Вода в жизни организмов. Урок 5

Молекула воды имеет уникальное строение. В ней удивительным образом сочетаются прочность и устойчивость кристаллической структуры (льда), и подвижность жидкого вещества.

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.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ

Молекула представляет собой совокупность атомных ядер и электронов , что является достаточно устойчивым , чтобы обладать наблюдаемыми свойствами — и есть несколько молекул , которые являются более стабильными и трудно разлагаются , чем H 2 O.

В воде, каждое ядро водорода связаны с центральным атомом кислорода парой электронов, которые делятся между ними. Химики называют эту общую электронную пару ковалентной химической связью. В H 2О, только два из шести электронов кислорода внешней оболочки используются для этой цели, оставляя четыре электрона, которые организованы в две несвязывающие пары.

Четыре электронные пары, окружающие кислород, имеют тенденцию располагаться как можно дальше друг от друга, чтобы минимизировать отталкивания между этими облаками отрицательного заряда. Это обычно приводит к тетраэдрической геометрии, в которой угол между электронными парами (и, следовательно, угол связи HOH ) составляет 109,5 °.

Однако, поскольку две несвязывающие пары остаются ближе к атому кислорода, они оказывают более сильное отталкивание на две пары ковалентных связей, эффективно сближая два атома водорода. Результатом является искаженное тетраэдрическое расположение, в котором угол Н-О-Н составляет 104,5 °.

Хотя молекула воды не несет чистого электрического заряда, ее восемь электронов распределены неравномерно. Немного более отрицательный заряд (фиолетовый) на кислородном конце молекулы и компенсирующий положительный заряд (зеленый) на водородном конце. Получающаяся полярность в значительной степени ответственна за уникальные свойства воды.

Поскольку молекулы меньше световых волн, их нельзя наблюдать непосредственно, и их необходимо «визуализировать» альтернативными способами. Внешняя оболочка показывает эффективную «поверхность» молекулы, определяемую протяженностью облака отрицательного электрического заряда, созданного восемью электронами.

КАКИЕ СВЯЗИ ИМЕЕТ h3O2

Молекула H 2 O электрически нейтральна, но положительные и отрицательные заряды распределены неравномерно. Это иллюстрируется градацией цвета на схематической диаграмме здесь. Электронный (отрицательный) заряд концентрируется на кислородном конце молекулы, отчасти благодаря несвязывающимся электронам (сплошные синие кружки) и высокому заряду ядра кислорода, который оказывает сильное притяжение на электроны.

Это смещение заряда представляет собой электрический диполь , представленный стрелкой внизу; Вы можете думать об этом диполе как о электрическом «образе» молекулы воды.

Как все мы узнали в школе, противоположные заряды притягиваются, поэтому частично положительный атом водорода на одной молекуле воды электростатически притягивается к частично отрицательному кислороду на соседней молекуле. Этот процесс называется (несколько обманчиво) водородной связью.

Обратите внимание, что водородная связь длиннее, чем ковалентная связь О-Н. Это означает, что он значительно слабее. На самом деле он настолько слаб, что данная водородная связь не может существовать дольше, чем крошечная доля секунды.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА h3O2

Давно известно, что вода обладает многими физическими свойствами, которые отличают ее от других небольших молекул сопоставимой массы. Химики называют их «аномальными» свойствами воды, но они ни в коем случае не являются загадочными. Все они являются полностью предсказуемыми последствиями того, как размер и заряд ядра атома кислорода способствуют искажению облаков электронного заряда атомов других элементов, когда они химически связаны с кислородом. Вода является одним из немногих известных веществ, чья твердая форма менее плотная, чем жидкость.

Расширение между –4 ° и 0 ° обусловлено образованием более крупных агрегатов с водородными связями. Выше 4 ° начинается тепловое расширение, поскольку колебания связей О — Н становятся более энергичными, что приводит к выталкиванию молекул дальше друг от друга.

Другое широко цитируемое аномальное свойство воды — ее высокая температура кипения. Как показывает этот график, молекула, столь же легкая, как H 2 O, «должна» кипеть при температуре около –90 ° C. То есть, он существовал бы в мире в виде газа, а не жидкости, если бы не было водородных связей. Обратите внимание, что Н-связь также наблюдается с фтором и азотом.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА h3O2

Соленость воды может быть определена как концентрация всех катионов, в значительной степени Na + , K + , Mg ++ и Ca ++, а также анионов CO 3 = и SO 4 = и галогенидов, причем все HCO 3 — превращаются в CO = 3. Приведенный выше средний состав пресной воды соответствует среднему речному водоснабжению. В мягких водах Ca ++ и CO = 3 могут быть значительно снижены. В кислых водах сульфат может быть доминирующим.

КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Что происходит в естественном круговороте воды?

В естественном круговороте воды используются физические процессы для перемещения воды с поверхности земли в атмосферу и обратно.

Испарение — это когда солнце светит на воду и нагревает ее, превращая в газ, называемый водяным паром, который поднимается в воздух.

Транспирация — это когда солнце согревает людей, растения и животных, и они выпускают водяной пар в воздух.

Конденсация — это когда водяной пар в воздухе охлаждается и превращается в жидкость, образуя крошечные капельки воды в небе.

Осадки — это когда капли воды падают с неба в виде дождя, снега или града.

Сток — это когда вода течет по земле и впадает в ручьи, реки и океаны.

Инфильтрация — это когда вода падает на землю и впитывается в почву.

Перколяция — это когда вода все глубже проникает в крошечные места в почве и камне.

ПОЧЕМУ НЕ КОНЧАЕТСЯ ВОДА НА ЗЕМЛЕ

Земля содержит огромное количество воды:

• в океанах;
• озерах;
• реках;
• атмосфере;
• в скалах внутренней Земли.

В течение миллионов лет большая часть этой воды рециркулируется между внутренней Землей, океанами и реками и атмосферой. Этот циклический процесс означает, что пресная вода постоянно поступает на поверхность Земли, где мы все живем.

Вулканы выпускают огромное количество воды из внутренней Земли в атмосферу.

Наша планета также очень эффективно удерживает эту воду. Вода, будучи паром в нашей атмосфере, потенциально может сбежать в космос с Земли. Но вода не вытекает, потому что некоторые области атмосферы очень холодные. (Например, на высоте 15 километров температура атмосферы составляет всего -60 ° С!). При этой холодной температуре вода образует твердые кристаллы, которые падают обратно на поверхность Земли.

Хотя на нашей планете в целом никогда не кончится вода, важно помнить, что чистая пресная вода не всегда доступна там, где и когда она нужна людям. Фактически, половина пресной воды в мире может быть найдена только в шести странах. Более миллиарда человек живут без достаточного количества чистой воды.

Кроме того, каждая капля воды, которую мы используем, продолжается в круговороте воды. Вещи, которые мы кладем в канализацию, попадают в чью-то воду. Мы можем помочь защитить качество пресной воды на нашей планете, используя ее более разумно.

ВИДЫ ВОДЫ

«Чистая вода»

Для химика термин «чистый» имеет значение только в контексте конкретного применения или процесса. Дистиллированная или деионизированная вода, которую мы используем в лаборатории, содержит растворенные атмосферные газы и иногда немного кремнезема, но их небольшое количество и относительная инертность делают эти примеси незначительными для большинства целей.

Когда для определенных типов точных измерений требуется вода с наивысшей достижимой чистотой, ее обычно фильтруют, деионизируют и подвергают тройной вакуумной дистилляции. Но даже эта «химически чистая» вода представляет собой смесь изотопных частиц: есть два стабильных изотопа водорода (H 1 и H 2 , последний часто обозначается как D) и кислорода (O 16 и O 18 ), которые вызывают комбинации, такие как H 2O 18 , HDO 16 и т. Д. Они легко идентифицируются в инфракрасных спектрах водяного пара.

И вдобавок ко всему, два атома водорода в воде содержат протоны, магнитные моменты которых могут быть параллельными или антипараллельными, что приводит к орто- и пара- воде соответственно. Две формы обычно присутствуют в соотношении о / п 3: 1.

Количество редких изотопов кислорода и водорода в воде достаточно разнится от места к месту, поэтому теперь можно с некоторой точностью определить возраст и источник конкретного образца воды. Эти различия отражены в изотопных профилях H и O организмов. Таким образом, изотопный анализ волос человека может быть полезным инструментом для расследования преступлений и антропологических исследований.

Питьевая вода

Наша обычная питьевая вода, напротив, никогда не бывает химически чистой, особенно если она контактировала с отложениями. Подземные воды (из родников или колодцев) всегда содержат ионы кальция и магния, а также часто железо и марганец; положительные заряды этих ионов уравновешиваются отрицательными ионами карбонат / бикарбонат, а иногда и некоторым количеством хлорида и сульфата. В некоторых регионах подземные воды содержат недопустимо высокие концентрации естественных токсичных элементов, таких как селен и мышьяк.

Можно подумать, что дождь или снег будут освобождены от загрязнения, но когда водяной пар конденсируется из атмосферы, это всегда происходит на частице пыли, которая выделяет вещества в воду, и даже самый чистый воздух содержит углекислый газ, который растворяется с образованием углекислота За исключением сильно загрязненных атмосфер, примеси, улавливаемые снегом и дождем, слишком малы, чтобы вызывать беспокойство.

Различные правительства установили верхние пределы количества загрязняющих веществ, допустимых в питьевой воде; самые известные из них — Стандарты питьевой воды EPA США.

Безионная вода

Иногда можно услышать, что не содержащая минералов вода и особенно дистиллированная вода вредны для здоровья, потому что они «вымывают» необходимые минералы из организма. Дело в том, что минеральные ионы не проходят через клеточные стенки при обычной осмотической диффузии, а скорее переносятся метаболическими процессами.

Обширное исследование 2008 года не подтвердило более ранние сообщения о том, что низкий уровень кальция / магния в питьевой воде коррелирует с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Любая сбалансированная диета должна содержать все необходимые нам минеральные вещества.

Хорошо известно, что люди, которые занимаются тяжелой физической активностью или находятся в очень жаркой среде, должны избегать употребления большого количества даже обычной воды. Чтобы предотвратить серьезные проблемы с электролитным дисбалансом, необходимо компенсировать потери солей при потливости. Это может быть достигнуто путем приема соленых продуктов или напитков (включая «спортивные напитки») или соленых таблеток.

Статью проверил и отредактировал Papa Vlada.

Первоисточник статьи опубликован на сайте про воду.

Вода в жизни организмов: водородная связь – результат особой структуры атома водорода

Вода в жизни организмов играет роль растворителя. Она имеет простую молекулярную структуру, состоящую из атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода. В результате этого молекула является стабильной, она удовлетворяет правилу октета – не имеет непарных электронов и не несёт чистой энергии. Электроотрицательность кислорода намного больше, чем водорода, поэтому связи между этими атомами сильно полярны. Полярность молекулы воды лежит в основе её химических свойств, важных для всего живого.
Самым выдающимся свойством воды является её способность образовывать слабые химические связи, называемые водородными. Они формируются между частично отрицательным атомом кислорода и двумя частично положительными атомами водорода. Эти связи обладают всего 5-10% силы ковалентных скреплений. Но в большом количестве они играют важную роль в построении структур белков, а значит, несут ответственность за химическую организацию живых систем.

Строение молекулы воды

Если рассмотреть молекулу воды, то можно увидеть, что её две ковалентных связи несут частичный заряд на каждом полюсе. Полюс кислорода частично отрицателен (δ –), полюсы водорода частично положительны (δ +). В общей сложности молекула воды несёт 2 отрицательных и 2 положительных заряда. Атом кислорода лежит в центре «пирамиды», атомы водорода занимают две вершины, а частично отрицательные заряды занимают две другие вершины.

Благодаря особому строению молекулы воды, снежинки бывают только шестилучевыми, а не такими как на этом рисунке

Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы возникает электростатическое притяжение. Каждая молекула воды, подобно маленькому магниту, притягивает к себе еще четыре молекулы и соединяется с ними водородными связями.

Из-за большого количества водородных соединений вода, несмотря на её малую молекулярную массу, при температурах от 0°С до 100°С может сохранять жидкое агрегатное состояние, тогда как подобные ей водородные соединения (например, h3S, Nh4 ,HF) являются газами.

Строение молекулы воды
Автор: Booyabazooka, CC BY-SA 3.0

Сцепление жидкой воды отвечает и за её поверхностное натяжение. Поэтому мелкие насекомые могут ходить по воде, а вода поднимается по капиллярам почвы и по сосудам растений.

Примеры поверхностного натяжения воды

Подобные комплексы молекул существенно повышают температуры кипения и таяния воды (по сравнению с похожими молекулами) и увеличивают ее теплоемкость. Они же делают воду очень хорошим растворителем и благоприятной средой для протекания целого ряда реакций.

1. Современные представления о составе и структуре воды. Строение молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.

• Опорные даты начала исследовании воды:

1781 г. – Вода впервые была синтезирована Г.Кавендишем при сгорании водорода;1783 г. – Лавуазье предложил истинный состав воды как сложного соединения кислорода и водорода;1800 г. – А.Карлейль и У.Никольсон с помощью тока, полученного в вольтовом столбе, разложили воду на кислород и водород;1805 г. – Жозеф Луи Гей-Люссак и А.Гумбольдт, проведя совместные опыты, установили, что для образования воды необходимы 2 объема водорода и 1 объем кислорода;1842 г. – Жан Батист Дюма установил весовое соотношение водорода и кислорода в воде как 2:16;1860 г. – С.Канницаро предложил точную химическую формулу воды как h3O.• К настоящему времени предложено более 100 моделей структуры воды, начиная с работ Дж. Бернала и Р. Фаулера. Мы знаем, что вода существует в жидком, газообразном и твердом виде. Но возможны и субструктуры, отличающиеся по свойствам в рамках одного и того же агрегатного состояния. Посмотрите на общую фазовую диаграмму воды: римскими цифрами показаны различные структурные модификации льда.

Рисунок 1 – Фазовая диаграмма воды.
 
В “тройной” точке на диаграмме может одновременно существовать вода во всех трех агрегатных состояниях.

В “критической” точке все свойства жидкости и пара (энергия, плотность, структура, характер движения частиц и т.п.) становятся равны. При более высоком давлении и/или температуре агрегатное состояние воды называют “сверхкритическим”.

В молекуле воды три атома: два водорода и один кислород. Между собой они соединены ковалентной связью. Молекула является двойным симметричным донором и акцептором протонов. Атом кислорода имеет две неподеленные пары электронов. Это определяет структуру воды и ее строение в виде равнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, а в основании – два водорода (рисунок 2).

Рисунок 2 – Электронная и геометрическая модель структуры молекулы воды.

В стабильном энергетическом состоянии молекула воды имеет тетраэдрическую пространственную структуру. При изменении агрегатного состояния воды длина сторон и угол между ними меняются. Если бы мы увидели молекулу воды, то обнаружили, что она имеет сфероидальную форму с двумя выпуклостями (рисунок 3).

 
Рисунок 3 – Локальное распределение некомпенсированных зарядов в молекуле воды
 
Молекула воды полярна, т.е. один ее конец имеет частичный положительный заряд, а другой – отрицательный. Это объясняется тем, что две пары электронов в ней –  общие у двух атомов водорода и атома кислорода, а две другие пары неподеленных электронов собраны с противоположной стороны кислорода. Поэтому на атомах водорода проявляются частично нескомпенсированные положительные заряды, а на кислороде – отрицательные.

 
Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар обуславливает возникновение водородных связей, что способствует ассоциации молекул воды в группы.

 
Обладая значительным дипольным моментом, молекулы воды также сильно взаимодействуют с полярными молекулами других веществ.

Идеально чистую воду практически невозможно получить. По факту, мы всегда будем иметь дело хоть и с очень разбавленными, но растворами.

Кроме известной нам “легкой” воды 1h316O (где надстрочный индекс – атомная масса элемента), существует еще 8 изотопологов, в которых вместо обычного водорода и кислорода содержатся их изотопы: 1HD16O (D-дейтерий или 2H), D216O, 1h317O, 1HD17O, D217O, 1h318O, 1HD18O, D218O (самая “тяжелая” вода).

 
В природе на 1 000 000 молекул воды в среднем приходится:
– 997 284 молекул легкой воды 1h316O;
– 311 молекул 1HD16O;
– 390 молекул 1h317O;
– 2005 молекул 1h318O.

 
Если из глубинной океанической воды, отвечающей стандарту SMOW (Standard Mean Ocean Water) удалить все тяжелые изотопы и заменить их на 1h316O, то масса 1 л такой воды станет меньше на 250 мг, т.е. на четверть.

Взаимодействие молекулы воды с полярными молекулами и ионными соединениями

Полярность воды заставляет её притягиваться к другим полярным молекулам или ионным решёткам. Притяжение других полярных веществ называется адгезией. Вода соединяется с любым веществом, с которым она может образовать водородные связи. Полярные молекулы и ионные соединения растворяются в воде, неполярные (например, масла) нет.

Притяжение воды к веществам, имеющим электрические заряды на поверхности, отвечает за капиллярное действие. Если стеклянную трубку с узким диаметром опустить в стакан с водой, уровень жидкости в трубке поднимется выше, чем в стакане, из-за адгезии воды со стеклянной поверхностью. Чем уже будет трубка, тем сильнее электрические силы между водой и стаканом и тем выше она поднимется. Так капиллярная сила воды помогает ей преодолевать силу притяжения Земли.

Капиллярность воды и ртути
Автор: MesserWoland, CC BY-SA 3.0

Таблица 1. Некоторые свойства воды

Свойство	Объяснение	Примеры пользы для жизни
Сцепление	Водородные связи удерживают молекулы воды вместе	Листья притягивают воду вверх от корней; семена набухают и прорастают.
Высокая удельная теплоёмкость и теплопроводность	Когда водородные связи разрываются, они поглощают тепло, а когда образуются – выделяют. Так они минимизируют температуру изменения.	Вода поддерживает постоянство температуры организмов относительно окружающей среды. Благодаря высокой теплопроводности температура равномерно распределяется в теле организма.
Высокая удельная температура парообразования и конденсации	Чтобы вода испарилась, должно быть разорвано много водородных связей, поэтому этот процесс происходит с затратой большого количества энергии.	Испарение воды с кожи, за счёт траты энергии, охлаждает поверхность тела.
Более низкая плотность льда	Благодаря водородным связям в кристалле льда молекулы воды расположены относительно далеко друг от друга. Плотность жидкой воды – 0,9982 г/см2. Плотность льда – 0,917 г/см2.	Зимой лёд закрывает водоёмы, поэтому основная их часть не замерзает и обитатели озёр, рек и т. д. не погибают.
Растворимость	Молекула воды притягивается к полярным соединениям, разрушая их решётки и молекулы, и превращая атомы в ионы.	Многие растворённые молекулы могут свободно перемещаться внутрь клетки, что способствует химическим реакциям.

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.

2. Структура воды. Водородные связи.

Структура – есть конкретное пространственное расположение атомов, ионов или молекул в соответствии с особенностями их взаимодействия между собой.

 
Существует несколько базовых гипотез строения воды. Две основных:
• Гипотеза Уайтинга (1883). Вода в жидком виде состоит из гидролей, а точнее из смеси моногидроля h3O, дигидроля (h3O)2, и тригидроля (h3O)3. Основной строительной единицей здесь является дигидроль. Отметим, что по этой гипотезе пар состоит преимущественно из моногидроля, а лед – из тригидроля.
• Гипотеза О.Я. Самойлова, Дж. Попла, Г.Н. Зацепиной (XX век). Вода, пар или лед состоят из простых молекул h3O, объединенных в группы или агрегаты с помощью водородных связей (Дж. Бернал, Р. Фаулер 1933).
Последователей второй гипотезы значительно больше, поэтому остановимся на ней подробнее.
Электронная конфигурация молекулы h3O позволяет ей быть одновременно и донором и акцептором электронов. Этот факт является важной предпосылкой к образованию разветвленной сети водородных связей (рисунок 4), как уже было упомянуто ранее. Лед в этом отношении совершенен.

  

Рисунок 4 – Образование водородных связей между молекулами воды. Сплошные линии – ковалентные связи, точечные – направленные водородные связи. 

Расчетами установлено, что в любом объеме воды всегда найдется, по крайней мере, одна сплошная цепочка из водородных связей, пронизывающая весь объем. Если представить в виде этого объема мировой океан, то, согласно этого постулата, в нем точно найдется одна гигантская ассоциация молекул воды, опоясывающая земной шар. Известен афоризм И. Ленгмюра: “Океан – одна большая молекула”. Сегодня достоверно установлено, что из каждых 10 молекул воды 8 по прежнему окружены соседями.

 
В ходе современных физико-химических исследований были выявлены характерные структурные агрегаты воды, формирующиеся с помощью водородных связей.

 

Для формирования трехмерных структур необходимо, кроме способности молекул создавать водородные связи, выполнение еще двух условий. Этих связей должно быть не менее четырех на одну молекулу и геометрические размеры молекулы не должны противоречить оптимальным направлениям водородных связей. Вода удовлетворяет этим требованиям. Так, нагревая лед мы получаем смесь жидкой воды и кристаллов льда, температура которой останется неизменной до тех пор, пока все кристаллики не расплавятся. Это говорит о том, что подводимое нами тепло будет расходоваться в первую очередь на разрушение водородных связей льда. 

Высокая удельная теплоёмкость воды помогает ей поддерживать температуру

Температура каждого вещества является показателем того, насколько быстро движутся его отдельные молекулы. В случае с водой для разрыва большого количества её водородных связей требуется много внешней энергии, это удерживает её молекулы от движения. Следовательно, вода имеет высокую теплоёмкость, определяющуюся как количество теплоты, нужное для изменения температуры 1г вещества на 1°С.

Удельная теплоёмкость измеряет степень, в которой вещество сопротивляется изменению своей температуры. Чем полярнее молекулы вещества, тем выше их удельная теплоёмкость. Теплоёмкость воды равна 4,1806 кДж, она в два раза выше, чем у большинства углеродных соединений и в 9 раз выше железа. Только аммиак, обладающий большей полярностью, чем вода и формирующий сильные водородные связи, имеет более высокую удельную теплоёмкость. Тем не менее, только 20% водородных связей разрушается при нагревании воды от 0° до 100°С.

Из-за высокой теплоёмкости вода нагревается медленнее, чем любая другая смесь и сохраняет тепло дольше. Из-за высокого содержания воды в организмах они могут длительное время поддерживать постоянство своей внутренней температуры. Этому способствует не только высокая теплоёмкость воды, но и её высокая теплопроводность, равномерно распределяющая тепло по телу. Тепло, выделяющееся при химических реакциях внутри клетки, разрушает её, если в ней нет воды, поглощающей это тепло. Вода в жизни организма — играет ведущую роль.

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях

Вода может быть в нескольких состояниях:

1. Жидком. Это ее преимущественное состояние в нормальных условиях. Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан.
2. Твердом – это лед, а его кристаллы часто образуют иней или снег.
3. Газообразном — водяной пар.

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.

Лед

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.

Вода в жизни организмов: высокая температура испарения способствует охлаждению

Удельная температура испарения определяется как количество энергии, требуемое для превращения 1г жидкости в газ. Чтобы произвести такие изменения с водой, нужно 586 Ккал энергии. Испарение воды с какой-либо поверхности охлаждает эту поверхность.

Способ терморегуляции животных

Многие организмы используют это свойство воды для предупреждения перегрева, например, у животных и человека лишнее тепло уходит через потоотделение, многие животные в жару высовывают влажный язык, чтобы  с него испарялась вода, облизывают кожу для охлаждения.

Вода в жизни организмов: меньшая плотность твёрдой воды, чем жидкой

При охлаждении вода сначала сжимается. Но происходит это только до температуры 4°С, достигнув самой большой своей возможной плотности, с дальнейшим понижением температуры, вода начинает расширяться. При низких температурах молекулы воды запираются в кристаллическую форму, образуя решётки водородных связей. Так получается лёд.

Кристаллическая решётка льда
Автор: NIMSoffice

Лёд менее плотный, чем жидкость, благодаря тому, что водородные связи в кристаллах располагают атомы относительно далеко друг от друга. Такая необычная особенность позволяет айсбергам плавать. Если бы у воды не было такой способности, почти все водоёмы замерзали бы до дна и их обитатели в них не смогли бы выживать. В этом случае вода в жизни организмов выполняет защитную роль.

Раз при замерзании вода расширяется, то при этом она может разорвать ткани и клетки организмов. Это причина того, почему деревья на зиму прекращают сокодвижение и сбрасывают листья.

Айсберг

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.

Полярные молекулы и ионы растворимы в воде

Молекулы воды собираются вокруг любого вещества, несущего электрический заряд, это могут быть как ионы, так и полярные молекулы. Например, сахароза (столовый сахар) состоит из молекул, содержащих гидроксильные (OH) полярные группы.

Кристаллы сахара легко растворяются, потому что молекулы воды могут образовывать водородные связи с гидроксильными группами молекул сахарозы. Поэтому сахароза считается растворимой в воде. При этом воду называют растворителем, а сахар растворённым веществом.

Растворение

Когда молекула сахарозы отламывается от кристалла, молекулы воды окружают её облаком, образующим гидратационную оболочку, которая препятствует её связыванию с другими молекулами сахарозы. Гидратные оболочки образуют ионы, такие как Na + и Cl –.

Насыщение воды ионами неорганических веществ и их коллоидами называется минерализацией.

К числу выдающихся в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (O2, CO2 и др.). Это очень важно для тех организмов, которые живут в воде, а также для процессов всех живых клеток.

Вода в жизни организмов является также источником кислорода и водорода, выделяемых при фотолизе в световую фазу фотосинтеза.

Так как вода в жидком состоянии не имеет жесткой внутренней структуры, тепловое движение молекул приводит к постоянному перемешиванию молекул водного раствора. Это явление называют диффузией. Вследствие диффузии концентрации растворенных веществ в разных частях раствора выравниваются.

Диффузия воды — осмос
Автор: Квазар Ярош

Наличие в живых организмах биологических мембран и растворённых в воде ионов приводит к появлению явления осмоса. Вследствие того что биологические мембраны является полупроницаемыми, через них не могут проходить крупные органические молекулы, но могут проходить молекулы воды. В случае, когда концентрация крупных молекул по разные стороны мембраны различна, молекулы воды начинают интенсивно перемещаться на ту сторону, где концентрация растворенных веществ выше. Вследствие этого и возникает избыток веществ по одну сторону мембраны, что можно наблюдать в виде осмотического давления.

Осмотическое давление и несжимаемость воды – важные свойства для живых организмов. Благодаря им сохраняется объём клеток, напряжённое состояние плазматической мембраны (тургор) и происходит перемещение веществ внутри цитоплазмы. Тургорное давление воды поддерживает листья и стебли растений в упругом состоянии, определяет форму тела медуз, круглых червей. Плазмолиз – выход воды из клеток, что обусловливается содержанием ионов вне и внутри клетки. Если солей больше снаружи, тогда вода покидает клетку.

Плазмолиз — изотония — тургор
Автор: LadyofHats

5. Особенности строения воды в газообразном виде. Пар.

В паре водородные связи на 99% разорваны. При этом в нем сохраняется до 1% димеров. Полностью разорвать все связи в паре можно лишь при температура 600о С.

 
Расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул. При этом сами молекулы хаотично двигаются, сталкиваются со стенками сосуда, в котором заключены, и между собой. Скорость их тем выше, чем выше температура системы.

 
Вода может длительное время находиться и в перегретом состоянии до 200о С. При введении пузырька воздуха в такую перегретую воду она мгновенно вскипает и ее температура падает до 100о С.

