Структура и физико-химические свойства воды

Химическая формула вода Н₂0 применима только к водяным парам при высокой температуре, так как в жидком состоянии во­да - это полимер, состоящий из конгломератов молекул, соеди­ненных водородными связям между атомами водорода одной мо­лекулы и атомом кислорода другой. Прочность водородных свя­зей составляет 17-33 кДж/моль, т.е. в 15-20 раз слабее ковалентной и превосходит энергию вандерваальсовского взаимодействия (4 кДж/моль). Водородные связи могут возникать и между неод­нородными молекулами, обусловливая специфику водных рас­творов. Массовые доли водорода и кислорода в воде составляют соответственно 11,19 % и 88,81 %, относительная молекулярная масса 18,0153.

Растворенные в воде вещества стремятся разрушить водород­ные связи между молекулами воды. Присутствие в воде веществ ионной природы, таких как NaCI, приводит к заметному измене­нию структуры воды. Это обусловлено тем, что каждый ион (Na⁺ и С Г) окружен гидратной оболочкой, состоящей из дипольных молекул воды, причём геометрия таких гидратированных ионов несколько отличается от геометрии и свойств ассоциатов, обра­зуемых молекулами воды за счет водородных связей.

Водородные связи могут образовываться между водой и кар­боксильной, гидроксильной и другими полярными группами. Важнейшие полярные группы: гидроксильная (-ОН-), карбок­сильная (-СООН-), карбонильная (-СО-), амидная (-NH₂-), имидная (-NH-), сульфгидрильная (-SH-).

В молекуле имеется 10 электронов (5 пар): одна пара внутрен­них электронов находится вблизи ядра кислорода, а две пары внешних электронов расположены попарно между каждым из протонов и ядром кислорода; две остальные пары внешних элек­тронов направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Таким образом, в молекуле воды существует четыре полюса зарядов, распределяемых по вершинам тетраэдра: два от­рицательных, обусловленных избытком электронной плотности в местах расположения неподелённых пар электронов, и два поло­жительных, созданных недостатком ее в местах нахождения про­тонов. Электрический момент диполя 6,2 ∙10^-30 Кл ∙ м, потенциал ионизации 12,56 В. Энергия диссоциации

Н₂0→Н+0+Н- 916,5

Н₂0→Н+ОН- 493,2

Теплота электролитической диссоциации при 20° С

Н₂0→Н⁺+ОН^- 57150

Вода относится к типу веществ с трехмерной решетчатой сис­темой водородных связей. Она имеет самое большое (кроме рту­ти) поверхностное натяжение, высокую степень смачивания по­верхностей многих тел, обладает большой удельной теплоемко­стью, которая более чем вдвое превышает удельную теплоем­кость любого химического соединения.

Центры положительных и отрицательных зарядов в молекуле поды сильно смещены один относительно другого. Этим объяс­няется ее высокая диэлектрическая проницаемость (ε,). Так, при 20°С она составляет 81,8. Благодаря ей вода является одним из универсальных и сильнейших растворителей.

Вода сама способна к диссоциации: при обычной температуре из каждого миллиарда молекул воды две из них диссоциируют по уравнению

2Н₂0↔ Н₃0⁺+ОН⁻

Ион гидроксония Н₃0⁺ называют ионом водорода, так как при отщеплении электрона от атома во­дорода в первую очередь образуется ион Н⁺ (протон). Однако об­разовавшийся протон всегда присоединяет молекулу воды:

Н⁺+Н₂0 → Н₃0⁺. Эта особенность играет большую роль в биоло­гических объектах. В зерне и муке, тесте вода содержит раство­ренные компоненты той или иной концентрации и состава или связана различными силами с их структурными элементами. Во­дородные и гидроксильные ионы воды во многих химических реакциях, протекающих при созревании теста, выполняют роль катализаторов. Механизм этих реакций описывается теорией ки­слотно-основного катализа.

Вода имеет наименьшую летучесть, наибольшую плотность при 3,98° С, высокую теплоту плавления и удельную теплоем­кость. Вязкость уменьшается с повышением давления при 0-30° С, ее теплоемкость с повышением температура непоследователь­но изменяется. Эти свойства объясняются наличием водородных связей, которые возникают за счет стяжения водорода одной мо­лекулы воды с кислородом другой.

Поиск по сайту: