Вода какая связь между молекулами
§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 (H 2 S, H 2 Se 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 H 2 O, аммиак NH 3 , 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 NH 3 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 (H 2 O) 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 Н 2 О. 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» – лишенным цвета. Если «отфильтровать» лучи одного участка спектра, то начинает проступать другой – в данном случае голубой участок спектра. Он и окрашивает воду в красивый голубой цвет. Но для этого требуется, чтобы солнечный луч прошел не менее чем через 2-х метровую толщу чистой воды и «потерял» достаточно много красных лучей.
Понять механизм восприятия цвета нашими глазами может помочь «круг цветов», используемый художниками и показанный на рисунке. Цвета в нем расположены в следующем порядке (по часовой стрелке): красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый. Цвет, возникающий при поглощении какого-либо цвета из белого, называют дополнительным . В «круге цветов» дополнительными по отношению друг к другу являются, например, красный и зеленый. Или оранжевый и синий, то есть те цвета, которые находятся в секторах напротив друг друга.
Обычно человеческий глаз воспринимает свет с длиной волны от 800 нм (пурпурно-красный) до 400 нм (темно-фиолетовый) . «Круг цветов» достаточно условен, так как строгой границы между цветами нет. Существует множество оттенков и порой трудно определить, где заканчивается, например, желтый цвет и начинается зеленый. Но условно эти границы можно провести примерно так, как показано на следующем рисунке. Поэтому если какое-нибудь вещество (в нашем случае – вода) поглощает из солнечного спектра красные лучи, то поток света, прошедший через это вещество (или отраженный от его поверхности), обогащается дополнительным цветом – голубым. Разумеется, для этого необходимо, чтобы вода была чистой и не содержала веществ, поглощающих лучи из других участков спектра. Очень загрязненная вода поглощает практически весь видимый свет и выглядит черной.
Источник
Почему вода — жидкость. Водородная связь.
Сегодня мы ответим на вопрос о том, почему вода при нормальных условиях является жидкостью, а так же рассмотрим ещё один тип химической связи.
Одно время вокруг «необъяснимых» или даже «мистических» свойств воды в информационном и прежде всего телевизионном пространстве ходило много спекулятивных и откровенно не самых правдивых слухов, которые, к счастью, даже при поверхностном знакомстве с химией обнаруживают свою неудовлетворительность.
Действительно, на первый взгляд может показаться, что вода при обычных условиях должна представлять из себя газ, ведь молекулы воды обладают очень маленькой относительной молекулярной массой.
Mr(H2O) = 2 *Ar(H) + 1*Ar(O) = 2*1 + 16 = 18
Которая по своей величине значительно уступает большинству газообразных при обычных условиях веществ, например, всем известному пропану Mr(C3H8) = 44 .
Так почему вода — это жидкость? Для ответа на этот вопрос нам необходимо разобраться с электронным строением молекулы воды!
То, что молекула воды состоит из двух атомов водорода ( H ) и одного атома кислорода ( O ) знают все, но мы попробуем уйти значительно дальше.
Дело в том, что между атомом кислорода и атомами водорода в молекуле воды реализована ковалентная полярная химическая связь , образованная за счёт обобществлённых электронных пар (подробнее об этом здесь ).
Для упрощения при построении структурных формул обобществлённые электронные пары ковалентной связи заменяют обычной символической чёрточкой. Так в качестве маленького промежуточного итога мы получим достаточно простую угловую структурную формулу.
Далее взглянем в ряд электроотрицательности неметаллов . Напомню, что электроотрицательность — это способность атомов химических элементов оттягивать на себя электронную плотность.
Как мы можем видеть, кислород и водород в ряду электроотрицательности неметаллов находятся друг от друга в двух противоположных концах, то есть, мы имеем дело с чрезвычайно электроотрицательным атомом кислорода ( O ), уступающим в электроотрицательности лишь фтору ( F ), и относительно слабо-электроотрицательным атомом водорода ( H ).
Как итог, значительно более электроотрицательный кислород оттягивает на себя электронную плотность в виде обобществлённых электронных пар от атома водорода и, укутываясь в своего рода электронное одеялко, концентрирует на себе повышенный частичный отрицательный заряд (электроны несут заряд со знаком минус), что мы обозначили как δ- .
Чтобы понять следующую мысль, необходимо взглянуть на электронное строение атома водорода.
Так как у атома водорода всего один электрон и именно он входит в оттягиваемую атомом кислорода обобществлённую электронную пару, то у атома водорода в молекуле воды как бы оголяется положительно заряженное ядрышко , поэтому на атоме водорода в молекуле воды сконцентрирован доступный для взаимодействия (это очень важно) частичный повышенный положительный заряд, мы обозначили как δ+ .
Так как атом кислорода в молекуле воды несёт на себе частичный отрицательный заряд δ- , а атом водорода частичный положительный заряд δ+ , молекулу воды часто называют диполем, а воду как вещество — полярным растворителем .
А теперь самое важное! В реальной системе молекула воды практически никогда не остаётся одна, каждая из молекул воды несёт на себе как частичный положительный , так и частичный отрицательный заряд , а согласно закону Кулона (это нам известно из курса физики) разноимённо заряженные частицы что делают? Правильно. Притягиваются! Поэтому и молекулы воды притягиваются друг к другу, образуя так называемые ассоциации молекул!
Таким образом мы подошли к определению водородной связи :
Водородная связь — это электростатические силы взаимного притяжения, образующиеся за счёт имеющегося на высокоэлектроотрицательном атоме ( F , O , Cl , N ) частичного отрицательного заряда и частичного положительного заряда на атоме водорода (бывает как межмолекулярной, так и внутримолекулярной).
Водородная связь характерна не только для такого вещества, как вода, но и для спиртов и других веществ.
Теперь мы можем вернуться к вопросу, с которого начали наш разговор. Почему же вода при нормальных условиях является жидкостью? Дело в том, что молекулы воды связаны друг с другом «крючочками» водородной связи , что не позволяет молекулам воды попросту разлететься друг от друга.
Именно за счёт водородной связи , то есть за счёт взаимного электростатического притяжения молекул воды друг к другу мы и можем наблюдать, как вода, словно живая, будучи разлитой, сама по себе распределяется на ассоциации молекул, которые мы чаще всего и наблюдаем в виде капель (что интересно, на сферическую форму капель влияет так же принцип минимума свободной энергии системы, но об этом как-нибудь потом).
Источник
Связь строения воды с ее функциями
1. Один атом кислорода в воде соединен ковалентными связями с парой атомов водорода. Поэтому каждый атом водорода приобретает частично положительный заряд, а атом кислорода частично отрицательный.
2. Между отрицательно заряженным атомом кислорода одной молекулы воды и положительно заряженным атомом водорода другой молекулы имеется водородная связь. Потому молекулы воды и связаны друг с другом.
3. Водородные связи легко разрушаются — они в 20 раз слабее ковалентных связей. Поэтому молекулы воды подвижны в клетке и организме.
4. Водородные связи также обусловливают высокую температуру кипения воды, теплоемкость (способность поглощать тепло при минимальном колебании собственной температуры).
Роль воды в живой системе — клетке
1. Молекула воды — это диполь, так как в области атомов водорода преобладает заряд положительный, а в области атома кислорода выше плотность отрицательного заряда.
2. Угол связи H-O-H в молекуле воды составляет 104,5 градуса, поэтому положительный и отрицательный заряды сосредоточены на разных концах молекулы. И именно поэтому вода — прекрасный растворитель полярных веществ.
3. Вода вообще является универсальным растворителем благодаря своей способности образовывать гидраты.
4. Вода способна на ориентирование в электрическом поле, она может присоединиться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд, — при этом образуются гидраты. Если силы притяжения внутри молекулы воды меньше, чем силы притяжения молекул воды к молекулам иного вещества, это вещество растворятся в воде.
5. Поэтому выделяют гидрофильные вещества — они хорошо растворимы в воде: соли, щелочи, кислоты. Данные вещества диссоциируют на заряженные частицы — катионы и анионы. Молекулы воды взаимодействуют с ними.
6. Кроме полярных соединений к гидрофильным веществам относятся также сахара, аминокислоты, спирты — неполярные соединения, в составе которых имеются полярные группы (OH, различные радикалы).
7. Гидрофобные вещества — с трудом или вовсе не растворяются в воде. К ним относятся жиры, жироподобные вещества, бензин, парафин, каучук. Жироподобные вещества находятся, например, внутри клеточных мембран, ограничивая исход растворенных веществ из клетки в окружающую среду и проникновение обратно.
8. Вода — участник многих реакций в клетке, ведь большинство реакций идут как раз в водном растворе. Белки, липиды, углеводы и другие органические вещества расщепляются в результате работы ферментов и взаимодействия с водой до более простых веществ в результате реакций гидролиза.
9. В связи с высокой теплоемкостью вода отлично поддерживает тепловое равновесие в клетке, и при сильном повышении температуры среды вода нагревается медленно, но долго сохраняет тепло. Организмы защищены водой от резких колебаний температуры окружающей среды, поэтому процессы обмена веществ могут происходить в стабильных условиях.
10. Вода имеет относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Тепло равномерно распределяется по всему объему воды в клетке, препятствуя перегреванию в отдельных точках.
11. Испарение воды обеспечивает охлаждение именно всей поверхности клетки, так как на разрыв водородных связей тратится энергия. Таким образом, вода участвует в терморегуляции.
12. Вода — источник кислорода, который растения выделяют в атмосферу.
13. Вода — источник водорода, который используется для синтеза органических веществ растениями.
14. Вода — среда для транспорта веществ в организме. Она обеспечивает ток лимфы и крови, восходящие и нисходящие токи растворов по древесине и лубу у растений. В клетках вещества, растворенные в воде, транспортируются через клеточные мембраны. Транспортные функции воды обеспечиваются ее низкой вязкостью и высокой подвижностью.
15. В клетке различают воду свободную (ее 90 процентов) и связанную (10 процентов). Связанная вода участвует в образовании макромолекул и никогда не теряется живой клеткой. Вода определяет объем и тургор клеток и тканей. Тургор — напряженное состояние плазматической мембраны, вызванное давлением воды внутри клетки.
16. Вода характеризуется высоким поверхностным натяжением — этим обеспечивается сцепление ее молекул. Благодаря такому свойству молекулы воды передвигаются по проводящим тканям растений, а также некоторые животные двигаются по поверхности воды. Например, клоп-водомерка при передвижении использует именно поверхностное натяжение воды. На первой и третьей паре ног у него есть специальные волоски, которые не продавливают слой воды, а держат жука на поверхности.
17. При замерзании воды ее объем возрастает, а плотность уменьшается, поэтому вода в виде льда всплывает на поверхность водоема. Максимальную плотность вода имеет при температуре 4 градуса, а при 0 она имеет меньшую плотность. Зимой часть воды в реках превращается в более легкий лед, который всплывает на поверхность и создает защиту для речных обитателей, препятствуя промерзанию толщи воды. При этом более теплая и плотная вода (с температурой не ниже 4 градусов) концентрируется под покровом льда, создавая условия для выживания водных животных. Поздней осенью, при понижении температуры ниже 4 градусов в клетках растений образуются кристаллы льда и они погибают. Чтобы выжить, многие растения накапливают в тканях белки и сахара, благодаря чему вода с растворенными в ней органическими веществами не замерзает, и растения благополучно переносят холода.
Источник
