегда затянута тончайшей пленкой из молекул, прочно соединенных водородными связями. Водная пленка выдерживает значительные давления. Силы поверхностного натяжения заставляют воду подниматься из глубины почвы и питать растения. Вода сама поднимается вверх по капиллярным сосудам стволов деревьев и стеблям трав.
Источник
Вода. Водородная связь. Ни одна из планет Солнечной системы не содержит на
своей поверхности такого большого количества воды, как наша Земля. Моря и
океаны, средняя глубина которых около 6 км, покрывают 71 % поверхности
Земли. Огромное количество воды в виде снега и льда сосредоточено в
приполярных районах. Этот удивительный факт пока не нашел однозначного
объяснения. Безусловно, вода играет огромную роль в возникновении и
существовании жизни на нашей планете. Во многом это связано со
свойствами, которых нет у ее ближайших соседей и аналогов (H2S, H2Se
и т.д.)
Прежде всего нужно
разобраться, почему вода может находиться в жидком и даже в твердом
состоянии (лед) в условиях, в которых похожие соединения водорода с
более тяжелыми элементами (серой, селеном и т.д.) газообразны.
Молекула воды имеет следующее строение:
Две поделенные электронные пары участвуют в образовании двух полярных ковалентных связей, а оставшиеся две неподеленные
пары электронов тоже играют важную роль в свойствах воды. Все
заместители у атома кислорода, включая неподеленные пары, стремятся
расположиться как можно дальше друг от друга. Это
приводит к тому, что молекула приобретает форму искаженного тетраэдра с
атомом кислорода в центре. В четырех вершинах этого “тетраэдра”
находятся два атома водорода и две неподеленные пары электронов. Но если
смотреть только по центрам атомов, то получается, что молекула воды
имеет угловое строение, причем угол Н–О–Н составляет примерно 105
градусов.
Для возникновения водородных связей важно, чтобы в
молекулах вещества были атомы водорода, связанные с небольшими, но
электроотрицательными атомами, например: O, N, F. Это создает заметный
частичный положительный заряд на атомах водорода. С другой стороны,
важно, чтобы у электроотрицательных атомов были неподеленные электронные
пары. Когда обедненный электронами атом водорода одной молекулы
(акцептор) взаимодействует с неподеленной электронной парой на атоме N, O
или F другой молекулы (донор), то возникает связь, похожая на полярную
ковалентную.
Рис. 7-1а. Водородные связи между молекулами воды (обозначены пунктиром).
Рис. 7-1б. Объемная модель, показывающая расположение молекул воды, связанных водородными связями.
Учитывая заметную разницу зарядов на атомах Н и О
соседних молекул, дополнительную прочность этой межмолекулярной связи
придает притяжение разноименных зарядов. Водородные связи характерны для
таких веществ, как вода H2O, аммиак NH3, фтороводород HF.
В
водных растворах аммиака или HF эти молекулы образуют водородные связи
не только между собой, но и с молекулами воды. Благодаря водородным
связям аммиак NH3 имеет фантастическую растворимость: в 1 л
воды может растворяться 750 л газообразного аммиака! В органических
веществах встречаются также внутримолекулярные водородные связи, сильно влияющие на пространственную форму этих молекул.
Энергия связи водородной связи Н—О в димере воды (H2O)2
составляет 21,5 кДж/моль, а ее длина 2,04 А. Таким образом, эти связи
более длинные и примерно в 10-20 раз менее прочные, чем обычные
ковалентные, но именно они заставляют воду быть жидкостью или льдом (а
не газом) в обычных условиях. Водородные связи разрушаются только тогда,
когда жидкая вода переходит в пар.
При температурах выше 0 °С (но ниже температуры
кипения) вода уже не имеет такую упорядоченную межмолекулярную
структуру, как показано на рисунках 7-1а и 7-1б. Поэтому в жидкой воде
молекулы связаны между собой лишь в отдельные агрегаты из нескольких
молекул. Эти агрегаты могут свободно двигаться рядом друг с другом,
образуя подвижную жидкость. Но при понижении температуры упорядоченность
становится все больше и больше, а агрегаты – все крупнее. Наконец,
образуется лед, который имеет примерно такую упорядоченную структуру,
как на рис. 7-1б и 3-15 из §3.8.
