Какие свойства воды связаны с ее способностью образовывать водородные связи
Способность молекул воды образовывать определенные структуры, основана
на наличии так называемых водородных связей. Эти связи не химической
природы. Они легко разрушаются и быстро восстанавливаются, что делает
структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в
отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают своеобразные ассоциаты
воды, её структурные элементы. Связь в таких ассоциатах называется
водородной. Она является очень слабой, легко разрушаемой, в отличие от
ковалентных связей, например, в структуре минералов или любых
химических соединений.
Интересно, что свободные, не связанные в ассоциаты
молекулы
воды присутствуют в воде лишь в очень небольшом количестве. В основном
же вода – это совокупность беспорядочных ассоциатов и
«водяных кристаллов», где количество связанных в
водородные связи молекул может достигать сотен и даже тысяч единиц.
«Водяные кристаллы» могут иметь
самую
разную форму, как пространственную, так и двухмерную (в виде кольцевых
структур). В основе же всего лежит тетраэдр (простейшая пирамида в
четыре угла). Именно такую форму имеют распределенные положительные и
отрицательные заряды в молекуле воды. Группируясь, тетраэдры молекул
H2O образуют разнообразные пространственные и плоскостные
структуры. И из всего многообразия структур в природе базовой, судя по
всему (пока лишь не точно доказанное предположение) является всего одна
– гексагональная (шестигранная), когда шесть молекул воды
(тетраэдров) объединяются в кольцо.
Такой тип структуры характерен для льда, снега, талой воды,
клеточной
воды всех живых существ.
 |
| Рис. 1. Кристаллическая структура льда |
Каждая молекула воды в кристаллической структуре
льда
участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В
центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах
— по атому водорода, электроны которых задействованы в
образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины
занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в
образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной
молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы
возникает водородная связь, менее сильная, чем связь
внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать
рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно
образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго
определенными углами, равными 109°28′, направленных к вершинам
тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную
структуру (при этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр
правильный).
Когда лёд плавится, его тетрагональная структура
разрушается
и образуется смесь полимеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и
гексамеров воды и свободных молекул воды. Схематически этот процесс
показан ниже.
 |
| Рис. Структура жидкой воды. В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10-12 секунд. |
Изучить строение этих образующихся полимеров воды
оказалось
довольно сложно, поскольку вода – смесь различных полимеров,
которые находятся в равновесии между собой. Сталкиваясь друг с другом,
полимеры переходят один в другой, разлагаются и вновь образуются.
Разделить эту смесь на отдельные компоненты тоже
практически
невозможно. Лишь в 1993 году группа исследователей из Калифорнийского
университета (г. Беркли, США) под руководством доктора Р.Дж.Сайкалли
расшифровала строение триммера воды, в 1996 г. – тетрамера и
пентамера, а затем и гексамера воды. К этому времени уже было
установлено, что жидкая вода состоит из полимерных ассоциатов
(кластеров), содержащих от трех до шести молекул воды.
На рисунке ниже показано строение три-, тетра-,
пента-, и
гексамера воды. Все они цикличны, т. е. образуют довольно устойчивые
«кольца».
Более сложным оказалось строение гексамера. Самая
простая
структура – шесть молекул воды в вершинах шестиугольника,
– как выяснилось, не столь прочна, как структура клетки.
Более того, структуры призмы, раскрытой книги или лодки тоже оказались
менее устойчивыми. В шестиугольнике может быть только шесть водородных
связей, а экспериментальные данные говорят о наличии восьми. Это
значит, что четыре молекулы воды связаны перекрёстными водородными
связями.
Структуры кластеров воды были найдены и
теоретически,
сегодняшняя вычислительная техника позволяет это сделать. Более того,
именно сопоставлением экспериментально найденных и рассчитанных
параметров удалось доказать, что полимеры имеют то строение, которое
описано выше.
В 1999 г. Станислав Зенин провёл совместно с Б.
Полануэром
(сейчас в США) исследование воды в ГНИИ генетики, которые дали
интереснейшие результаты. Применив современные методы анализа, как-то
рефрактометрического, протонного резонанса и жидкостной хроматографии
исследователям удалось обнаружить полиассооциаты — «кванты» воды.
Объединяясь друг с другом, кластеры могут
образовывать более
сложные структуры:Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу
оказались
более стабильными.
На рисунке ниже показано строение три-, тетра-, пента-, и гексамера воды. Все они цикличны, т. е. образуют довольно устойчивые
«кольца».
Согласно гипотезе С.В. Зенина вода представляет
собой
иерархию правильных объемных структур «ассоциатов» (clathrates), в
основе которых лежит кристаллоподобный «квант воды», состоящий из 57 ее
молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных
водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют
структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4
додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный
элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода на 80% состоит из таких
элементов, 15% — кванты-тетраэдры и 3% — классические молекулы Н2О.
Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми
телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой
пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела
(тетраэдра).
Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры,
содержащие
связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или
пять молекул Н2О (объемно-центрированный тетраэдр).
При этом у каждой из молекул воды в простых
тетраэдрах
сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их
простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или
гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в
форме додекаэдра.
Таким образом, в воде возникают стабильные кластеры,
которые
несут в себе очень большую энергию и информацию крайне высокой
плотности. Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и
порядковое число кристаллов (структура с максимально высоким
упорядочением, которую мы только знаем), потому их также называют
«жидкими кристаллами» или
«кристаллической водой». акая структура
энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул
воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей
[Зенин, 1994]. «Кванты воды» могут взаимодействовать друг с другом за
счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин
“кванта” своими гранями. При этом возможно
образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие
друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние
состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не
способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и
объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из
громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как
бы иерархически организованный жидкий кристалл.
Мосин Олег
https://www.famous-scientists.ru/3634/
https://www.o8ode.ru/article/oleg/
Смотрите также:
У нас также читают:
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.
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).
§7.4 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. – см. таблицу 7-1 в предыдущем параграфе). 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 (вспомните §3.6). 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»