Какие физические свойства имеет молекула воды
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.
Благодаря своим уникальным физическим и химическим
свойствам, часто аномальным, вода сделала возможной жизнь на Земле. Так в чем
состоят эти уникальные характеристики?
Физические свойства воды
Вода имеет высокую удельную теплоемкость, т.е. ей нужно
много тепла, чтобы нагреться, и потребуется много времени, чтобы потерять
накопленное тепло и остыть. Вот почему она используется в системах охлаждения
(например, в автомобильных радиаторах или для охлаждения промышленного
оборудования). Эта характеристика объясняет также то, почему в прибрежных (или
озерных) регионах температура воздуха мягче: в этих местах, когда времена года
меняются, температура воды «смягчает» температуру воздуха, так как она уменьшается
или увеличивается медленнее.
При ответе на вопрос: какие физические свойства воды
определяют ее особое биологическое значение, первым делом нужно вспомнить, что
она имеет высокое поверхностное натяжение. Это означает, что после наливания на
гладкую поверхность она имеет тенденцию образовывать сферические капли, а не
растекаться в тонкую пленку. И это свойство во многом объясняет высокую
биологическую активность воды. Без гравитации капля ее была бы совершенно
сферической. Поверхностное натяжение позволяет растениям поглощать воду,
содержащуюся в почве, через корни. И поверхностное натяжение делает кровь такой
«проникающей» через ткани нашего организма.
Вода обычно находится в жидком состоянии, но может легко
стать твердой или газообразной. Чистая вода переходит из жидкой в твердую, то
есть замерзает при 0° С, а на уровне моря она кипит при 100 ° С (чем выше
уровень, тем ниже температура, при которой вода начинает кипеть). Значения
кипения и замерзания воды берут в качестве контрольной точки для калибровки
термометров: в градусах Цельсия 0 ° по шкале Цельсия — это точка замерзания, а
100 ° — это точка кипения.
При замерзании вода расширяется, то есть ее плотность
уменьшается, а объем остается неизменным: поэтому лед плывет по поверхности или
лопается бутылка, наполненная водой и помещенная в морозильник.
Вода является особым природным ресурсом, поскольку она
является единственным на Земле веществом, которое можно найти во всех трех
физических состояниях в зависимости от температуры окружающей среды: жидкой,
твердой (лед) и газообразной (пар).
Химические свойства воды
Химическая формула молекулы воды — H2O: два атома водорода
(H2) связаны с одним атомом кислорода (O). Электроны атома (частицы с
отрицательным зарядом) устанавливают связи между собой. Кислород способен
держать их ближе к нему, чем водород. Молекула эта оказывается заряженной
отрицательно вблизи атома кислорода и положительно вблизи атомов водорода.
Поскольку противоположности притягиваются, молекулы воды имеют тенденцию
соединяться вместе, как магниты.
Вода может растворять многие вещества
Воду называют универсальным растворителем, поскольку она
может растворять больше веществ, чем любая другая жидкость. И нам очень с этим
повезло: если бы не это химическое свойство, мы не могли бы выпить чашку
горячего подслащенного чая, потому что сахар остался бы на дне чашки. Вот
почему воды рек, ручьев, озер, морей и океанов, которые выглядят чистыми на
первый взгляд, на самом деле содержат огромное количество растворенных
элементов и минералов, выделяемых камнями или атмосферой.
Везде, где течет вода, над землей, под землей или внутри
нашего тела, вода растворяет в себе и несет чрезвычайно большое количество
различных веществ. Таким образом, она выполняет драгоценную задачу: переносить
иногда на большие расстояния вещества, с которыми она сталкивается на своем
пути. Причем, с водой при обычных климатических условиях не реагирует
большинство этих веществ.
Чистая вода, как и дистиллированная вода, имеет рН 7
(средний). Морская вода в основном щелочная, имеет рН около 8. Чистая вода
реагирует с немногими веществами, например, серой, некоторыми солями и
металлами. Также возможен гидролиз (распад) воды при реакции с какими-то
химическими веществами.
Вода может содержать огромное количество взвешенных частиц
разных веществ, в т.ч. и радиоактивных. Именно этим и объясняется превращение
чистой воды в радиоактивную. И в наш век вездесущей атомной энергетики глубокая
и своевременная дезактивация воды – уже глобальная проблема.