Кстати, на этих рисунках хорошо видно, что в
кристалле льда между молекулами остаются пустоты. Объем пустот чуть
больше, чем размер отдельной молекулы Н2О. Поэтому лед имеет
меньшую плотность, чем жидкая вода и плавает на поверхности. Большинство
же других веществ при замерзании увеличивает свою плотность.
Таким образом, водородные связи придают воде еще одно
уникальное свойство, без которого вряд ли могла бы существовать
разнообразная жизнь в тех районах Земли, где температура зимой
понижается ниже 0 °С. Если бы лед тонул в воде, то зимой все водоемы
промерзали бы до самого дна. Трудно ожидать, что рыбы согласились бы
жить в таких условиях. Человек мог бы растапливать лед, превращая его в
воду для своих нужд, но это потребовало бы огромных затрат
дополнительной энергии.
** Еще одно красивое проявление водородных связей –
голубой цвет чистой воды в ее толще. Когда одна молекула воды
колеблется, она заставляет колебаться и связанные с ней водородными
связями другие молекулы. На возбуждение этих колебаний расходуются
красные лучи солнечного спектра, как наиболее подходящие по энергии.
Таким образом, из солнечного спектра “отфильтровываются” красные лучи – их энергия поглощается и рассеивается колеблющимися молекулами воды в виде тепла.
В белом солнечном свете различные цвета как бы уравновешивают друг друга. Поэтому солнечный свет кажется глазу “белым” – лишенным цвета. Если “отфильтровать” лучи одного участка спектра, то начинает проступать другой –
в данном случае голубой участок спектра. Он и окрашивает воду в
красивый голубой цвет. Но для этого требуется, чтобы солнечный луч
прошел не менее чем через 2-х метровую толщу чистой воды и “потерял”
достаточно много красных лучей.
Понять механизм восприятия цвета нашими глазами может
помочь “круг цветов”, используемый художниками и показанный на рисунке.
Цвета в нем расположены в следующем порядке (по часовой стрелке):
красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый. Цвет,
возникающий при поглощении какого-либо цвета из белого, называют дополнительным.
В “круге цветов” дополнительными по отношению друг к другу являются,
например, красный и зеленый. Или оранжевый и синий, то есть те цвета,
которые находятся в секторах напротив друг друга.
Обычно человеческий глаз воспринимает свет с длиной волны от 800 нм (пурпурно-красный) до 400 нм (темно-фиолетовый). “Круг
цветов” достаточно условен, так как строгой границы между цветами нет.
Существует множество оттенков и порой трудно определить, где
заканчивается, например, желтый цвет и начинается зеленый. Но условно
эти границы можно провести примерно так, как показано на следующем
рисунке. Поэтому если какое-нибудь вещество (в нашем случае – вода)
поглощает из солнечного спектра красные лучи, то поток света, прошедший
через это вещество (или отраженный от его поверхности), обогащается
дополнительным цветом – голубым. Разумеется, для этого необходимо, чтобы
вода была чистой и не содержала веществ, поглощающих лучи из других
участков спектра. Очень загрязненная вода поглощает практически весь
видимый свет и выглядит черной.
Химические свойства воды. Давайте вспомним
все уже известные нам реакции, в которых участвует вода. Для этого вновь
напишем уравнения встречавшихся ранее реакций и систематизируем их.
Оказывается, вода – весьма активное в химическом отношении вещество.
1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:
2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH(бурно)
2K + 2H2O = H2 + 2KOH(бурно)
3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4(только при нагревании)
Не все, а только достаточно активные металлы могут
участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа.
Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II
групп.
Из неметаллов с водой реагируют, например,
углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее
активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой
температуре:
C + H2O = H2 + CO(при сильном нагревании)
CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2(при сильном нагревании)
2) Вода разлагается на водород и кислород при
действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная
реакция, где вода является одновременно и окислителем, и
восстановителем:
3) Вода реагирует со многими оксидаминеметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:
SO2 | + | H2O | = | H2SO3 |
сернистая кислота |
SO3 | + | H2O | = | H2SO4 |
серная кислота |
CO2 | + | H2O | = | H2CO3 |
угольная кислота |
4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой. Примеры таких реакций мы уже встречали:
CaO | + | H2O | = | Ca(OH)2 |
гидроксид кальция (гашеная известь) |
Не
все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них
практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Мы уже
встречались с такими оксидами. Это ZnO, TiO2, Cr2O3, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней.
5) Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом. Например:
CuSO4 | + | 5 H2O | = | CuSO4.5H2O |
вещество белого цвета (безводный сульфат меди) | кристаллогидрат (медный купорос), синие кристаллы |
Приведем другие примеры образования гидратов:
H2SO4 + H2O = H2SO4.H2O (гидрат серной кислоты)
NaOH + H2O = NaOH.H2O (гидрат едкого натра)
Соединения, связывающие воду в гидраты и
кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью,
например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.
6) Особая реакция воды – синтез растениями крахмала (C6H10O5)n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:
6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2 (при действии света)
Задачи
1. Напишите уравнения реакций следующих превращений: Ca→CaH2→
Ca(OH)2 .
2. Определите число молекул кристаллизационной воды в кристаллогидрате сульфата алюминия Al2(SO4)3×
nH2O, если в 6,66 г этого соединения содержится 1,806×
1023 атомов кислорода.
Источник
Как известно, атомы, имеющие большую электроотрицательность, имеют тенденцию притягивать к себе электроны менее электроотрицательного партнера, давая ему низкий положительный заряд (σ+). В случае с водородом этот заряд позволяет ему взаимодействовать с другим атомом. У второго атома должны присутствовать неподеленные электронные пары, которые позволят ему взаимодействовать с водородом. Механизм образования связи схож с ковалентной и может быть рассмотрен в качестве ее варианта.
Водородная связь
Это связь, образующаяся между атомом водорода, который уже связан с атомом, имеющим высокую электроотрицательность, и другим электроотрицательным атомом.
Можно представить структуру обсуждаемого явления так: сравнительно большие электроотрицательные атомы — это двое взрослых, которые держат за руки малыша-водорода. Наиболее распространенные кандидаты на роль «родителей» — это фтор, кислород и азот.
Свойства и типы водородных связей
Ковалентная и водородная связь сильно различаются по силе. Водородная значительно слабее, однако ее энергия и стабильность выше, чем у слабых межмолекулярных взаимодействий, таких как силы Ван-дер-Ваальса. Образование и разрушение водородной связи не требуют значительных затрат энергии, и она является достаточно стабильной при нормальных условиях. Подобная гибкость, обуславливает ее широкое распространение в молекулах, используемых живыми организмами, – «сборка» и «разборка» таких молекул легко осуществляется силами естественных энзимов. Можно выделить два подтипа обсуждаемой связи:
- внутримолекулярная – образуется между атомами одной молекулы;
- межмолекулярная – между атомами двух молекул.
Чтобы лучше понять, что к чему, давайте рассмотрим каждую из них.
Водородная связь: примеры
Две цепи ДНК, соединенные между собой при помощи большого количества водородных связей, — один из самых очевидных примеров внутримолекулярной водородной связи в биомолекулах. В процессе копирования, записи и восстановления генетической информации связи между цепями разрываются и соединяются множество раз на ограниченном участке молекулы.
Примерами веществ, между которыми образуются водородные связи могут служить спирты. Водородные связи, образующиеся между отдельными молекулами спиртов, обеспечивают им высокие точки кипения и плавления. Молекулы спиртов «держатся» друг за друга при помощи водородных связей, образуя более устойчивую структуру. Больше водородных связей – больше энергии необходимо для доведения вещества до кипения.
