Блог

Молекулярная структура воды уникальна. Удивительным образом здесь сочетается несочетаемое: подвижность жидкого вещества и прочный кристаллический материал, который мы называем льдом. Разумеется, молекулы меняются в различных агрегатных состояниях: газообразном, твердом и жидком.

Сегодня подробно расскажем про строение молекул воды, которая оказывает столь важное влияние на все живое на планете и на само качество нашей жизни.

Молекулярная структура воды

Длительный период времени ученые описывали молекулярную структуру воды простым соединением без возможности комплексных взаимодействий с другими веществами. И наконец, вода была поставлена в один ряд со сложными веществами химиком Лавуазье в 1783 г.

Молекулярный состав воды определяется тремя атомами; из них два атома водорода и один атом кислорода, имеющие между собой ковалентную связь.

Основные характеристики ковалентной связи выражены такими понятиями, как направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость. Эти параметры являются химическими и физическими свойствами соединений.

Форма молекулы воды похожа на равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании (по одному атому в каждом углу). Между атомами кислорода и водорода наблюдается полярная связь, которая объясняется свойством кислорода сильнее (по сравнению с водородом) притягивать электроны.

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°.

Молекулярная структура воды подразумевает наличие двух положительно и двух отрицательно заряженных полюса, этим можно объяснить ее проявление в качестве диполя (в большинстве случаев).

Показатели эффективных зарядов на атомах равны ±0,17 от заряда электрона.

Наличие водородной связи наделяет воду в жидком состоянии свойством осуществлять ассоциацию молекул (соединять их в сложные вещества).

Особое внимание водородная связь заслужила благодаря своей не сильно высокой устойчивости.

Димер — это водородная связь двух молекул H₂O.

Каждая молекула имеет способность формировать четыре водородные связи: две между неподеленными парами ее атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и еще две – между атомами водорода и атомами кислорода двух соседних молекул.

Границы энергии водородной связи могут варьироваться от 17 до 33 кДж/моль.

Различают несколько состояний воды:

• Жидкое. Основное состояние в нормальных условиях.

• Твердое. Это лед, а также в форме кристаллов – иней или снег.

• Газообразное — водяной пар.

Выделяют также и переходные состояния воды, которые обусловлены ее замерзанием или испарением.

Ознакомимся подробнее с особенностями каждого агрегатного состояния воды.

Молекулярная структура воды в различных агрегатных состояниях

Вода в ее естественном жидком состоянии содержит одиночные (моногидроли), двойные (дигидроли) и тройные (тригидроли) молекулы. Их соотношение и количество определяется температурой и влияет на то, в каком из трех состояний вода находится в текущий момент.

Пар включает одну H₂O-гидроль (моногидроль). Пар образуется при нагревании, которое способствует активному движению молекул, что, в свою очередь, нарушает связь между ними. Моногидроли в газообразном состоянии не соединены между собой.

#TEN_PRODUCTS#

Две молекулы H₂O обозначают жидкое состояние – дигидроль. В данном случае молекулы соединены, но между ними есть пустоты.

Три молекулы H₂O включает лед. Его твердость можно объяснить очень плотной связью между тригидролями.

Также существуют еще и переходные состояния жидкости, такие как испарение или замерзание. Попробуем понять, есть ли отличия между льдом и водой на уровне молекулярного строения. При замерзании вода приобретает структуру кристалла, например, в форме тетраэдра, тригональной и моноклинной сингонии, куба.

Различия в молекулярной структуре воды и льда есть в первую очередь в плотности: кристаллы по своему строению объемные, но менее плотные. Но главное, что отличает их друг от друга, – это водородные связи, которые выражаются разными видами, количеством и силой.

Состав не меняется ни в одном агрегатном состоянии. К отличиям также можно отнести разное поведение молекул воды и льда во время движения и их строение.

Популярным остается вопрос, отличаются ли по объему и составу молекул холодная и горячая вода. Как уже говорилось выше, состав воды всегда один и тот же. Конкретно в горячем и холодном состоянии молекулы жидкости отличаются расположением. Объем также разный, это объясняется тем, что молекулярная структура холодной воды упорядочена, а горячей – хаотична.

При таянии температура льда постоянна. Только когда агрегатное состояние полностью сменится, стрелка термометра начнет подниматься вверх. Во время таяния льда выделяется энергия, равная 25 000 Дж/кг, ее называют удельной теплотой плавления (лямбда воды).

Твердая – это замерзшая вода. При замерзании расстояние между ее молекулами увеличивается, за счет чего уже в состоянии льда ее плотность уменьшается, однако объем при этом становится больше.

Молекулярная структура воды наделяет ее специфической особенностью – расширяться при низких температурах, в то время как большинство веществ, наоборот, сжимаются.

Понятие «вода замерзает» означает, что она из жидкого вещества путем кристаллизации превращается в твердое, при этом температура окружающей среды равна 0 градусов и ниже. Цифра, при которой вода начнет замерзать, может быть и меньше, если в жидкости есть соли.

Если чистая вода (без примесей солей) замерзает при 0 градусов Цельсия, то морская ее «родственница» превращается в лед примерно при -1,8 градусах Цельсия.

Вода в жидком состоянии на Земле находится не только в реках и океанах. Осадки в виде дождя, маленькие капельки, спрятанные в облаках, – это все тоже жидкость.

Также встретить воду в жидком состоянии можно под землей, куда она уходит через почву, образуя подземные скопления, из которых состоит основной объем запасов питьевой воды.

В жидком виде вода обладает свойством прилипания к твердым веществам, легко увлажняя их поверхность.

Из жидкого состояния она без труда, при определенных показателях температуры и давления, превращается в газ (пар) или лед.

Физическое превращение воды из жидкости в газ называют испарением, ввиду того что газообразное состояние воды называется паром.

Пар — это вода в газообразном состоянии, которое наблюдается в процессе кипения или испарения. Физический пар увидеть невозможно, при этом понятие «пар» мы привыкли ассоциировать с влажным паром, который проявляется в виде тумана, разбрызгивания водяных капелек, формирующихся при конденсации водяного пара.

Здесь вспомним про понятие «точка росы», которая фактически обозначает показатель температуры, изменяющийся под влиянием давления и влажности. При значениях ниже точки росы начинается процесс конденсации водного пара: переход воды из одного агрегатного состояния (в данном случае газообразного) в другое – жидкое. Другими словами, происходит образование росы.

Закипает жидкая пресная вода при 100 °C (градусах Цельсия), или 212 °F (градусах Фаренгейта), в условиях нормального атмосферного давления. При снижении давления (в горах, например) значение температуры кипения увеличивается.

Рассмотрим, какие существуют процессы перехода воды из одного агрегатного состояния в другое:

• кипение и парообразование — превращение воды в пар;

• конденсация — обратный процесс, пар становится водой;

• кристаллизация — вода превращается в лед;

• плавление – наоборот, лед становится водой;

• сублимация – процесс преобразования льда в пар;

• десублимация – превращение пара в лед (иней).

Показатели перехода воды в разные агрегатные состояния лед/вода и вода/пар условились определять соответственно как 0 и 100 градусов по Цельсию при условии атмосферного давления 760 мм рт. ст., или 101 325 Па.

Составляющие элементы молекулярной структуры воды

В естественном состоянии вода представляет собой бесцветную, безвкусную, ничем не пахнущую жидкость.

Она обладает способностью растворять огромное количество веществ. В природных условиях вода содержит растворенные в ней газы и соли.

Даже активное воздействие других веществ на воду не способно изменить ее состав, что является важным свойством для всего живого на планете. Так как полезные вещества, попадающие в организм с помощью жидкости, передаются в неизменном виде.

Также вода отлично справляется с функцией поглощения инфракрасных и микроволновых лучей. По мере прохождения всех этапов гидрологического цикла (круговорота воды в природе – испарение, конденсация и выпадение осадков) вода может насыщаться различными химическими элементами, среди которых выделяют 6 категорий.

Рассмотрим информацию в таблице № 1.

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

В современном мире для очистки воды от вредных веществ используют эффективные надежные способы.

В зависимости от концентрации магния или катионов кальция вода бывает мягкой и жесткой соответственно.

По молекулярной структуре воды и изотопному составу ее определяют как легкую, тяжелую и сверхтяжелую. Данная характеристика в основном зависит от количества изотопов водорода в молекуле воды.

Вода незаменима и жизненно необходима в любом виде для всех живых существ. Она поддерживает беспрерывный процесс круговорота воды в природе, не давая высохнуть морям, которые пополняются за счет осадков и подводных вод. Осадки, в свою очередь, образуются в процессе испарения влаги с поверхности почвы и водоемов. Несмотря на постоянные изменения состояния воды, ее количество на планете остается стабильным.