Строение молекулы льда пара

Какое строение имеет молекула воды

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:

1. Жидком. Это ее преимущественное состояние в нормальных условиях. Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан.
2. Твердом – это лед, а его кристаллы часто образуют иней или снег.
3. 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.

Таблица № 1 «Элементы, которые могут входить в состав воды».

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.

1. Химия и микробиология воды. Учебное пособие В. В. Котов, Г.А. Нетесова
2. Конспект лекций ГИДРОГЕОХИМИЯ. Киреева Т.А., МГУ им. М.В. Ломоносова, 2016

Источник

Строение молекулы водяного пара

Молекулы водяного пара

Молекулы водяного пара, попав на такое вещество, удерживаются на них силами сцепления. Как только на такую пылинку осядут пары воды, сразу образуется капелька достаточно больших размеров. Давление паров около нее будет лишь очень мало отличаться от давления паров у плоской поверхности, и капелька будет расти при очень малом пересыщении.

Молекулы водяного пара при перемещении под влиянием градиента упругости через толщу ограждения, попадая в сферу действия молекулярных сил материала ограждения, сорбируются на поверхности зерен или пор и образуют газовую или жидкостную пленку тех или иных размеров, отличающуюся по свойствам от обычной свободной воды.

Если водяной пар по обеим поверхностям ограждения длительное время сохраняет свою температуру и давление, то по всей толще ограждающей конструкции установится равновесное состояние. Количество сорбирующегося водяного пара в каждом сечении при этом зависит от температуры пара и его давления в этом сечении.

Молекула водяного пара имеет три колебательных степени свободы, из которых две относятся к растяжению связей и одна — к изменению угла связи.

Колебательная составляющая теплоемкости для каждой температуры вычислена ниже для основного волнового числа, равного 3700 см 1, относящегося к растяжению связи О — Н, и волнового числа 600cM — 1, относящегося к изменению угла связи.

Молекула водяного пара Н20 сильно полярна, молекула окиси углерода СО обладает слабой полярностью. В расчетах диффузии полярность ю молекулы СО можно пренебречь, поэтому выше данная молекула отнесена к неполярным.

Адсорбируя молекулы водяного пара, эти ядра покрываются мономолекулярной пленкой воды, уподобляясь, таким образом, водяным капелькам достаточно крупного размера. Особенно активно действуют в этом отношении электрически заряженные ядра конденсации ( атмосферные ионы) и гигроскопические растворимые в воде ядра.

Сколько молекул водяного пара находится в сосуде.

Количество молекул водяного пара, адсорбированных из воздуха частицами материала, характеризует его гигроскопическую влажность. Последняя определяется из доведенной до воздушно-сухого состояния навески, т.е. высушенной при комнатных условиях.

Цеолиты адсорбируют молекулы водяного пара, двуокиси углерода, сероводорода, аммиака и др. Синтетический цеолит марки СаА — 5 является также сорбентом окиси углерода.

Оценим прочность молекул водяного пара. Величина АН для той же реакции ( 2) составляет — 221 2 ккал, откуда свободная энергия образования молекул Н30 из элементов AF — 206 8 жал / моль. В данном случае поправка TAS невелика по сравнению с теплотой диссоциации, и значение AF близко к АН.

Во влажном воздухе молекулы водяного пара захватывают электроны, образуя утяжеленные ионы. Подвижность связанного электрона резко уменьшается, и его ионизирующая способность пропадает. Поэтому с увеличением влажности электрическая прочность промежутка увеличивается, так как количество связанных электронов становится больше.

Херцберга, в молекуле водяного пара равно 0 0956 нм.

Они предположили, что молекула водяного пара разрушается на поверхности углерода на атом водорода и гидроксильный радикал, которые быстро хемосорбируются на соседних углеродных центрах. Далее, водородный атом хемосор-бированного радикала гидроксила, соединяясь с атомом водорода на соседнем центре углерода, покидает поверхность в виде молекулы водорода.

Они предположили, что молекула водяного пара разлагается на поверхности угля на атом водорода и гидроксильный радикал, которые быстро хемосор-бируются на смежных участках поверхности. Вслед за этим атом водорода на хемосорбированном гидроксильном радикале присоединяет атом водорода на смежном участке поверхности угля и удаляется с поверхности в виде молекулы водорода.

Вода, её состав, строение молекулы, физические и химические свойства

(разложение, отношение к натрию, оксидам кальция, серы(IV)). Основные загрязнители природной воды, очистка природных и сточных вод.

В состав молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода, атомы связаны ковалентной полярной связью, валентный угол составляет 104,5о.

Говорят, молекула воды является диполем. Н · + · О · + · Н ® Н ·· О ·· Н.

Вода – бесцветная летучая жидкость, в толстом слое – голубая, без запаха, плотность – 1г/см3(при 40С), tпл. = 00С, tкип. = 1000С.

вода является хорошим растворителем.

Формула воды

При пропускании через подкисленный раствор электрического тока вода разлагается на простые вещества: кислород и водород: 2Н2О

Вода вступает во взаимодействие со щелочными и щелочноземельными металлами при обычных условиях, при этом в молекуле воды один атом водорода замещается на атом металла и образуются щёлочь и водород. Реакция протекает с выделением большого количества теплоты.

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

При взаимодействии основныхоксидов с водой образуется щёлочь. Например, при взаимодействии оксида кальция (негашёной извести) с водой образуется гидроксид кальция (гашёная известь): CaO + H2O = Ca(OH)2.

Кислотныеоксиды растворяются в воде с образованием кислот, например, оксид серы(IV) при растворении в воде образует сернистую кислоту: SO2 + H2O = H2SO3.

Очистка природных вод (для бытовых нужд)

Загрязнителями природных вод являются ядовитые отходы, которые в течение многих лет захоранивались в шахтах и скважинах и продолжают захораниваться сейчас, подземные хранилища нефти и продуктов её переработки, пестициды, применяемые в сельском хозяйстве.

Главным и постоянным загрязнителем природных вод являются сточные воды, которые текут из городов, с заводов, шахт, сельских ферм. Они образуются разными путями, но в общем-то у все у них один и тот же путь – в ближайшую реку или озеро или море.

Органическиезагрязнители из сточных вод способны вызвать цепную реакцию, которая лишает воду нормального содержания кислорода, быть ядовитыми для организмов, живущих в воде и способствовать развитию менее желательных видов и захвату ими господствующего положения.

Азот и фосфор, содержащиеся в сточных водах вызывают бурный рост микроскопических водных растений, что приводит к явлению «цветения» воды и постепенному заболачиванию водоёма. Борьба с загрязнением воды – это комплекс методов очистки сточных вод до такой степени, чтобы их сбрасывание в природные воды не вызывало проблем.

Сточные воды подлежат очистке перед сбросом их в природные водные источники. Сначала они проходят через систему решёток и сеток, затем попадают в песколовку, затем в отстойник – первичная очистка – очистка от различных размеров нерастворимых примесей.

Вторичная очистка – удаление растворённых примесей – это биохимическая очистка, при этом используются микроорганизмы и бактерии, разрушающие органические вещества.

Третичная очистка сточных вод проводится для удаления из неё соединений азота и фосфора.

Соединения фосфора удаляют путём осаждения их солями железа, алюминия и известью. Соединения азота удаляют с помощью специальных штаммов микроорганизмов. Последним этапом в очистке сточных вод является её хлорирование.

В 1872 году было обнаружено, что фильтрование воды через слой песка является хорошим способом её очистки и делает её относительно безопасной для питья. Песчаные фильтры также эффективны для удаления из воды болезнетворных микроорганизмов (холеры, брюшного тифа, дизентерии).

Уже в начале 20-го века в практику было введено химическое «обеззараживание» воды посредством хлора или его соединений.

При очистке природных вод используют аэрацию (для удаления запаха), активированный уголь(для обесцвечивания воды и улучшения её вкуса), алюминиевые и железные квасцы (для удаления взвешенных в воде частиц), фильтрование через песчаный фильтр (для удаления из воды бактерий, вирусов и других микроорганизмов), хлорирование (для полного обеззараживания воды).

Альтернативой хлорированию является озонирование воды, но при озонировании не остаётся следов свободного озона и потребитель не может быть уверен в полном уничтожении бактерий и вирусов в воде.

Вода состоит из 11,19% водорода и 88,81% кислорода (соответственно атомному весу водорода 1,008), причем по объему — водорода в 2,00285 раза больше, чем кислорода. Воду Н2О следует считать водородным соединением кислорода, т. е. гидридом, хотя формально ее можно назы­вать и окислом водорода.

Аномалии воды

Как физическое тело вода обнаруживает много осо­бенностей — аномалий, отличающих ее от всех других тел.

Наиболее важны следующие аномалии.

• 1. Плотность воды при повышении температуры от 0 до 4° увеличи­вается. При 4° плотность становится наибольшей и уменьшается только при дальнейшем повышении температуры.
• 2. При замерзании вода резко увеличивает свой объем (почти на 10%). Плотность пресного льда равна 0,91 г/смг. Плотность большинства других тел, кроме висмута и галлия, увеличивается при переходе из жидкого состояния в твердое.

Вода обладает большой удельной теплоемкостью. Плавление льда сопровождается увеличением удельной теплоемкости с 0,49 до 1,009 кал при 0°. Затем теплоемкость воды до температуры 40° уменьшается и только после этого начинает увеличиваться.

По кинетической же теории теплоемкость с повышением температуры должна непрерывно увеличиваться. В связи с этим за единицу тепла — калорию — принимают количество тепла, которое нагревает 1 г чистой воды на 1° в интервале либо от 14°,5 до 15°,5 (15-градусная калория, равная 4,124 абс. джоуля], либо от 19°,5 до 20°,5 (20-градусная калория, равная 4,181 абс. джоуля).

4. Температура замерзания воды понижается при увеличении давле­ния примерно на 1° на каждые 130 атм и достигает минимума (—22°) при давлении 2115 атм.

5. Температура кипения воды равна 100°. Но так как молекула воды построена из атомов водорода, кипящего при —253°, и кислорода, кипя­щего при —180° (при давлении в 1 атм), то температура кипения воды должна была бы лежать в пределах от —100 до —150°.

Лед обладает исключительно большой теплотой плавления, рав­ной 79,4 калорий на грамм, т. е. вода и лед при 0° отличаются по содер­жанию скрытой энергии почти на 80 калорий.

7. Скрытая теплота парообразования также очень велика (539 кало­рий на грамм при температуре 100°).

Ее зависимость от температ Теплоемкость насыщенного пара при температурах до 500° отрицательная. Пар при увеличении давления остается в газообразном состоянии (прозрачным), а при уменьшении давления конденсируется, образуя туман.

Диэлектрическая постоянная воды а = 81 (при 20°). У большинства других тел она находится в пределах от 2 до 3.

10. Коэффициент преломления света в воде тг = 1,3. Между тем как, согласно волновой теории света, он должен был бы быть равным я = -/7= 9.

Все эти аномалии объясняются строением молекулы и особенностями структуры воды. Установлено, что в молекуле воды (Н2О) ядра атомов водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник с углом при вершине, равным приблизительно 103—106°.

Электронная оболочка представляет собой сферу с радиусом, равным 1,38 X 10

8см. Ее центр совпадает с центром инерции и лежит на высоте треугольника ядра ближе к вершине, занятой кислородом. Электрические связи, удержи­вающие составные части молекулы, очень велики.

Диссоциация (разло­жение) молекулы водяного пара на кислород и водород начинается только при температуре порядка 1400°, но и при температуре 3092° раз­рушается не более 13% молекул.

Молекулы воды обладают, кроме того, большим результирующим электрическим моментом, т. е. создают в электрическом поле сильную поляризацию.

Этим объясняется большая диэлектрическая постоянная воды. Структура самой воды, т. е. собрания водяных молекул, также сложна.

Тяжелая вода

Представления о строении воды еще больше усложни­лись с открытием изотопов кислорода и водорода. Тяжелая вода, пред­ставляющая изотопную разновидность воды, в которой водород частично или полностью заменен тяжелым водородом (D-дейтерий), значительно отличается от обыкновенной воды по физическим свойствам.

Сравни­тельные данные физических характеристик обыкновенной и тяжелой воды приведены в табл. 11.

Физические характеристики	Вода Н3О	Тяжелая вода D2O
Плотность при 25° (г/сл*3) ….	0 ,89704	1,10469
Температура плавления ……………. „ кипения ……………………………	0° 100°	+3^82 101°42
„ наибольшей плот­ ности …………………………………….	3°98	11°4
Диэлектрическая постоянная . .	80,5
Показатель преломления …. Молекулярный вес ……………………	1 ,33300 18	1 ,32844 20,3

Существует также тяжелокислородная вода, >в которой обыкновенный кислород заменен его тяжелыми изотопами О17 или О18.

Существует, наконец, сверхтяжелая вода, в которой водород заменен радиоактивным изотопом — тритием.

Строение молекулы воды

Вода — драгоценный дар природы, котрую академик Карпинский назвал живой кровью, которая создает жизнь там, где ее не было.

«Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов» (В.И.Вернадский).

Формула воды — Н2О (предложена в 1805 г Гумбольдтом и Гей-Люсаком), т.е. состоит из 1 атома кислорода и 2-х атомов водорода.

1). Молекула воды асимметрична, образует равнобедренный треугольник.

2). Молекула воды обладает полярностью, поэтому является электрическим диполем.

3). Молекулярная структура воды: вода находится в трех состояниях и осуществляет фазовые переходы.

Гидроль (пар) — состоит из одиночных молекул Н2О, поэтому водородные связи не реализуются; (Н2О)

Дигидроль (жидкость) — строение как у льда, а пустоты заполнены одиночными молекулами; (2Н2О)

Тригидроль (лёд) — упорядоченное строение, гексагональная система с прочными водородными связями, имеет наибольший объем. (3Н2О)

4) Водородные связи в 10 раз прочнее, чем связи межмолекулярного взаимодействия.

5) В 1932 г. Юри и Осборн открыли, что водород и кислород имеют природные изотопы, т.е. вода имеет переменный изотопный состав и атомы вещества с разной молекулярной массой.

Н=1 – Н20 — протий — «легкая, живая вода», талая вода;

Н=2 — D2O — дейтерий — «тяжелая, мертвая вода», содержащая соли тяжелых металлов;

Н=3 — Т2О — тритий — «сверхтяжелая вода», образующаяся при термоядерных реакциях.

Химически чистая вода состоит по весу из 11,19% водорода и 88,81 % кислорода.

Физические свойства воды

Молекулы воды осуществляют переходы из одного состояния в другое (фазовые переходы).

Переходы сопровождаются выделением или поглощением энергии (скрытая теплота парообразования).

• Испарение — из жидкости в пар — поглощение тепла.
• Конденсация — из пара в жидкость — выделение тепла.
• Замерзание — из жидкости в лед — выделение тепла.
• Таяние — из льда в жидкость — поглощение тепла.
• Возгонка — из льда в пар (испарение с поверхности льда)- поглощение тепла.
• Сублимация — из пара в лед (конденсация в твердую фазу), например, иней — выделение тепла.

При увеличении температуры воды скрытая теплота парообразования уменьшается.

2). При нормальном давлении температура плавления льда и замерзания воды равна 0°С. При повышении давления лед плавится при отрицательных температурах.

3).С увеличением солености понижается температура замерзания воды. Следует помнить, что при увеличении солености на 10%о температура замерзания воды понижается на 0,54°С.

4).Плотность воды в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Следовательно, лед образуется на поверхности водоемов и не опускается на дно.

5). В диапазоне температуры воды от 0 до 4°С плотность воды не уменьшается, а увеличивается. Это аномальное свойство воды, вследствие которого образуется лед и водоемы не промерзают, потому что при температуре воды менее 4°С пресная вода становится менее плотной.

6). Аномальное изменение плотности приводит к аномальному изменению объёма воды.

С увеличением температуры от 0 до 4°С объём химически чистой воды уменьшается; лишь при дальнейшем увеличении температуры объём увеличивается.

Объём льда всегда больше объема воды. Примеры в природе — морозное выветривание, образование наледей, бугров бучения и т.д.

7). Высокая удельная теплоемкость воды (ср). ср при 15°С = 4190 Дж/кгС0.

ср минимальна при температуре равной 33°, увеличивается при увеличении и уменьшении температуры.

Высокая ср и очень высокая удельная температура плавления и испарения, что ведет к регулированию тепловых процессов на всей планете.

8). Очень малая теплопроводность. При понижении температуры и давления понижается и теплопроводность. С понижением температуры и понижением плотности уменьшается теплопроводность. Поэтому происходит медленный нагрев и охлаждение водной массы.

Проявляется это свойство в том, что снег предохраняет почву от промерзания, а лед — водоемы от промерзания.

9).Вязкость воды невелика, поэтому вода подвижна. При увеличении температуры вязкость уменьшается, поэтому в холодное время года вязкость воды больше, чем в теплое.

10). Очень высокое поверхностное натяжение. Поэтому происходит:

• • размыв фунтов водой;
• • очень большая разрушительная деятельность дождевых капель;
• • перемещение воды по порам и капиллярам в земной коре.

11).Свет частично поглощается и преломляется, поэтому проникает лишь на небольшую глубину. Именно здесь протекает фотосинтез.

12). Вода хорошо проводит звук (в 4-5 раз больше, чем в воздухе).

Скорость звука увеличивается при повышении температуры воды, солености и давления.

13). Низкая электропроводность, которая увеличивается при повышении минерализации количества ионов хлора и калия.

Химические свойства воды

1). Вода — слабый электролит.

2).Вода — универсальный растворитель. В зависимости от размера частиц образуются чистые и коллоидные растворы.

Природные воды содержат 45 главных химических элементов. Все вещества, входящие в состав воды делятся на 6 групп:

• Растворимые газы (О2, N2, СО2, ионы Н).

Растворимость зависит от их природы, давления, температуры и минерализации.

• Главнейшие ионы. Их восемь: четыре положительных (катионы) и четыре отрицательных (анионы).

Катионы — Na, Ca, Mg, К;

Анионы — С1 (хлорит), SO4 (сульфат), СО3 (карбонат), НСО3 (гидрокарбонат).

• Биогенные вещества — N2, P, Si;

• Микроэлементы — Вr, Сu, В и т.д.; тяжелые металлы — Li, Ba, Fe, Ni, Zn, Co, Pb, Hg, Ra;

• Органические вещества — углеводороды, белки, липиды, гуминовые вещества идр.;

• Загрязнители — нефтепродукты, ядохимикаты, удобрения, ПАВ, Pb, Hg, Zn.

Совокупность проявления химических и некоторых физических свойств определяет качество воды.

МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ В АНАЛИЗЕ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ

Если нам захочется посмотреть, как устроена молекула воды, то придется в первую очередь вспомнить ее состав.

Молекула воды состоит из одного атома кислорода, связанного ковалентной связью с двумя атомами водорода H2O (формула воды). В молекуле воды главное действующее лицо — атом кислорода. Вспомним его энергетическую диаграмму (рисунок слева):

Два неспаренных р-электрона атома кислорода О очень реакционноспособны. Они всегда готовы образовать химические связи с двумя s-электронами атомов водорода.

Рис. Так выглядит перекрывание р-орбиталей кислорода с s-орбиталями двух атомов водорода (рисунок справа):

Таким образом, из двух атомов водорода и одного атома кислорода получается угловая молекула воды которую можно условно изобразить еще так:

Рис. Молекула воды имеет угловую форму (ниже слева)

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 эти полярные: кислород гораздо электроотрицательнее водорода и подтягивает к себе электронные облака, образующие химические связи. Вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода — положительный. Поэтому и вся молекула воды тоже попадает в отряд «химических полярников» — веществ, молекулы которых представляют собой электрические диполи.

Строение молекулы воды Н2О можно проанализировать с помощью метода молекулярных орбиталей (МО).

Схема молекулярных орбиталей молекулы воды приведена ниже.

Рис. Схема расположения координатных осей (а) и энергетическая диаграмма орбиталей молекулы Н2О (б).

Для построения схемы молекулярной орбитали молекулы воды Н2О совместим начало координат с атомом кислорода, а атомы водорода расположим в плоскости xz (Подробнее см.

Г.Грей «Электроны и химическая связь»,М., изд-во «Мир», 1967, с.155-62 и G.L.Miessier, D.A.Tarr, «Inorganic Chemistry», Prantice Hall Int.Inc., 1991, p.153-57).