Обсуждаемые связи могут образовываться и между неорганическими молекулами, например, между молекулами воды. Рассмотрим этот случай подробнее.
Водородные связи в воде
Для начала давайте вспомним, как выглядит молекула воды. Она представляет собой атом кислорода, связанный с двумя атомами водорода и имеющий две неподеленные электронные пары – H2O. Каждый из атомов водорода может образовать связь с еще одной молекулой, из-за чего вода приобретает некоторые интересные свойства.
В числе прочего такая организация, позволяет воде иметь более высокую температуру кипения. Механизм достижения подобной стабильности по сути такой же, как и в спиртах. При температурах, превышающих ноль по шкале Цельсия, но ниже температуры кипения, молекулы воды образуют структуры, подобные изображенной на рисунке выше, но они представляют собой отдельные конгломерации, а не целостную структуру. При низкой температуре вода образует лед, в котором водородные связи присутствуют в полном объеме, образуя решетку. Ячейки решетки крупнее, чем молекула воды, что обеспечивает еще одно интересное свойство – более низкую плотность в твердом агрегатном состоянии.
Вода является отличным растворителем.
Полярные молекулы воды легко реорганизуются вокруг положительно или отрицательно заряженных ионов, поворачиваясь к ним соответствующей стороной. Особенно хорошо в воде растворяются другие водородосодержащие соединения, способные к образованию водородных связей с молекулами воды и самими собой. Поэтому спирты, а также аммиак и некоторые другие соединения способны растворяться в воде в колоссальных объемах.
Источник
Макеты страниц
ГЛАВА 4. ВОДА
Вода является наиболее широко распространенным веществом в живой природе, и ее весовое содержание в большинстве живых организмов составляет 70% и более. Кроме того, как мы уже говорили, первые живые организмы возникли, вероятно, в первичном океане, так что вода – это по существу прародительница всего живого. Вода заполняет все составные части каждой живой клетки, и именно она представляет собой ту среду, в которой осуществляются транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живой клетки и их функции обязательно должны быть приспособлены в отношении физических и химических свойств воды Более того, как мы узнаем дальше, клетки научились использовать уникальные свойства воды для реализации некоторых процессов их жизнедеятельности.
Часто мы рассматриваем воду просто как безвредную инертную жидкость, удобную для практического использования в разных целях. Хотя в химическом отношении вода весьма устойчива, она представляет собой вещество с довольно необычными свойствами. В самом деле, вода и продукты ее ионизации – ионы Н + и ОН – оказывают очень большое влияние на свойства многих важных компонентов клетки, таких, как ферменты, белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Например, каталитическая активность ферментов в значительной мере зависит от концентрации ионов Н+ и ОН
4.1. Необычные физические свойства воды обусловлены ее способностью участвовать в образовании водородных связей
По сравнению с большинством других жидкостей вода имеет необычно высокие температуры плавления и кипения и теплоту испарения (табл. 4-1). Эти особенности воды свидетельствуют о сильном притяжении между соседними молекулами, вследствие чего жидкая вода характеризуется большим внутренним сцеплением.
Таблща 4-1. Температуры плавления, температуры кипения и теплоты испарения некоторых общеизвестных жидкостей
Теплота испарения и температура кипения жидкости непосредственно определяются количеством энергии, необходимой для преодоления сил притяжения между соседними молекулами, в результате чего они отрываются друг от друга и жидкость переходит в газообразное состояние.
Почему же для жидкой воды характерно столь сильное взаимное притяжение молекул? Ответ на этот вопрос вытекает из самой структуры молекулы воды. Каждый из двух атомов водорода (в молекуле воды) объединяет свой электрон с одним из электронов атома кислорода. Взаимное расположение возникающих при этом двух электронных пар обусловливает V-образную форму молекулы воды (рис. 4-1). Поскольку у атома кислорода имеются еще две неподеленные электронные пары, он несет частичный отрицательный заряд (в вершине V-образной структуры). Более электроотрицательный атом кислорода стремится притянуть электроны атомов водорода; поэтому на ядрах обоих атомов водорода (протонах) локализуются частичные положительные заряды. Хотя молекула воды в целом электрически нейтральна, ее частичные отрицательный и положительный заряды пространственно разделены, что приводит к возникновению у нее электрического диполъного момента. Благодаря такому разделению зарядов две соседние молекулы воды могут притягиваться друг к другу за счет сил электростатического взаимодействия между частичным отрицательным зарядом, локализованным на атоме кислорода одной молекулы воды, и частичным положительным зарядом, локализованным на атоме водорода другой молекулы (рис. 4-1). Такой тип электростатического притяжения называется водородной связью.
Поскольку расположение электронов вокруг атома кислорода близко к тетраэдрическому (рис. 4-1), каждая молекула воды в принципе может образовать водородные связи максимально с четырьмя соседними молекулами воды. Предполагается, что в любой данный момент в жидкой воде при комнатной температуре каждая молекула воды образует водородные связи в среднем с 3,4 других молекул.
Рис. 4-1. Биполярная природа молекулы показанная при помощи модели из шариков и стержней и пространственной модели . Поскольку расположение валентных электронных пар вокруг атома кислорода в молекуле воды близко к тетраэдрическому, на двух атомах водорода локализованы частичные положительные заряды, а на атоме кислорода – два частичных отрицательных заряда. В. Две молекулы связанные друг с другом водородной связью (обозначена цветными черточками), соединяющей атом кислорода верхней молекулы и атом водорода нижней молекулы. Каждая молекула принципе может быть связана водородными связями максимально с четырьмя другими молекулами как это имеет место в случае льда (см. рис. 4-2).
Молекулы в жидкой воде находятся в непрерывном движении, поэтому образующиеся водородные связи постоянно и быстро разрываются и вновь восстанавливаются. Во льду же молекулы воды зафиксированы в пространстве, и каждая из них оказывается связанной водородными связями с максимально возможным числом соседних молекул, т.е. с четырьмя; при этом образуется регулярная кристаллическая структура (рис. 4-2). Вода может служить примером полярной жидкости. В отличие от нее молекулы неполярных жидкостей, таких, как бензол или гексан, не проявляют заметной тенденции к электростатическому притяжению.
Рис. 4-2. Каждая молекула воды во льду связана водородными связями с четырьмя другими молекулами воды, так что при этом образуется регулярная кристаллическая решетка. В жидкой воде при комнатной температуре каждая молекула воды связывается при помощи водородных связей в среднем приблизительно с 3,4 молекул воды. Таким образом, в жидкой воде молекулы воды расположены относительно друг друга менее «рыхло», чем в кристаллической решетке льда, вследствие чего лед обладает меньшей плотностью по сравнению с водой и поэтому всплывает в ней.
Поэтому для разрушения межмолекулярных взаимодействий в таких жидкостях требуется гораздо меньше энергии, и значения теплоты испарения у гексана и бензола, как показывает опыт, действительно намного меньше, чем у воды (табл. 4-1).
Водородные связи слабее ковалентных. Согласно имеющимся данным, энергия водородных связей в жидкой воде (т.е. энергия, необходимая для разрушения одной связи) составляет всего лишь около 4,5 ккал/моль, тогда как энергия ковалентных связей Н—О в молекулах воды равна 110 ккал/моль. Тем не менее благодаря своей многочисленности водородные связи обеспечивают высокую устойчивость жидкой воды. Хотя в любой данный момент большинство молекул в жидкой воде соединено между собой водородными связями, время полужизни каждой из водородных связей составляет менее . Вследствие этого жидкая вода представляет собой не вязкую, а весьма подвижную жидкость Для обозначения присутствующих в жидкой воде короткоживущих групп молекул, связанных друг с другом водородными связями, иногда используют термин «мерцающие скопления» (flickering clusters).
Источник