разное

Строение молекул воды и их ассоциаты

«Мир чарующий и фантастический», — та­кими словами лауреат Нобелевской премии Альберт Сент-Дьердьи характеризует ощуще­ния исследователя, изучающего структуру воды. Результаты тем сильнее впечатляют, что очень уж обычен сам объект изучения.

Итак, молекула воды (1H216O) состоит из двух атомов водорода (1H) и одного атома кис­лорода (16O). Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном сче­те, физической природой этих атомов, спосо­бом их объединения в молекулу и группиров­кой образовавшихся молекул.

В отдельно рассматриваемой молекуле во­ды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равно­бедренный треугольник. В вершине его — сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, — по одно­му ядру водорода. Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором, показана на рис. 1.5.

В соответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула воды располагает пятью электронными парами. Они образуют электронное облако. Облако неоднородно — в нем можно различить от­дельные сгущения и разрежения. У кислород­ного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара ки­слорода равномерно обрамляет ядро: схема­тически она представлена окружностью с центром — ядром O2- (рис. 1.5а). Четыре внеш­них электрона группируются в две электрон­ные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные. Схематически сум­марные электронные орбитали этих пар пока­заны в виде эллипсов, вытянутых от общего центра — ядра O2-. Каждый из оставшихся

А - угол между связями O-H;

Б - расположение полюсов заряда;

В - внешний вид электронного облака молекулы воды.

Двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти пары также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому во­дородные ядра — протоны — оказываются не­сколько оголенными, и здесь наблюдается не­достаток электронной плотности.

Таким образом, в молекуле воды различа­ют четыре полюса зарядов: два отрицатель­ных (избыток электронной плотности в обла­сти кислородного ядра) и два положитель­ных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большей нагляд­ности можно представить, что полюса зани­мают вершины деформированного тетраэд­ра, в центре которого находится ядро кисло­рода (рис. 1.5б).

Общий вид электронного облака молеку­лы воды показан на рис. 1.5в.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула воды явля­ется миниатюрным диполем с высоким ди - польным моментом — 1,87дебая1. Под воз­действием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на поверхности погруженного в нее вещества. Иначе говоря, вода имеет высокую диэлект­рическую проницаемость, самую высокую из всех известных нам соединений.

Во многом благодаря этому, вода проявля­ет себя как универсальный растворитель. Ее растворяющему действию в той или иной ме­ре подвластны и твердые тела, и жидкости, и газы.

Постоянно соприкасаясь со всевозможны­ми веществами, вода фактически всегда пред­ставляет собой раствор различного, зачастую очень сложного состава.

Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить различные минеральные и органические вещества, растворенные в ней (до нескольких десятков миллиграммов на литр).

В пресных природных водах — речных, озерных — содержание растворенных ве­ществ обычно не превышает 1 г/л. От не­скольких единиц до десятков граммов на литр колеблется содержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их не бо­лее 5 г/л, в Черном — 18, а в Красном море — около 40 г/л. В среднем в 1 л океанской воды растворено 34...35 г солей. Общее количест­во их настолько велико, что, выделенные из воды, они покрыли бы поверхность земного шара слоем стометровой толщины.

Солевой состав речных и морских вод раз­личен не только количественно, но и качест­венно. На 89% морские соли состоят из хло­ридов (преимущественно — натрия и каль­ция), на 10% — из сульфатов (натрия, калия и магния), на 1% — из карбонатов (натрия и кальция), а также незначительных количеств других солей. В пресных водах набор мине­ральных примесей выглядит иначе. Больше всего здесь карбонатов (натрия и кальция) — до 80%. Сульфатов (натрия, кальция и маг­ния) — около 13%. Остальные 7% приходятся на хлориды (натрия и кальция) и другие соли.

Из газов в пресных и морских водах наибо­лее широко представлены кислород, азот, уг­лекислый газ, сероводород. В чистых холод­ных истоках горных рек содержание кислоро­да может достигать 6 мг/л. В глубинных сло­ях Черного моря высока концентрация серо­водорода — до 100 мг/л. Этот ядовитый газ присутствует и в нижних слоях некоторых озер.

В пресных и морских водах в небольших количествах имеются и разнообразные орга­нические компоненты — растворимые соеди­нения типа белков, сахаров, спиртов, углево­дородов и т. п. Это продукты жизнедеятельно­сти и распада животных и растительных орга­низмов, населяющих водоемы и их берега, а также отходы промышленности и сельского хозяйства.

Полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электричес­ких зарядов порождает склонность к группи­ровке молекул в укрупненные «сообщества»

^ Кислород J Водород

— Химическая связь Водородная связь

Рис. 1.6. Схема объединения молекул воды

— ассоциаты. Оказывается, полностью соот­ветствует формуле Н20 лишь вода, находяща­яся в парообразном состоянии. Это показали результаты определения молекулярной мас­сы водяного пара. В температурном интерва­ле от 0 до 100°С концентрация отдельных (мо­номерных молекул) жидкой воды не превы­шает 1%. Все остальные молекулы воды объе­динены в ассоциаты различной степени слож­ности, и их состав описывается общей форму­лой (H20)x.

Непосредственной причиной образова­ния ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода од­них молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Прав­да, эти связи в десятки раз слабее, чем «стан­дартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений моле­кул, чтобы разрушить их. Но под влиянием те­пловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:

X H2O ~ (H20)x

Поскольку электронные орбитали в каж­дой молекуле воды образуют тетраэдричес - кую структуру, водородные связи могут упо­рядочить расположение молекул воды в виде тетраэдрических координированных ассоци - атов (рис. 1.6).

Возможны и другие модели водной струк­туры. Тетраэдрически связанные молекулы воды образуют своеобразные рои довольно стабильного состава. Пространства между ро­ями заполняют мономерные молекулы воды.

Исследователи раскрывают все более тон­кие и сложные механизмы «внутренней орга­низации» водной массы. Кроме льдоподоб - ной структуры, жидкой воды и мономерных молекул, описан и третий элемент структуры — нететраэдрической.

Определенная часть молекул воды ассоци­ирована не в трехмерные каркасы, а в линей­ные кольцевые объединения. Кольца, груп­пируясь, образуют еще более сложные комп­лексы ассоциатов.

Изучение структуры жидкой воды еще не за­кончено; оно дает все новые факты, углубляя и усложняя наши представления об окружаю­щем мире. Развитие этих представлений помо­гает нам понять многие аномальные свойства воды и особенности взаимодействия ее, как растворителя, с другими веществами.