Строение молекулы воды кратко

Обновлено: 05.07.2024

Молекула представляет собой совокупность атомных ядер и электронов , что является достаточно устойчивым, чтобы обладать наблюдаемыми свойствами — и есть несколько молекул, которые являются более стабильными и трудно разлагаются, чем H 2 O.

В воде, каждое ядро водорода связаны с центральным атомом кислорода парой электронов, которые делятся между ними. Химики называют эту общую электронную пару ковалентной химической связью. В H2О , только два из шести электронов кислорода внешней оболочки используются для этой цели, оставляя четыре электрона, которые организованы в две несвязывающие пары.

Четыре электронные пары, окружающие кислород, имеют тенденцию располагаться как можно дальше друг от друга, чтобы минимизировать отталкивания между этими облаками отрицательного заряда. Это обычно приводит к тетраэдрической геометрии, в которой угол между электронными парами (и, следовательно, угол связи HOH ) составляет 109,5 °.

Однако, поскольку две несвязывающие пары остаются ближе к атому кислорода, они оказывают более сильное отталкивание на две пары ковалентных связей, эффективно сближая два атома водорода. Результатом является искаженное тетраэдрическое расположение, в котором угол Н-О-Н составляет 104,5 °.

Хотя молекула воды не несет чистого электрического заряда, ее восемь электронов распределены неравномерно. Немного более отрицательный заряд (фиолетовый) на кислородном конце молекулы и компенсирующий положительный заряд (зеленый) на водородном конце. Получающаяся полярность в значительной степени ответственна за уникальные свойства воды.

КАКИЕ СВЯЗИ ИМЕЕТ H2O2

Молекула H 2 O электрически нейтральна, но положительные и отрицательные заряды распределены неравномерно. Это иллюстрируется градацией цвета на схематической диаграмме здесь. Электронный (отрицательный) заряд концентрируется на кислородном конце молекулы, отчасти благодаря несвязывающимся электронам (сплошные синие кружки) и высокому заряду ядра кислорода, который оказывает сильное притяжение на электроны.

Как все мы узнали в школе, противоположные заряды притягиваются, поэтому частично положительный атом водорода на одной молекуле воды электростатически притягивается к частично отрицательному кислороду на соседней молекуле. Этот процесс называется (несколько обманчиво) водородной связью.

Обратите внимание, что водородная связь длиннее, чем ковалентная связь О-Н. Это означает, что он значительно слабее. На самом деле он настолько слаб, что данная водородная связь не может существовать дольше, чем крошечная доля секунды.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА H2O2

Расширение между –4 ° и 0 ° обусловлено образованием более крупных агрегатов с водородными связями. Выше 4 ° начинается тепловое расширение, поскольку колебания связей О — Н становятся более энергичными, что приводит к выталкиванию молекул дальше друг от друга.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА H2O2

Соленость воды может быть определена как концентрация всех катионов, в значительной степени Na + , K + , Mg ++ и Ca ++, а также анионов CO 3 = и SO 4 = и галогенидов, причем все HCO 3 — превращаются в CO = 3. Приведенный выше средний состав пресной воды соответствует среднему речному водоснабжению. В мягких водах Ca ++ и CO = 3 могут быть значительно снижены. В кислых водах сульфат может быть доминирующим.

КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Что происходит в естественном круговороте воды?

В естественном круговороте воды используются физические процессы для перемещения воды с поверхности земли в атмосферу и обратно.

Испарение — это когда солнце светит на воду и нагревает ее, превращая в газ, называемый водяным паром, который поднимается в воздух.

Транспирация — это когда солнце согревает людей, растения и животных, и они выпускают водяной пар в воздух.

Конденсация — это когда водяной пар в воздухе охлаждается и превращается в жидкость, образуя крошечные капельки воды в небе.

Осадки — это когда капли воды падают с неба в виде дождя, снега или града.

Сток — это когда вода течет по земле и впадает в ручьи, реки и океаны.

Инфильтрация — это когда вода падает на землю и впитывается в почву.

Перколяция — это когда вода все глубже проникает в крошечные места в почве и камне.

ПОЧЕМУ НЕ КОНЧАЕТСЯ ВОДА НА ЗЕМЛЕ

Земля содержит огромное количество воды:

в океанах;
озерах;
реках;
атмосфере;
в скалах внутренней Земли.

В течение миллионов лет большая часть этой воды рециркулируется между внутренней Землей, океанами и реками и атмосферой. Этот циклический процесс означает, что пресная вода постоянно поступает на поверхность Земли, где мы все живем.

Вулканы выпускают огромное количество воды из внутренней Земли в атмосферу.

Наша планета также очень эффективно удерживает эту воду. Вода, будучи паром в нашей атмосфере, потенциально может сбежать в космос с Земли. Но вода не вытекает, потому что некоторые области атмосферы очень холодные. (Например, на высоте 15 километров температура атмосферы составляет всего -60 ° С!). При этой холодной температуре вода образует твердые кристаллы, которые падают обратно на поверхность Земли.

Хотя на нашей планете в целом никогда не кончится вода, важно помнить, что чистая пресная вода не всегда доступна там, где и когда она нужна людям. Фактически, половина пресной воды в мире может быть найдена только в шести странах. Более миллиарда человек живут без достаточного количества чистой воды.

Кроме того, каждая капля воды, которую мы используем, продолжается в круговороте воды. Вещи, которые мы кладем в канализацию, попадают в чью-то воду. Мы можем помочь защитить качество пресной воды на нашей планете, используя ее более разумно.

И вдобавок ко всему, два атома водорода в воде содержат протоны, магнитные моменты которых могут быть параллельными или антипараллельными, что приводит к орто- и пара- воде соответственно. Две формы обычно присутствуют в соотношении о / п 3: 1.

Количество редких изотопов кислорода и водорода в воде достаточно разнится от места к месту, поэтому теперь можно с некоторой точностью определить возраст и источник конкретного образца воды. Эти различия отражены в изотопных профилях H и O организмов. Таким образом, изотопный анализ волос человека может быть полезным инструментом для расследования преступлений и антропологических исследований.

Питьевая вода

Наша обычная питьевая вода, напротив, никогда не бывает химически чистой, особенно если она контактировала с отложениями. Подземные воды (из родников или колодцев) всегда содержат ионы кальция и магния, а также часто железо и марганец; положительные заряды этих ионов уравновешиваются отрицательными ионами карбонат / бикарбонат, а иногда и некоторым количеством хлорида и сульфата. В некоторых регионах подземные воды содержат недопустимо высокие концентрации естественных токсичных элементов, таких как селен и мышьяк.

Можно подумать, что дождь или снег будут освобождены от загрязнения, но когда водяной пар конденсируется из атмосферы, это всегда происходит на частице пыли, которая выделяет вещества в воду, и даже самый чистый воздух содержит углекислый газ, который растворяется с образованием углекислота За исключением сильно загрязненных атмосфер, примеси, улавливаемые снегом и дождем, слишком малы, чтобы вызывать беспокойство.

Различные правительства установили верхние пределы количества загрязняющих веществ, допустимых в питьевой воде; самые известные из них — Стандарты питьевой воды EPA США.

Безионная вода

Статью проверил и отредактировал Papa Vlada.

Первоисточник статьи опубликован на сайте про воду.

п. с. Данная статья носит исключительно информационный характер и выражает личное мнение автора. Мы не даем никаких рекомендаций. Мнение автора статьи и мнение владельца данного канала могут не совпадать.

Понравился материал? Подпишитесь на канал и поставьте палец вверх!

Интересные факты о воде

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.

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.

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.

Вода (оксид водорода) H 2 O — самое распространённое вещество на Земле. Это единственное вещество, которое существует на планете одновременно в трёх агрегатных состояниях. Жидкая вода покрывает \(75\) % земной поверхности реками, озёрами, морями и океанами. Большое количество твёрдой воды в виде льда сосредоточено на Северном и Южном полюсах. Газообразная вода содержится в атмосфере.

Вода входит в состав всех живых организмов. Например, организм человека содержит \(70\) % воды, рыбы — \(80\) %. В живой клетке вода представляет собой среду, в которой протекают жизненно важные процессы. Она участвует во многих биохимических реакциях (фотосинтез, гидролиз сложных органических веществ). Ни один организм не может обходиться без воды. Так, большое дерево для обеспечения всех жизненных потребностей летом поглощает из почвы и испаряет в течение суток \(500\)–\(700\) дм³ воды, а человек без воды не может прожить более \(4\) дней.

Живым организмам требуется пресная вода . Её запасы на планете ограничены. Поэтому важное значение приобретает проблема охраны водных источников от загрязнения и экономного расходования пресной воды.

В природе абсолютно чистой воды не бывает. В ней всегда содержатся примеси. Для получения особо чистой воды используют дистилляцию ( перегонку ). Воду испаряют, а затем пары конденсируют в приёмнике. Полученная таким способом вода называется дистиллированной и применяется для приготовления лекарств, лабораторных растворов и т. д.

В молекуле воды — две ковалентные полярные связи O − H и две неподелённые электронные пары на атоме кислорода. Структурная формулы воды:

Молекула воды (H₂O) состоит из двух атомов водорода (H 1 ) и одного атома кислорода (O 16 ).

Три ядра в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами водорода в основании и кислородом в вершине. Расстояние O-H - 0,9568 Å; H-H - 1,54 Å. Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором, показана на рис. 1.

Свойства воды в основном зависят от величины водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине, а также из-за того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря чему, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: два атома водорода - каждый в одной, а атом кислорода - в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4°С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение.

Рис. 1. Строение молекулы воды [1]

а - угол между связями O-H;

б - расположение полюсов заряда;

в - внешний вид электронного облака молекулы воды

При испарении рвутся все оставшиеся связи. Для разрыва связей требуется большое количество энергии, отсюда высокая температура, удельная теплота плавления и кипения, высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Строение электронного облака молекулы воды таково, что во льду каждая молекула связана четырьмя водородными связями с ближайшими к ней молекулами, координационное число молекул в структуре льда равно четырем. О размере молекулы можно судить по величине расстояния между ближайшими молекулами во льду, составляющего 2,67Å. Соответственно молекуле воды можно приписать радиус равный 1,38Å.

Тенденция каждой молекулы воды к окружению четырьмя ближайшими молекулами и к образованию с ними водородных связей сохраняется и в жидкости, исследования показали, что в воде сохраняется ближняя упорядоченность, свойственная структуре льда. Расстояние между ближайшими молекулами при плавлении льда изменяется от 2,76 Å до 2,90 Å. Свойственное среднее расположение ближайших молекул ведет к очень рыхлой, ажурной структуре. Именно с этим связаны аномалии воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом.

Читайте также: