какое строение имеет молекула воды каковы ее физические свойства
Вода: физические, химические свойства, химическая формула, плотность
Содержание:
Вода, или оксид (окись) водорода Н2О – важнейшая среда, в которой проходят все химико-биологические реакции. На 65-70 % организмы животных и человека состоят из воды. Ее содержание в растениях еще выше – 90 %. Вода – это основа жизни.
Строение воды
Кислород – электроотрицательный элемент, к которому смещены общие электронные пары. На кислороде возникает частично отрицательный заряд, а на водороде – частично положительный. Вода – электрический диполь. Многие свойства воды обусловлены ее полярностью.
Молекулы воды между собой образовывают водородные связи, которые объясняют высокую плотность и температуру кипения. Чем выше температура реакции, тем меньшее количество связей образуется.
Физические свойства воды
Лед всегда всплывает в водоемах или стаканах с водой. Это связано с тем, что плотность горячей и холодной воды отличается. Лед обладает меньшей плотностью, чем жидкая вода.
Воде свойственна высокая теплоемкость, поэтому она медленно нагревается и остывает. С помощью теплофизических свойств воды регулируется климат. Водные бассейны регулируют температуру на нашей планете. Вода задерживает до 60 % теплового излучения нашей планеты, не позволяя ей охлаждаться.
Теплопроводность воды небольшая. Вода в водоемах нагревается не с помощью молекулярной теплопроводности, а путем перемешивания с помощью волн и течений. Если вода не перемешивается, то она нагревается частями и образуется термическая слоистость (стратификация).
Физсвойства воды отражаются в агрегатных состояниях:
В химии физические свойства воды отражаются в количестве связей между молекулами. В парах находятся отдельные молекулы, в жидкостях между ними образуются водородные связи. Если вода находится в состоянии льда, то каждая молекула соединена с соседними молекулами с помощью четырех водородных связей.
Растворимость веществ в воде
Большинство твердых веществ при нагревании растворяется быстрее. Растворимость газов повышается при понижении температуры и повышении давления.
Растворение многих веществ в воде сопровождается образованием оболочки из молекул воды. Данный комплекс называется гидратом. После кристаллизации в составе таких комплексов сохраняется часть молекул воды, образуя кристаллогидрат:
Растворы
Химические свойства воды
Вода – важнейший компонент такой реакции как гидролиз. Гидролиз – взаимодействие соли с водой, в результате которого происходит ионный обмен между молекулами.
Очистка воды
В питьевой воде не должны содержаться примеси и болезнетворные бактерии. Чтобы вода из озер и рек была пригодна для питья, ей дают отстояться в специальных бассейнах. Затем ее фильтруют через слой песка. Очищенную от нерастворимых веществ воду обрабатывают хлором, озоном или ультрафиолетовыми лучами.
Для очищения воды от растворенных в ней веществ используют перегонку, или дистилляцию. Этим способом получают дистиллированную воду. Ее применяют в лабораториях, аптеках, охладительных системах машин и т. д.
Применение воды
Развитие промышленности привело к тому, что многие водоемы загрязнены отходами производства. Поэтому в каждом государстве должны приниматься меры по охране и рациональному использованию природных ресурсов.
Вода – важный ресурс для всего живого на планете. Если ее запасы на Земле иссякнут, то растения, животные и человек погибнут. Вода является более ценным природным богатством, чем нефть и газ, железо и уголь и т. д. Это связано с тем, что воду невозможно ничем заменить.
1. Какое строение имеет молекула воды? За счёт какой химической связи она образуется? Какие другие типы химических связей вы знаете?
2. Какая связь называется водородной? Как она определяет физические свойства воды?
3. Какие аномалии физических свойств воды вы знаете? Какую роль они играют в природе?
4. Растворение называют физико-химическим процессом. Как растворимость характеризует свойства воды? Как по этому признаку делятся вещества? Для ответа на вопрос обратитесь к таблице растворимости.
5. Какие вещества называются гидрофильными, а какие — гидрофобными? Приведите примеры.
6. Перечислите химические свойства воды, иллюстрируя их уравнениями соответствующих реакций. Какую роль играют эти свойства в природе?
7. В 80 мл воды растворили 80 г медного купороса CuSO4 * 5Н2O. Какой стала массовая доля сульфата меди (II) в полученном растворе?
8. Для наложения гипсовой повязки хирург использовал 290 г алебастра. Какое количество вещества воды было израсходовано в результате превращения алебастра в гипс? Какова масса гипса?
Какое строение имеет молекула воды
Вода является источником жизни для всех живых организмов.
Молекула воды имеет уникальное строение. В ней удивительным образом сочетаются прочность и устойчивость кристаллической структуры (льда), и подвижность жидкого вещества.
В статье мы подробно рассмотрим особенности строения молекулы воды в различных агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном.
Какое строение имеет молекула воды
Долгое время химики считали воду простым соединением, не вступающим в сложные реакции.
Состав воды как сложного вещества был установлен Лавуазье в 1783 г.
Одна молекула воды состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Химическая формула: H₂O
Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость. Они определяют химические и физические свойства соединений.
Молекула воды, картинка № 1
По форме молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода. Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.
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°.
Молекула воды имеет два положительных и два отрицательных полюса и поэтому в большинстве случаев ведёт себя как диполь (т.е. на одной стороне – положительный заряд, на другой – отрицательный)
Значения эффективных зарядов на атомах составляет ±0,17 от заряда электрона.
Водородная связь
В жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт особой химической связи, которая называется водородной.
Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность.
Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.
На картинке № 2 показано образование димера воды с одной водородной связью.
Димер — это две молекулы Н2О, соединенные водородной связью. Связь между молекулами воды водородная.
Каждая молекула способна образовать четыре водородные связи: две между неподеленными электронными парами её атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и ещё две – между атомами водорода и атомами кислорода двух других молекул.
Энергия водородной связи может изменяться от 17 до 33 кДж/моль.
Строение молекулы в различных агрегатных состояниях
Вода может быть в нескольких состояниях:
Существуют также и переходные состояния жидкости, которые возникают при замерзании или испарении.
Примечательно, что различные формы воды могут одновременно находиться рядом и даже взаимодействовать, например реки с ледниками, айсберги с морской водой, облака на небе с водяным паром.
Строение молекулы воды, водородная связь способствует расположению молекул воды. Рассмотрим особенности каждого агрегатного состояния по отдельности.
Представляет собой твердое состояние воды.
Молекулы воды образуют слои, причём каждая молекула связана с тремя молекулами в своём слое и с одной молекулой соседнего слоя. Расстояние между атомами кислорода ближайших молекул равно 0,276 нм.
Атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода: с двумя, расположенными на расстоянии 0,096 — 0,102 нм посредством валентных связей, и с двумя другими, находящимися на расстоянии 0,174 — 0,180 нм посредством водородных связей.
Жидкая вода
В отличие от структуры льда структура жидкой воды исследована ещё недостаточно.
Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.
В результате изучения молекулы воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей было видно, что при температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах.
При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.
Водяной пар
Это газообразное агрегатное состояние воды.
При данном состоянии молекула воды не имеет структуры и состоит преимущественно из мономерных молекул воды, которые находятся на расстояние относительно друг друга.
Из чего состоит вода
При обычных условиях вода выглядит как прозрачная жидкость. У нее отсутствуют вкус и запах. При небольшой толщине слоя не наблюдается даже цвета.
Вода является отличным растворителем. В природе в ней постоянно находятся растворенные газы и соли. При соединении атомов кислорода с водородом получается молекула воды. Поскольку более сильными являются водородные соединения, то, когда происходит их разрыв, они прикрепляются к иным веществам, помогая тем растворяться.
Из-за своего малого размера каждую молекулу растворенного вещества окружают очень много молекул воды. Благодаря этому в ней присутствуют отрицательные и положительные ионы.
Чистая вода является еще и хорошим изолятором с концентрацией протонов и гидроксильных ионов в количестве 10-7 моль/л, это позволяет ей проводить электричество. Именно по ее электропроводности можно оценивать чистоту жидкости.
При взаимодействии с другими веществами состав воды не изменяется, что играет особую роль в жизни любого живого организма. Ведь очень важно, чтобы жидкостные растворы, через которые в организм поступают полезные вещества, не изменялись.
Кроме того, вода хорошо поглощает инфракрасное и микроволновое излучение, а также способна хранить в себе память о веществах, которые были в ней растворены.
Элементы
Проходя гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков вода может дополняться разными химическими элементами, которые можно разделить на 6 категорий. Рассмотрим информацию в таблице № 1.
Таблица № 1 «Элементы, которые могут входить в состав воды».
| Ионы | Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO3 и SO4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве. |
| Растворенные газы | Кислород, азот, сероводород, углекислый газ и прочие. Количество каждого газа в воде напрямую зависит от ее температуры. |
| Биогенные элементы | Главными из них являются фосфор и азот, которые поступают в жидкость из осадков |
| Микроэлементы | Их насчитывается около 30 видов: бром, селен, медь, цинк и т. д. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр. |
| Органические вещества | Спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее. |
| Токсины | Тяжелые металлы и продукты нефтепереработки. |
В настоящий момент доступны специальные методы очистки, которые эффективно борются с вредными химическими соединениями.
Вода также может содержать в себе магний и катионы кальция. В зависимости от этого ее подразделяют на мягкую и жесткую.
По изотопам водорода в молекуле воды можно говорить о легкой воде, тяжелой и сверхтяжелой воде.
Подводим итоги
Вода необходима для жизни всего живого на Земле. Она участвует в мировом круговороте воды в природе. Благодаря испарению с поверхности водоемов, почвы, растений образуются облака. Затем они выпадают в виде дождя, снега, града, питая собой подземные воды и родники. Родниковые воды по рекам попадает в море.
Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы — это и есть круговорот воды в природе.
Уникальное строение молекулы воды помогает ей трансформироваться в три агрегатных состояния.
При замерзании воды ее молекулы собираются в небольшие группы. При испарении находится на расстоянии относительно друг друга. Жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.
Строение молекулы воды
Молекула воды имеет угловое строение: входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода, а в вершине — атом кислорода. Межъядерное расстояние O—H близко к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями H—O—H равен 104,5°. Из октетной оболочки атома кислорода в молекуле воды четыре электрона задействованы в образовании ковалентных связей O—H, остальные составляют неподелённые электронные пары:
Связи O—H являются полярными за счёт более высокой электроотрицательности кислорода, на котором локализован частичный отрицательный заряд. На атомах водорода, напротив, создаётся дефицит электронной плотности:
В целом молекула H2O является полярной молекулой, т. е. диполем. Относительная молекулярная масса воды равна 18 и отвечает её простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая в обычных условиях, оказывается более высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт межмолекулярной водородной связи.
В физике и химии существуют различные точки зрения на водородную связь.
В физике ионную, ковалентную и металлическую химические связи рассматривают как отдельные типы связей, тогда как о водородной связи как об отдельном типе связи и речи не идёт. Она рассматривается как частный случай межмолекулярного взаимодействия. Её энергия сравнительно невелика и составляет 4—40 кДж/моль, т. е. эта связь вписывается в энергетическую характеристику межмолекулярных сил.
В химии водородная связь — это не просто отдельный тип связи, а важнейший фактор в организации живой материи на планете. С химиками солидарны и биологи. Материал с сайта http://doklad-referat.ru
Межмолекулярная водородная связь — это взаимодействие между атомами водорода одной молекулы и атомами фтора, кислорода и азота другой молекулы. Обязательным партнёром в образовании этой связи служит водород, что легко объяснить особенностями строения атомов данного химического элемента (наличие на внешнем, и единственном, уровне единственного электрона, который легко отрывается, превращая атом в протон). Партнёры водорода по этому типу связи — фтор, кислород и азот — также имеют особенности строения атомов (большое значение электроотрицательности и наличие неподелённых электронных пар), которые её и обеспечивают.
Какое строение имеет молекула воды? Каковы ее физические свойства?
Обсуждение вопроса:
Атомы водорода и кислорода в молекулах воды соединены посредством ковалентной связи. Так как электроотрицательность кислорода больше, то связь будет полярной. Из-за сильного смещения электронных пар в сторону кислорода молекула воды представляет собой диполь.
Молекула воды имеет структуру как бы равнобедренного треугольника: в вершине этого треугольника расположен атом кислорода, а в основании его — два атома водорода. Угол при вершине составляет 104°27, а длина стороны — 0,096 нм. Эти параметры относятся к гипотетическому равновесному состоянию молекулы воды без ее колебаний и вращений.
Молекула воды представляет собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Если «свободную» молекулу воды — не связанную с другими молекулами, поместить в электрическое поле, то она «повернётся» отрицательными полюсами в сторону положительной пластины электрического поля, а положительными полюсами в сторону отрицательной пластины.
Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Именно такое упорядоченное состояние молекул воды можно назвать «структурой».