Физико-химические свойства воды
То, какими свойствами обладает чистая вода, во многих
случаях зависит от водородных связей внутри ее молекул. При сравнении этих
свойств со свойствами атомов или не связанных с водородом молекулярных
жидкостей с аналогичными размерами молекул некоторые особенности воды
заслуживают внимания:
- Точка плавления льда исключительно высока среди гидридов шестой основной группы.
- Во время таяния льда при атмосферном давлении объем вещества уменьшается на 8,2%. Это аномальное сокращение объема, ведь большинство веществ расширяется во время плавления. Снижению температуры замерзания способствует увеличение давления.
- Зависимость молярного объема жидкой воды от давления и температуры показывает крайности. Плотность жидкой воды имеет максимум при 3,98 ° С.
- Коэффициент теплового расширения α жидкой воды на порядок меньше по сравнению с другими молекулярными жидкостями. Изотермическая сжимаемость χT показывает, что для молекулярной жидкости вода довольно несжимаема.
- Динамическая вязкость воды выше, чем у сопоставимых, не связанных водородом жидкостей. Более того, зависимость вязкости от давления аномальна: вязкость уменьшается с давлением и достигает минимума около 60 МПа (это давление эквивалентно толще воды в 6 км).
- Поверхностное натяжение воды выше, чем у других жидкостей, включая большинство других жидкостей, связанных водородом. В диапазоне температур от 0 до 130°С вода жидкая.
- Теплопроводность увеличивается с ростом температуры. Жидкая вода обладает высокой удельной теплоемкостью при постоянном давлении, которое изменяется незначительно до 100°C.
- Энтальпия испарения воды аномально высока. Аналогично удельной теплоемкости, она почти в четыре раза выше, чем для других сопоставимых жидкостей, не связанных с водородом. Эта разница приписывается водородной связи. Кроме того, энтальпия испарения воды очень велика по сравнению с энтальпией таяния.
Тот факт, что вода увеличивается в объеме при замерзании,
приводит ко многим последствиям в природе. Именно вода и ее свойство легко
проникать в расщелины скал, когда она замерзает, приводит к разрушению скал.
Постепенно происходит физическое и химическое выветривание скальных пород. И, в
конечном итоге, физические свойства и химические функции воды сформировали
почву на нашей планете.
Тот факт, что вода имеет самую высокую плотность при 4°С, а
не в точке замерзания, имеет важное значение для термического расслоения и
циркуляции воды в природе. Это химико-физическое свойство воды приводит к
замерзанию водоемов от их поверхности в направлении дна. Это важно не только
для жизни внутренних водоемов, но и для океанов. Если бы самые холодные районы
океанов должны были замерзать снизу-вверх, то солнечной энергии, полученной за
время лета, было бы достаточно только для оттаивания самого верхнего слоя. Так
осуществляется круговорот энергии и материи, которая опирается на циркуляции
океанов частично или даже полностью.
Огромная удельная теплоемкость воды ответственна за его
способность хранить огромное количество энергии. Таким образом, водные потоки,
например, Гольфстрим, способны нести огромное количество тепла из более теплых
климатических зон в более холодные. Таким образом, океаны работают как огромные
термостаты. Не только климат Земли, но и температурное регулирование живых
организмов зависит от высокой теплоемкости воды. Это способствует, например,
поддержанию постоянной температуры тела у теплокровных организмов. Кроме того,
относительно высокая теплопроводность воды предотвращает серьезные локальные
колебания температуры.
Абсолютно чистая вода имеет электрическую проводимость 0,03
мкСм / см это связано с автопротолизом. Электропроводность, однако, на реальных
водоемах значительно выше, из-за растворенных ионных компонентов. Вода, будучи
сильным диэлектриком (водный диэлектрик – константа), является одним из самых
лучших растворителей для солей и газов, которые способны к сольволизу с
последующей диссоциацией (например, CO2).
Еще одна особенность воды, которая важна для
гидрологического цикла — ее энтальпия испарения. С этим тесно связана летучесть
воды. Она определяет количество воды, которое переходит в газовую фазу и может
транспортироваться в атмосферу.
Таким образом, можно сделать вывод, что вода уникальна в
физическом и химическом плане. Особые свойства воды сделали ее колыбелью и
абсолютным условием жизни на Земле. Зная основные характеристики этого
вещества, можно делать вывод: благодаря каким своим химическим и физико-химическим
свойствам вода стала жидкой основой жизни.
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.
автор: Довбня Наталия Андреевна
специально для dna.com.ua