Така непроста молекула

Всі аномальні властивості води говорять про те, що молекули Н₂О в рідині досить міцно зв'язані між собою і утворюють певну молекулярну конструкцію, що протидіє будь-яким зовнішнім руйнівним впливам: тепловим, електричним, механічним. Тому і потрібно підвести так багато тепла до води, щоб перетворити її на пару, тому така велика питома теплота випару води. Саме ці зв'язки і є ключем до розуміння особливих властивостей води. У 1920 р. американські вчені У. Латимер і В. Родебуш запропонували назвати ці особливі зв'язки водневими [4]. З тих пір це поняття стало хрестоматійним, увійшло в усі підручники і стало предметом серйозних фундаментальних досліджень.

Походження водневого зв'язку обумовлено квантовомеханічними особливостями взаємодії протона з атомами, зокрема, його здатністю до тунелювання у певних умовах. В подальші подробиці вдаватися не варто, просто зафіксуємо, що атом водню, появившись поруч з атомом кисню (чи азоту, фтору, хлору), утворює з ним специфічний порівняно міцний зв'язок [4].

При чому цей зв'язок сильно спрямований. Отже, якщо атом водню знаходиться між двома атомами кисню, то просторова організація такої трійки атомів не може бути довільною, а буде мати зовсім чітку, однозначну структуру.

Інша важлива властивість водневого зв'язку називається кооперативністю й означає, що утворення одного водневого зв'язку сприяє виникненню поруч наступного зв'язку, що, у свою чергу, сприяє утворенню наступного, і т.д. [4]. Фізико-хімічна природа кооперативності полягає в тому, що дві молекули Н₂О, утворивши водневий зв'язок, вступають у кислотно-лужну взаємодію, в результаті якої одна молекула стає більш кислою, а інша - більш лужною. Тому для утворення цими ж молекулами й інших водневих зв'язків потрібно менше енергії.

Наявність водневих зв'язків позначається на спектрах - коливальних, електронних і ядерно-магніто-резонансних (ЯМР). Характеристичні частоти коливань груп, що містять водень, знижуються, якщо цей водень входить до складу водневого зв'язку. Інфрачервоні смуги поглинання, наприклад О-Н групи, сильно розширюються при виникненні водневого зв'язку, а їхня інтенсивність збільшується [4]. Енергія водневого зв'язку лежить в інтервалі від 2,3 ккал/моль для N-Н... до 7,0 ккал/моль для фтористого водню F-Н. Оскільки водневий зв'язок завжди утворюється між двома електронегативними атомами, то спочатку вважалося, що енергія водневого зв'язку має суто електростатичну природу. Розрахунок енергії електростатичної взаємодії дає значення, близькі до енергії водневого зв'язку. Однак таке трактування природи водневого зв'язку суперечить спектроскопічним даним [4].

Отже, ключ до розуміння особливих властивостей води і її розчинів лежить у концепції водневого зв'язку. Однак це «необхідна», але не «достатня» умова. Як ми бачили, не тільки молекули води можуть утворювати водневі зв'язки, але і молекули інших речовин, наприклад, аміаку NН₃ чи фтористоводородної кислоти НF. Але ні ці, ні які інші речовини не мають весь спектр аномальних властивостей, характерних для води. У чому ж справа? Чому ті самі водневі зв'язки роблять воду аномальною рідиною і лише злегка виділяють аміак з ряду звичайних субстанцій? Щоб відповісти на ці запитання, зробимо наступний крок у пізнанні природи води і розглянемо молекулярну структуру цієї рідини.

Двісті років тому було встановлено [4], що молекула води складається з трьох атомів: атома кисню і двох атомів водню. В наш час витончених фізичних методів досліджень вдалося встановити, що довжина кожного зв'язку О-Н дорівнює 0,99 Ангстрем, а кут між цими зв'язками дорівнює 109,5°. Як бачимо, молекула води досить «однобока» - обидва атоми водню примикають до кисню з однієї сторони (мал. 2.3.а;2.3.б).

Мал. 2.3. Мономер Н₂О: а) геометрична модель молекули Н₂О, атоми водню знаходяться по одну сторону від атома кисню; б) електронна модель; два електрони з чотирьох електронів зовнішньої оболонки атома кисню беруть участь у ковалентних зв'язках з атомами водню, а два інших утворюють витягнуті електронні орбіти, площина яких перпендикулярна площини Н-О-Н; в) молекулярна піраміда, спрощена схема тривимірної конфігурації мономера Н₂О.

Цікаво, що ця надзвичайно важлива особливість молекули води була встановлена чисто умоглядно задовго до епохи спектроскопічних досліджень англійським професором Д. Берналом [4]. Він виходив з того, що вода має дуже сильний електричний момент (у той час, у 1932 р., це було відоме). Простіше всього, звичайно, молекулу води «сконструювати»,- розташувавши усі вхідні в неї атоми по прямій лінії, тобто Н-О-Н. «Однак, - пише Бернал [4], згадуючи обставини свого відкриття, - водяна молекула подібним чином побудована бути не може, тому що при такій структурі молекула, що містить два позитивних атоми водню і негативний атом кисню, була б електрично нейтрально, не мала б визначену спрямованість. Електричний момент може бути тільки, якщо обидва атоми водню примкнули до кисню з однієї і тієї ж сторони».

Поиск по сайту: