Site Loader
Posted on 02.08.2023

Силы, действующие между молекулами воды

Обсудив природу молекулы воды в идеальном паре, где молекулы не взаимодействуют друг с другом, рассмотрим реальный пар. Свойства реального пара, подобно свойствам льда и жидкой воды, определяются силами, действующими между молекулами. Действительно, исследования воды в парообразном состоянии внесли важный вклад в наши знания о взаимодействиях молекул воды. В этой главе мы рассмотрим сначала происхождение этих сил и их связь со вторым и третьим вириаль-ными коэффициентами пара. Затем подробно обсудим термодинамические свойства реального пара. Мы не будем рассматривать другие свойства пара, такие, как его вязкость и теплопроводность, поскольку эти свойства не являются достаточно полезными для понимания льда, жидкой воды или природы сил, действующих между молекулами воды.[ …]

Функция и имеет отрицательный знак, если суммарная сила является силой притяжения. Моменты вращения, появляющиеся у молекул при взаимном влиянии их друг на друга, выражаются через частные производные от и по углам.

[ …]

Все атомы находятся в плоскости рисунка за исключением атома Н в конфигурации е.[ …]

Очевидно, статистическое среднее значение Um вращающихся молекул уменьшается значительно быстрее с изменением расстояния, чем сами величины U . По данным табл. 2.2 видно, что при межмолекулярном расстоянии 10 А величина (t/ ) составляет только 3% максимального значения Um.[ …]

По данным табл. 2.2 видно, что на расстояниях 5 А и более индукционные силы составляют только небольшую часть суммарной дальподействующей силы. Это утверждение не относится к случаю льда и жидкой воды, где молекулы расположены ближе друг к другу и индукционные силы, действующие между молекулами воды, имеют относительно более важное значение. В этих фазах близость молекул воды друг к другу и коррелирование их ориентаций приводят к очень большим наведенным диполь-ным моментам, которые в свою очередь вносят значительный вклад в межмолекулярные силы (см. п. 3.4.1).[ …]

Комбинируя уравнения (2.8) и (2. 9) и подставляя в них величины а и (г2) (см. табл. 1.5 и п. 1.1.3), найдем, что уравнение Кирквуда—Мюллера дает значение коэффициента с в уравнении (2.7), равное 84,9- 10 60 эрг • см6. Мы воспользовались этим значением коэффициента с для вычисления величин б дисп (табл. 2.2).[ …]

В заключение следует сказать несколько слов об образовании водородных связей. Несмотря на то что имеются убедительные доказательства существования водородных связей во льду и жидкой воде, мы не располагаем прямыми данными о наличии водородной связи между двумя молекулами воды в парообразном состоянии. Действительно, спектроскопические исследования показывают, что водородные связи редко имеют место в водяном паре или вообще не существуют в нем. Этот вывод основан на наблюдении, что образование водородной связи между молекулой, содержащей гидроксильную группу (X—О—Н) и другой атом, обычно сопровождается заметным уменьшением валентной частоты О—Н и незначительным увеличением деформационной частоты X—О—Н [280] (см.
пункты 3.5.1 и 4.7.1). Сходные, но меньшие по величине сдвиги частоты наблюдались в процессе образования димеров и других малых полимеров из молекул воды. Авторы работы [356] наблюдали такие сдвиги при изучении инфракрасного спектра молекул воды, находящихся в матрице из атомов азота при 20 К. При этом наблюдаемые полосы поглощения 3546 и 3691 см-1 были отнесены к валентным модам димеров (Н20)2. Эти частоты значительно ниже, чем валентные моды V] и Уз изолированных молекул Н О (3657 и 3756 см-1 соответственно). Эти авторы отнесли наблюдаемую полосу поглощения при 1620 см“1 к деформационной моде димера.[ …]

Согласно вышеизложенному, можно было бы ожидать, что спектроскопические методы позволяют обнаружить наличие сколько-нибудь заметного числа молекул, соединенных водородными связями в водяном паре. Поэтому интересно, что тщательное сравнение инфракрасных спектров разбавленного и концентрированного водяного пара в области моды х2 не показывает различий в частотах поглощения. Так, например, Бенедикт и другие [17] сравнили солнечный спектр атмосферы (разбавленный водяной пар при средней температуре 14° С) со спектром почти насыщенного пара (давление 1 атм, температура 110° С) в области моды ч В обоих случаях они измерили частоты спектральных линий и их интенсивности в области от 770 до 2200 см“1.

Найденные ими различия относились к незначительным изменениям интенсивности, приписываемым изменению температуры. Был сделан вывод, что, если димеры, имеющие квантованные вращательные состояния, присутствуют в насыщенном водяном паре при давлении 1 атм, их концентрация относительно мономеров должна быть менее 1%.[ …]

Следует отметить, что выражение «водородная связь» использовалось выше для обозначения специфической ассоциации атома водорода одной молекулы с неподеленной парой электронов другой молекулы, как это имеет место во льду. Второй вириальный коэффициент пара (п. 2.1.3) не оставляет сомнения в том, что димеры присутствуют в водяном паре. Однако нет данных, подтверждающих, что эти димеры содержат водородные связи типа найденных во льду. Действительно, температурная зависимость второго вириального коэффициента может быть объяснена с помощью потенциальных функций, содержащих только члены, подобные рассмотренным выше. При этом любая потенциальная функция скорее будет связана с взаимной ориентацией двух молекул воды типа голова-к-хвосту (см.

рис. 2.3 а), а не с взаимными ориентациями молекул, существующими во льду (см. рис. 2.3 е). Водородные связи между молекулами воды могут быть стабильными только в кластерах, где среднее число водородных связей больше, чем в димере. Из-за недостатка информации о водородных связях между молекулами в водяном паре отложим изучение потенциальных функций молекул воды, соединенных водородными связями, до главы, в которой рассматривается лед.[ …]

Рисунки к данной главе:

Принятая координатная система для характеристик
Потенциальная энергия взаимодействия двух молекул воды, имеющих фиксированные взаимные ориентации в соответствии с потенциалом Штокмайера [уравнение (2.17)].
Взаимные ориентации двух молекул воды, энергии взаимодействия которых даны в табл. 2.2.
Вернуться к оглавлению

Понятие о водородной связи — Химия.

9 класс. Григорович

Химия. 9 класс. Григорович

Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.

Вспомните: как образуется ковалентная связь.

Понятие о водородной связи

Благодаря полярности и электронному строению молекул воды между ними образуется особый тип химической связи — водородная связь. В отличие от уже известных вам типов химической связи, водородная связь является межмолекулярной, то есть образуется между молекулами.

Вспомним электронное строение молекулы воды, которое мы рассматривали еще в 8 классе: при образовании молекулы воды между атомами Оксигена и Гидрогена возникают две общие электронные пары, определяющие ковалентную связь в молекуле воды. При этом у атома Оксигена еще остаются две неподеленные электронные пары:

Эти электронные пары образуют повышенную электронную плотность вокруг атома Оксигена и позволяют ему взаимодействовать с другими частицами (ионами или молекулами), у которых «дефицит» электронной плотности. В молекуле воды связь между атомом Гидрогена и Оксигена очень полярная, то есть общие электронные пары значительно смещены в сторону атома Оксигена. Благодаря этому на атомах Гидрогена появляется «дефицит» электронов и возникает некоторый частичный положительный заряд.

Значит, между атомом Оксигена одной молекулы воды и атомом Гидрогена другой молекулы возникает дополнительное взаимодействие:

Такое взаимодействие называют водородной связью и обозначают рядом точек (рис. 5.1). Эта связь не так сильна, как ковалентная, но ее достаточно, чтобы удерживать молекулы воды вместе.

Рис. 5.1. Атомы Гидрогена и Оксигена в молекуле воды образуют водородные связи с соседними молекулами

• Водородная связь — это взаимодействие атома Гидрогена, соединенного с электроотрицательным атомом (Оксигена, Нитрогена или Флуора), одной молекулы со значительно более электроотрицательным атомом другой молекулы.

Влияние водородной связи на физические свойства веществ

В воде атом Оксигена благодаря двум неподеленным электронным парам образует связи с атомами Гидрогена двух соседних молекул воды. В свою очередь атомы Гидрогена этой молекулы образуют связи с атомами Оксигена других молекул воды (рис. 5.2). Таким образом каждая молекула воды может образовать по четыре водородные связи с другими молекулами воды. Это обусловливает специфические свойства воды: в твердом состоянии плотность льда меньше по сравнению с жидкой водой, поэтому при замерзании вода расширяется (рис. 5.3).

Рис. 5.2. Кристаллические решетки твердой воды: каждая молекула образует по четыре водородные связи с соседними молекулами

Рис. 5.3. В жидкой воде молекулы расположены неупорядоченно и близко друг к другу; во льду молекулы расположены упорядоченно и на большем расстоянии, поэтому лед легче воды (а). При замерзании вода расширяется, в результате чего закрытая стеклянная бутылка, полная воды, в морозилке лопается (б)

Благодаря дополнительному связыванию молекул водородными связями вода обладает аномальными физическими свойствами. Так, молекулярные вещества с небольшими молекулярными массами имеют низкие температуры кипения и плавления. Но благодаря водородным связям у воды аномально высокая температура кипения (Mr = 18, tкип. = +100 °С) по сравнению, например, с кислородом (Mr = 32, tкип. = -183 °С), гидроген сульфидом (Mr = 34, tкип. = -60,8 °С), гидроген йодидом (Mr = 128, tкип. = -35,4 °С). Среди этих веществ у воды молекулы самые легкие, а температура кипения — самая высокая, поскольку на разрушение дополнительного взаимодействия нужно больше энергии (дополнительный нагрев). Наличие водородных связей обусловливает большое поверхностное натяжение воды, благодаря чему многие насекомые способны перемещаться по воде.

Возможностью образования водородных связей с молекулами других веществ, которые также способны образовывать такие связи, объясняется хорошая растворимость многих веществ в воде: спирта, сахара, ацетона, уксусной кислоты и др.

Наличие дополнительного связывания молекул водородными связями также приводит к аномально высокой теплоемкости воды: чтобы ускорить тепловое движение, молекулам необходимо значительно больше теплоты. Такая особенность воды имеет большое значение для формирования климата Земли. Вблизи морей и океанов климат мягче, чем в центре континентов.

Водородную связь могут образовывать не только молекулы воды, но и молекулы других веществ: неорганических (гидроген флуорида HF, аммиака NH3 и др.) и органических (этилового спирта, ацетона, уксусной кислоты и др.), что объясняет их хорошую растворимость в воде.

Благодаря водородным связям молекулы белков и нуклеиновых кислот имеют спиральное строение, о чем вы подробнее узнаете на уроках биологии и при изучении органической химии.

Ключевая идея

Водородная связь — особый тип межмолекулярного взаимодействия. Наличие водородных связей обусловливает аномальные физические свойства воды, а также растворимость многих веществ.

Контрольные вопросы

  • 54. Какую связь называют водородной? Благодаря чему она образуется?
  • 55. Как влияет наличие водородной связи на физические свойства воды?
  • 56. Сравните приведенные в тексте параграфа молекулярные массы соединений и их температуры кипения. Какой факт свидетельствует о наличии водородной связи между молекулами воды?
  • 57. Почему возможность образования водородной связи влияет на растворимость веществ, теплоемкость и поверхностное натяжение воды?

Задания для усвоения материала

58*. Используя пластилин или другой материал, изготовьте модели молекул воды и соедините их водородными связями, как показано на рисунке 5.2. По возможности создайте компьютерную модель.

59*. В дополнительных источниках найдите информацию о влиянии водородной связи на физические свойства веществ и ее роль в биологических системах.

ГДЗ к учебнику можно найти тут.

Попередня

Сторінка

Наступна

Сторінка