В формировании суммарной молекулярной орбитали воды принимают участие отдельные атомные орбитали водорода и кислорода, обладающие одинаковой симметрией и близкими энергиями. Однако вклад атомных орбиталей атомов водорода и кислорода в образование общей молекулярной орбитали молекулы воды разный, что отражается в разных величинах коэффициентов в соответствующих линейных комбинациях атомных орбиталей.

Взаимодействие (перекрывание) 1sатомной орбитали водорода, 2sи 2рzатомной орбитали кислорода приводит к образованию 2a1-связывающей и 4a1-разрыхляющей молекулярной орбиталей.

Рис. Перекрывание 2s(а), 2px- (б) и 2pя(в) орбиталей атома кислорода с 1s-орбиталями двух атомов водорода молекулы воды.

Из этих данных и умозаключений можно сделать следующие выводы:

Молекула Н2О диамагнитна.

2. Электроны на связывающих 2а1 и 1b1 орбиталях обеспечивают связи ОН, а на несвязывающих (3а1 и 1b2) орбиталях соответствуют свободным электронным парам в молекуле Н2О, как это описывается в рамках метода валентных связей.

Принципиальным отличием метода молекулярных орбиталей от метода валентных связей является разная энергия ионизации занятых молекулярных орбиталей, составляющая (в эВ) 27.3 (2а1), 16.2 (1b1), 14.5 (3а1) и 12.6 (1b2), соответственно.

4. Метод молекулярных связей (в отличие от метода валентных связей) позволяет оценить разницу в энергиях молекулярных орбиталей. В частности, существенным является различие в энергии двух несвязывающих орбиталей 3а1 и 1b2.

Это связано с различной природой орбиталей — 1b2 локализована на атоме кислорода, тогда как 3а1 образована с участием атомной орбитали водорода и кислорода и не является локализованной. Локализация электронов на 1b2 молекулярной орбитали приводит к тому, что отрицательный заряд в молекуле Н2О сосредоточен вблизи атома кислорода, а положительный — вблизи атомов водорода.

Таким образом, молекула Н2О оказывается полярной (дипольный момент μ = l. q = 1.84D). Это соответствует и простым соображениям электроотрицательности: связывающие электроны смещаются к более электроотрицательному атому.

Так как у молекулы Н2О в образовании связей принимают в основном участие 2р-орбитали кислорода и 1s-орбитали водорода, то можно ожидать, что угол НО- Н должен быть близким к 90о.

Однако из эксперимента следует, что этот угол равен 104.5о. Причина такого различия заключается в том, что этот угол соответствует минимуму энергии. Согласно квантово-механическим расчетам, энергия молекулы зависит не только от энергии молекулярных орбиталей и числа электронов на них, но и от валентного угла НО- Н. В приближении метода валентных связей увеличение угла НО- Н от 90о (характерного для взаимодействия р-орбиталей) до 104.5о связано с взаимным отталкиванием положительно заряженных атомов водорода.

При переходе от Н2О к другим двухатомным молекулам Н2S, H2Se и H2Te диаграммы молекулярных орбиталей изменяются, что обусловлено увеличением энергий исходных АО халькогенов: Е3s = -20.7 эВ; Е3р = -12.0 эВ; Е4s = 20.8 эВ; Е4р = 11.9 эВ.

Поэтому растет участие ns-атомных орбиталей халькогена в образовании молекулярных орбиталей. При этом несвязывающий характер орбиталей nb2 сохраняется, а связывающий характер орбиталей 2а1 усиливается. В целом, по мере увеличения энергии атомных орбиталей nsи nруменьшается разность сумм энергий молекулярных и атомных орбиталей, которые характеризуют прочность молекул Н2Э.

Вклады nратомных орбиталей атомов халькогенов в энергию молекулярной орбитали уменьшаются, и соответственно понижается локализация электронов на атомах и полярность молекул. Вероятно, благодаря этому уменьшаются валентные углы НЭ- Н в молекулах халькогенов. Именно так, с точки зрения теории молекулярных орбиталей, объясняется понижение устойчивости молекул H2S, H2Sе, H2Te по сравнению с молекулой Н2О.

Источник