Мал.2.4. Валентні структури, що відповідають водневому зв'язку

Суто електростатичній взаємодії відповідають тільки 1, 2 і 3 структури, що дають енергію 6 ккал/моль. У сумарну энергию водневого зв'язку входить також енергія делокалізації заряду, що пов'язана зі зниженням енергії стосовно структури 1, викликаною гібридизацією з чотирма іншими структурами (ця енергія дорівнює 8,0 ккал/моль). Цим двом взаємодіям перешкоджає відштовхування, енергія якого 8,4 ккал/моль. Крім того, у загальну енергію вносить свій внесок дисперсійна взаємодія з енергією близько 3 ккал/моль. Отримана в такий спосіб енергія водневого зв'язку (6+8–8,4+3=8,6 ккал/моль) близька до екстремальних значень [4].

Електронна структура молекули Н₂О визначає умови об'єднання окремих молекул у складну тривимірну конструкцію.

Цей атом може бути як біля «свого» атома кисню в точці 1, так і біля «чужого» у точці 1'. Кожна з молекул Н₂О може утворювати ще по три водневих зв'язку, ліва молекула в напрямках 2Н, А і В, права - у напрямках 3Н, 4Н і С.

Виявилося, що електронна структура молекули води дозволяє їй бути одночасно і донором, і акцептором, що робить цю молекулу ідеальним (і, як ми побачимо нижче, єдиним) матеріалом для побудови розгалуженої мережі водневих зв'язків, і в найбільш досконалому вигляді така мережа існує в льоді. Кожний із протонів водню будь-якої молекули води може міцно зв'язуватися з витягнутим неподіленим електроном іншої молекули (при цьому перша молекула виявляється донором, а друга - акцептором) і утворювати новий водневий зв'язок. Два протони плюс два неподілених електрони - отже, кожна молекула Н₂О може брати участь у чотирьох водневих зв'язках, одночасно утворених однією молекулою.

Мал. 2.5. Димер (Н₂0)₂. Дві молекули Н₂О з'єднані водневим зв'язком за допомогою атома водню, позначеного цифрою 1.

Кількість водневих зв'язків, утворених однією молекулою, - важлива характеристика будь-якої речовини, але достаток цих зв'язків у молекули Н₂О сам по собі ще не може пояснити походження унікальної молекулярної конструкції, що робить воду аномальною рідиною. Вкрай важливо, як ці зв'язки орієнтовані. На мал. 2.5 показано, яким чином дві молекули Н₂О поєднуються в комплекс, називаний дімером води (Н₂О)₂ . У вільному стані такі дімери існують у водяній парі, однак принципові особливості цієї структури зберігаються й у рідкій воді, і в льоді. На схемі вже не показані електронні оболонки, але враховані геометричні особливості електронної структури молекули, завдяки яким площина другої молекули 3 - 4 перпендикулярна площині першої молекули 1-О-2 і нахилена під кутом 58° до лінії О-О, що з'єднує атоми кисню двох молекул. Ця, так звана, лінійна структура води досить добре описує реальний водневий зв'язок молекул Н₂О. У даному випадку термін «лінійна» означає, що протон, позначений цифрою

1, знаходиться точно на лінії О-О (насправді цей протон трохи відхиляється від О-О зв'язки, кут 1-О-2 дорівнює 2°). Цей протон має два рівноважних положення - він може знаходитися як поблизу «свого» атома кисню, на відстані приблизно 1 Ангстрем, так і поблизу «чужого» атома на відстані 1,7 Ангстрем від «свого», тобто поряд зі звичайним дімером НО-Н... ОН₂ стабільною виявляється також іонна пара НО... Н—ОН₂ [4].

Поиск по сайту: