2. Строение молекул воды

В молекулах воды ядра атомов образуют равнобедренный треугольник с протонами в основании и ядром атома кислорода в вершине. В свободных молекулах воды (в парах) межъядерные расстояния О–Н равны 0,09568 нм. Угол между направлениями связей составляет 104^о27’, а расстояние между протонами 0,1515 нм (рис. 1).

Рис. 1. Модель молекулы воды (по Н.Бьерруму)

Под влиянием электростатического поля соседних молекул или ионов указанные параметры могут несколько изменяться. Это происходит при изменении агрегатного состояния воды, растворении в ней других веществ или под влиянием поверхностного слоя кристаллов твердого тела, с которым соприкасается вода.

При образовании молекулы воды происходит sp³-гибридизация орбиталей атома кислорода и возникают четыре гибридные электронные орбитали. При этом два гибридных облака, участвующие в образовании ковалентной связи, вытягиваются в направлении атома водорода. Электроны, образующие связи О–Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атом кислорода имеет отрицательный заряд –0,66 элементарного заряда, атомы водорода – положительный, 0,33 каждый. Неподелённые пары электронов, находящиеся на гибридных орбиталях, не участвующих в образовании связи, удаляются от ядра атома кислорода в сторону, противоположную связям О–Н. Это способствует появлению двух полюсов отрицательных зарядов. Таким о

Рис. 2. Схема перекрывания электронных орбиталей атомов кислорода и водорода в молекуле воды

бразом, в молекуле воды образуются четыре полюса зарядов, расположенных в вершинах неправильного тетраэдра (рис. 2).

Вследствие такого несимметричного строения вода обладает высоким дипольным моментом (1,84 Д) или 5,52∙10^–3 Кл∙м. Это один из самых больших электрических дипольных моментов молекул с небольшим числом атомов. Эти особенности строения молекулы Н₂О имеют очень важные следствия:

1. большой электрический дипольный момент молекулы воды является причиной возникновения диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий в водных растворах;

2. молекула воды образует водородные связи с электроотрицательными атомами других молекул, в том числе других молекул воды;

3. неподеленные электронные пары позволяют молекуле Н₂О образовывать комплексные соединения по донорно-акцепторному механизму с катионами металлов.

Два первых следствия являются причиной того, что вода имеет высокие температуры кипения и плавления. Отсюда же широкий температурный интервал существования жидкого состояния воды (0…100^оС) и большие числовые значения теплоты испарения (40,7 кДж/моль) и теплоты плавления (6,0 кДж/моль). В результате, вода является растворителем, способным растворять огромное число неорганических и биоактивных веществ.

Высокая полярность является также причиной диссоциации в воде электролитов. Значительное влияние на строение и свойства воды и её растворов оказывает способность молекул воды образовывать водородные связи. Каждая молекула воды способна образовать четыре водородные связи с соседними молекулами по схеме (рис.3):

а)

б)

Рис. 3. Структура воды

а) образование водородных связей между молекулами воды;

б) гексагональная структура льда

Количество связей зависит от температуры. Но взаимодействие между молекулами воды оказывается достаточно сильным, что даже в парах воды присутствуют димеры и тримеры состава (Н₂О)₂ и (Н₂О)₃. В растворах же могут возникать длинные цепи ассоциатов (Н₂О)_n. Длина водородной связи О ^... Н изменяется в пределах от 0,14 до 0,2 нм, а энергия от 17 до 33 кДж/моль.