Какое строение имеет молекула воды каковы ее физ свойства
Автор Виктор На чтение 7 мин. Просмотров 166 Опубликовано 13.07.2020
Вода является источником жизни для всех живых организмов.
Молекула воды имеет уникальное строение. В ней удивительным образом сочетаются прочность и устойчивость кристаллической структуры (льда), и подвижность жидкого вещества.
В статье мы подробно рассмотрим особенности строения молекулы воды в различных агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном.
Какое строение имеет молекула воды
Долгое время химики считали воду простым соединением, не вступающим в сложные реакции.
Состав воды как сложного вещества был установлен Лавуазье в 1783 г.
Одна молекула воды состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Химическая формула: H₂O
Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость. Они определяют химические и физические свойства соединений.
Молекула воды, картинка № 1
По форме молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода.Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.
Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями Н—О—Н равен 104,5°.
Молекула воды имеет два положительных и два отрицательных полюса и поэтому в большинстве случаев ведёт себя как диполь (т.е. на одной стороне – положительный заряд, на другой – отрицательный)
Значения эффективных зарядов на атомах составляет ±0,17 от заряда электрона.
Водородная связь
В жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт особой химической связи, которая называется водородной.
Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность.
Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.
На картинке № 2 показано образование димера воды с одной водородной связью.
Димер — это две молекулы Н2О, соединенные водородной связью. Связь между молекулами воды водородная.
Каждая молекула способна образовать четыре водородные связи: две между неподеленными электронными парами её атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и ещё две – между атомами водорода и атомами кислорода двух других молекул.
Энергия водородной связи может изменяться от 17 до 33 кДж/моль.
Строение молекулы в различных агрегатных состояниях
Вода может быть в нескольких состояниях:
- Жидком. Это ее преимущественное состояние в нормальных условиях. Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан.
- Твердом – это лед, а его кристаллы часто образуют иней или снег.
- Газообразном — водяной пар.
Существуют также и переходные состояния жидкости, которые возникают при замерзании или испарении.
Примечательно, что различные формы воды могут одновременно находиться рядом и даже взаимодействовать, например реки с ледниками, айсберги с морской водой, облака на небе с водяным паром.
Строение молекулы воды, водородная связь способствует расположению молекул воды. Рассмотрим особенности каждого агрегатного состояния по отдельности.
Лед
Представляет собой твердое состояние воды.
Молекулы воды образуют слои, причём каждая молекула связана с тремя молекулами в своём слое и с одной молекулой соседнего слоя. Расстояние между атомами кислорода ближайших молекул равно 0,276 нм.
Атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода: с двумя, расположенными на расстоянии 0,096 — 0,102 нм посредством валентных связей, и с двумя другими, находящимися на расстоянии 0,174 — 0,180 нм посредством водородных связей.
Жидкая вода
В отличие от структуры льда структура жидкой воды исследована ещё недостаточно.
Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.
В результате изучения молекулы воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей было видно, что при температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах.
При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.
Водяной пар
Это газообразное агрегатное состояние воды.
При данном состоянии молекула воды не имеет структуры и состоит преимущественно из мономерных молекул воды, которые находятся на расстояние относительно друг друга.
Из чего состоит вода
При обычных условиях вода выглядит как прозрачная жидкость. У нее отсутствуют вкус и запах. При небольшой толщине слоя не наблюдается даже цвета.
Вода является отличным растворителем. В природе в ней постоянно находятся растворенные газы и соли. При соединении атомов кислорода с водородом получается молекула воды. Поскольку более сильными являются водородные соединения, то, когда происходит их разрыв, они прикрепляются к иным веществам, помогая тем растворяться.
Из-за своего малого размера каждую молекулу растворенного вещества окружают очень много молекул воды. Благодаря этому в ней присутствуют отрицательные и положительные ионы.
Чистая вода является еще и хорошим изолятором с концентрацией протонов и гидроксильных ионов в количестве 10-7 моль/л, это позволяет ей проводить электричество. Именно по ее электропроводности можно оценивать чистоту жидкости.
При взаимодействии с другими веществами состав воды не изменяется, что играет особую роль в жизни любого живого организма. Ведь очень важно, чтобы жидкостные растворы, через которые в организм поступают полезные вещества, не изменялись.
Кроме того, вода хорошо поглощает инфракрасное и микроволновое излучение, а также способна хранить в себе память о веществах, которые были в ней растворены.
Элементы
Проходя гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков вода может дополняться разными химическими элементами, которые можно разделить на 6 категорий. Рассмотрим информацию в таблице № 1.
Таблица № 1 «Элементы, которые могут входить в состав воды».
| Ионы | Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO3 и SO4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве. |
| 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 |
| Микроэлементы | Их насчитывается около 30 видов: бром, селен, медь, цинк и т. д. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр. |
| Органические вещества | Спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее. |
| Токсины | Тяжелые металлы и продукты нефтепереработки. |
В настоящий момент доступны специальные методы очистки, которые эффективно борются с вредными химическими соединениями.
Вода также может содержать в себе магний и катионы кальция. В зависимости от этого ее подразделяют на мягкую и жесткую.
По изотопам водорода в молекуле воды можно говорить о легкой воде, тяжелой и сверхтяжелой воде.
Подводим итоги
Вода необходима для жизни всего живого на Земле. Она участвует в мировом круговороте воды в природе. Благодаря испарению с поверхности водоемов, почвы, растений образуются облака. Затем они выпадают в виде дождя, снега, града, питая собой подземные воды и родники. Родниковые воды по рекам попадает в море.
Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы — это и есть круговорот воды в природе.
Уникальное строение молекулы воды помогает ей трансформироваться в три агрегатных состояния.
При замерзании воды ее молекулы собираются в небольшие группы. При испарении находится на расстоянии относительно друг друга. Жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.
Список литературы
- Химия и микробиология воды. Учебное пособие В. В. Котов, Г.А. Нетесова
- Конспект лекций ГИДРОГЕОХИМИЯ. Киреева Т.А., МГУ им. М.В. Ломоносова, 2016
Источник
Оксид водорода (H2O), гораздо более известный всем нам под названием “вода”, без преувеличения, является главной жидкостью в жизнедеятельности организмов на Земле, ибо все химико-билогические реакции проходят, либо с участием воды, либо в растворах.
Вода является вторым, после воздуха, самым важным веществом для организма человека. Прожить без воды человек может не более 7-8 суток.
Чистая вода в природе может существовать в трех агрегатных состояниях: в твердом – в виде льда, в жикдом, собственно вода, в газообразном – в виде пара. Таким разнообразием агрегатных состояний в природе больше не может похвастаться ни одно вещество.
Физические свойства воды
- при н.у. – это жидкость без цвета, запаха и вкуса;
- вода обладает высокой теплоёмкостью и низкой электропроводностью;
- температура плавления 0°C;
- температура кипения 100°C;
- максимальная плотность воды при 4°C равна 1 г/см3;
- вода – хороший растворитель.
Строение молекулы воды
Молекула воды состоит из одного атома кислорода, который соединен с двумя атомами водорода, при этом связи O-H образуют угол в 104,5°, при при этом общие электронные пары смещены к атому кислорода, который более электроотрицателен по сравнению с атомами водорода, поэтому, на атоме кислорода формируется частичный отрицательный заряд, соответственно, на атомах водорода – положительный. Таким образом, молекулу воды можно рассматривать, как диполь.
Молекулы воды могут между собой образовывать водородные связи, притягиваясь противоположно заряженными частями (на рисунке водородные связи показаны пунктиром):
Формирование водородных связей объясняет высокую плотность воды, температуру ее кипения и плавления.
Количество водородных связей зависит от температуры – чем выше температура, тем меньшее кол-во связей образуется: в парах воды присутствуют только отдельные ее молекулы; в жидком состоянии – образуются ассоциаты (H2O)n, в кристаллическом состоянии каждая молекула воды связана с соседними молекулами четырьмя водородными связями.
Химические свойства воды
Вода “охотно” вступает в реакции с другими веществами:
- с щелочными и щелочноземельными металлами вода реагирует при н.у.:
2Na+2H2O = 2NaOH+H2↑
- с менее активными металлами и неметаллами вода реагирует только при высокой температуре:
3Fe+4H2O=FeO → Fe2O3+4H2↑
C+2H2O → CO2+2H2↑ - с основными оксидами при н.у. вода реагирует с образованием оснований:
CaO+H2O = Ca(OH)2
- с кислотными оксидами при н.у. вода реагирует с образованием кислот:
CO2+H2O = H2CO3
- вода является главным участником реакций гидролиза (подробнее см. Гидролиз солей);
- вода участвует в реакциях гидратации, присоединяясь к органическим веществам с двойными и тройными связями.
Растворимость веществ в воде
- хорошо растворимые вещества – в 100 г воды растворяется более 1 г вещества при н.у.;
- малорастворимые вещества – в 100 г воды растворяется 0,01-1 г вещества;
- практически нерастворимые вещества – в 100 г водры растворяется менее 0,01 г вещества.
Совершенно нерастворимых веществ в природе не существует.
При растворении многих веществ в воде вокруг их молекул образуется оболочка из молекул воды – такой “слоеный пирог” называется гидратом. После кристаллизации в составе таких комплексов сохраняются некоторая часть молекул воды, образуя кристаллогидрат:
CuSO4+5H2O = CuSO4·5H2O
См. далее:
- Жесткость воды
- Пероксид водорода (H2O2)
Источник
Билет № 15
1. Вода: ее состав, строение молекулы, физические свойства. Химические свойства воды: разложение, отношение к натрию, оксиду кальция, оксиду серы (IV). Основные загрязнители природной воды
Состав воды можно выяснить с помощью реакции разложения электрическим током. Образуется два объема водорода на один объем кислорода (объем газа пропорционален количеству вещества):
2H2O = 2H2↑ + O2↑
Вода состоит из молекул. Каждая молекула содержит два атома водорода, соединенные ковалентными связями с одним атомом кислорода. Угол между связями около 105°:
O — H
|
H
Поскольку кислород является более электроотрицательным элементом (сильным окислителем), общая электронная пара ковалентной связи смещается к атому кислорода, на нем образуется частичный отрицательный заряд δ−, на атомах водорода — частичный положительный δ+. Соседние молекулы притягиваются друг к другу противоположными зарядами — это обуславливает сравнительно высокую температуру кипения воды.
Вода при комнатной температуре — бесцветная прозрачная жидкость. Температура плавления 0º C, температура кипения при атмосферном давлении — 100° С. Чистая вода не проводит электрический ток.
Интересной особенностью воды является то, что она имеет наибольшую плотность 1 г/см3 при температуре около 4° С. При дальнейшем понижении температуры плотность воды снижается. Поэтому с наступлением зимы верхние замерзающие слои воды становятся легче и не погружаются вниз. Лед образуется на поверхности. Промерзания водоема до дна обычно не происходит (к тому же лед тоже имеет плотность меньше воды и плавает на поверхности).
Химические свойства:
- Вода разлагается при пропускании электрического тока* на водород и кислород:
2H2O = 2H2↑ + O2↑ - Вода взаимодействует с натрием и некоторыми другими активными металлами, которые вытесняют из нее водород, образуется щелочь (гидроксид натрия):
2Na + 2HOH = 2NaOH + H2↑ - Оксид кальция (негашеная известь) бурно взаимодействует с водой (гасится) с выделением большого количества тепла, что может быть
даже причиной пожара. Образуется гидроксид кальция (гашеная известь):
CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q - Большинство оксидов неметаллов реагируют с водой с образованием кислот. Оксид серы (IV) взаимодействует с водой с образованием серни́стой кислоты:
SO2 + H2O = H2SO3
К основным загрязнителям природной воды относятся сточные воды промышленных предприятий, содержащие соединения ртути, мышьяка и других токсичных элементов. Стоки животноводческих комплексов, городов могут содержать отходы, вызывающие бурное развитие бактерий. Большую опасность для природных водоемов представляет неправильное хранение (не обеспечивающее защиту от атмосферных осадков) или применение удобрений и ядохимикатов, смываемых в водоемы. Транспорт, особенно водный, загрязняет водоемы нефтепродуктами и бытовым мусором, выбрасываемым недобросовестными людьми прямо в воду.
Для охраны вод необходимо вводить замкнутое водоснабжение промышленных предприятий, комплексную переработку сырья и отходов, строительство очистных сооружений, экологическое воспитание населения.
* Для электролиза воды используются растворы солей
2. Опыт. Распознавание соли угольной кислоты среди трех предложенных солей.
Качественной реакцией на карбонаты служит взаимодействие с кислотами, сопровождающееся бурным выделением углекислого газа:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2↑
или, в ионном виде:
CO32− + 2H+ = H2O + CO2↑
Доказать, что выделяется именно оксид углерода (IV), можно, пропуская его через раствор известковой воды, что вызывает её помутнение:
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O
Чтобы распознать соль угольной кислоты, добавляем во все три пробирки немного кислоты (чтобы не вылилась через край при «вскипании»). Где будет выделяться бесцветный газ без запаха, там находится карбонат.
Источник
Все живые организмы на планете Земля состоят из воды. Эта
жидкость встречается везде и без нее жизнь невозможна. Большая ценность воды
обусловлена уникальными свойствами жидкости и простым составом. Чтобы
разобраться во всех особенностях, рекомендуется детально ознакомиться со структурой
молекулы воды.
Модель строения воды
Молекула воды включает два атома водорода (Н) и один атом
кислорода (О). Элементы, из которых состоит жидкость, определяют всю
функциональность и особенности. Модель молекулы воды имеет форму треугольника.
Вершину этой геометрической фигуры представляет крупный элемент кислорода, а
внизу находятся небольшие атомы водорода.
Молекула воды обладает двумя положительными и двумя
отрицательными полюсами зарядов. Отрицательные заряды формируются из-за излишка
электронной плотности у атомов кислорода, а положительные – из-за нехватки
электронной плотности у водорода.
Неравномерное распределение электрических зарядов создает
диполе, где диполярный момент составляет 1,87 дебай. Вода обладает способностью
растворять вещества, поскольку ее молекулы пытаются нейтрализовать
электрическое поле. Диполя приводят к тому, что на поверхности погруженных в
жидкость веществ становятся слабее межатомные и межмолекулярные связи.
Вода отличает большой устойчивостью при растворении прочих
соединений. В обычных условиях из 1 млрд молекул только 2 распадаются, а протон
переходит в строение иона гидроксония (образуется при растворении кислот).
Вода не меняет свой состав при взаимодействии с другими
веществами и не влияет на структуру этих соединений. Такая жидкость считается
инертным растворителем, что особо важно для живых организмов. Полезные вещества
поступают к различным органам через водные растворы, поэтому важно, чтобы их
состав и свойства оставались неизменными. Вода сохраняет в себе память о
растворенных в ней веществах и может применяться многократно.
Каковы особенности пространственной организации молекулы
воды:
- Соединение проводится противоположными зарядами;
- Появляются межмолекулярные водородные связи, которые исправляют электронную неполноценность водорода с помощью дополнительной молекулы;
- Вторая молекула фиксирует водород по отношению к кислороду;
- Благодаря этому образуются четыре водородные связи, которые могут контактировать с 4 соседями;
- Такая модель напоминает бабочку и имеет углы равные 109 градусам.
Атомы водорода соединяются с атомами кислорода и образуют
молекулу воды с ковалентной связью. Водородные соединения более сильные,
поэтому, когда они разрываются, то молекулы присоединяются к другим веществам,
способствуя их растворению.
Прочие химические элементы, в состав которых входит водород,
замерзают при -90 градусах, а закипают при 70 градусах. Но вода становится
льдом, когда температура достигает нуля, а закипает при 100 градусах. Чтобы
объяснить такие отклонения от нормы, требуется разобраться, в чем особенность
строения молекулы воды. Дело в том, что вода – это ассоциированная жидкость.
Это свойство подтверждается и большой теплотой
парообразования, что делает жидкость хорошим энергоносителем. Вода – отличный
регулятор температуры, способен нормализировать резкие перепады этого
показателя. Теплоемкость жидкости повышается, когда ее температура 37 градусов.
Минимальные показатели соответствуют температуре человеческого тела.
Относительная молекулярная масса воды составляет 18.
Рассчитать этот показатель достаточно легко. Следует заранее ознакомиться с
атомной массой кислорода и водорода, которая равна 16 и 1 соответственно. В
химических задачах нередко встречается массовая доля воды. Этот показатель
измеряется в проценте и зависит от формулы, которую требуется рассчитать.
Строение молекулы в различных агрегатных состояниях воды
В жидком состоянии молекула воды состоит из моногидроля,
дигидроля и тригидроля. Количество этих элементов зависит от агрегатного
состояния жидкости. Пар включает одну H₂O – гидроль (моногидроль). Две H₂O
обозначают жидкое состояние – дигидроль. Три H₂O включает лед.
Агрегатные состояния воды:
- Жидкое. Между одиночными молекулами, которые связаны водородными связями, располагаются пустоты.
- Пар. Одиночные H₂O никак не соединяются между собой.
- Лед. Твердое состояние отличается прочными водородными связи.
При этом существуют переходные состояния жидкости, например,
при испарении или замерзании. Для начала требуется разобраться, отличаются ли
молекулы воды от молекул льда. Так замерзшая жидкость имеет кристаллическую
структуру. Модель льда может иметь форму тетраэдр, тригональной и моноклинной
сингонии, куба.
Обычная и замерзшая вода отличаются плотностью.
Кристаллическая структура приводит к меньшей плотности и увеличению объема.
Основное различие между жидким и твердым состоянием – это количество, сила и
разновидность водородных связей.
Состав не меняется ни в одном агрегатном состоянии.
Отличается строение и движение составных частей жидкости, сила связей водорода.
Обычно молекулы воды слабо притягиваются друг к другу, размещаются хаотично,
поэтому жидкость такая текучая. Лед отличается более сильным притяжением, так
как создается плотная кристаллическая решетка.
Многих интересует, одинаковы ли объемы и состав молекул
холодной и горячей воды. Важно запомнить, что состав жидкости не меняется ни в
одном из агрегатных состояний. Молекулы при нагревании или остывании жидкости
отличаются расположением. В холодной и горячей воде разные объемы, так как в первом
случае структура упорядоченная, а во втором – хаотичная.
Когда лед тает, то его температура не меняется. Только после
того, как жидкость меняется свое агрегатное состояние, показатели начинают
подниматься. Для таяния требуется определенное количество энергии, которое
называется удельной теплотой плавления или лямбда воды. Для льда показатель
равен 25000 Дж/кг.
Источник