Физические и химические свойства воды. Факты о воде и аномалиях ее поведения.

Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО “НПП Электрохимия” Любое копирование без прямой ссылки на сайт www.zctc.ru преследуется по закону. Текст статьи обработан сервисом Яндекс “Оригинальные тексты”

Вода организует неполярные молекулы

Молекулы воды всегда стремятся сформировать максимальное число возможных водородных связей. Когда неполярные молекулы, такие как масла, не формирующие водородных связей, попадают в воду, молекулы воды стараются их удалить.

При этом неполярные молекулы агрегируются (слипаются вместе), чтобы свести к минимуму их разрушение водой. Они сжимаются от контакта с водой, по этой причине их называют гидрофобными (греч. гидрос, «вода» и фобос, «страх»). Гидрофобны высшие карбоновые кислоты, жиры и некоторые другие вещества.

Капли масла в воде

Напротив, полярные молекулы, легко образующие связи с водой, называют гидрофильными («водолюбивыми»). Гидрофильными веществами являются моно- и дисахариды, многие минеральные соли и кислоты, низшие спирты, низшие карбоновые кислоты и др.

Тенденция неполярных молекул к агрегации в воде называется гидрофобным исключением. Путём принуждения гидрофобных молекул к агрегации, вода заставляет их принять определённую форму. Это свойство влияет на структуру белков, ДНК и биологических мембран, оно не позволяет им слипаться. По этой причине взаимодействие неполярных молекул и воды имеет решающее значение для живых систем.

Вода способна распадаться на ионы

Вода сама может участвовать в химических реакциях – фотосинтез, гидролиз и др. Ковалентные связи молекулы воды иногда разрываются спонтанно. В чистой воде при 25°C только в одной из 550 миллионов молекул происходит подобный процесс. При этом ядро атома водорода диссоциирует от молекулы. Его положительный заряд больше не нарушается и он становится ионом водорода H +. Остальная часть диссоциированной молекулы воды, сохранившая общий электрон и ковалентную связь становится отрицательно заряженной и образует гидроксид-ион ОH-. Этот процесс спонтанного образования ионов называется ионизацией:

h3O → OH – + H +

При 25°C 1 литр воды содержит одну десятимиллионную (или 10 -7) моль ионов Н +. Моль – это вес вещества в граммах, он соответствует атомной массе всех атомов в молекуле этого вещества. В случае с H +, атомная масса иона равна 1, а моль ионов весит 1 г.

Ион водорода участвуют в определении кислотности среды (внутренней среды организма, почвы и др.), он же нужен в качестве переносчика энергии в процессе фотосинтеза.

Один моль любого вещества всегда содержит 6.02 × 10 23 молекул вещества. Поэтому молярная концентрация ионов водорода в чистой воде, представляется как [H +], 10 -7 моль /л. В действительности, H + обычно связывается с другой молекулой воды, чтобы сформировать ион гидроксония (h4O +).

Вода угол между связями — Справочник химика 21

    В молекуле воды угол между связями О—Н равен не 90°, как можно было ожидать., исходя из угла между осями двух р-орбиталей атома кислорода, а приближается к тетраэдрическому (109,5 ) и составляет 104,5°. Вероятно, это можно объяснить sp -гибридизацией (см. гл. Ill, 4) четырех атомных орбиталей кислорода. [c.90]

    В предыдущих главах электронное строение органических молекул описывалось в терминах структур Льюиса, в основу которых положен принцип принятия (или потери) электронов каждым из атомов молекулы, принимающим при этом конфигурацию инертного газа. Такой способ описания практически ничего не говорит относительно геометрии молекул. Почему, например, в соединениях тина метана и четыреххлористого углерода валентные углы составляют 109,5°, тогда как в воде угол между связями равен 104,5°, а в сероводороде 92° Структуры Льюиса не дают также возможности объяснить различия в прочности и реакционной способности различных связей, в частности углерод-углеродных простых, двойных и тройных связей. Необходим более глубокий подход к рассмотрению электронного строения органических молекул. В настоящей главе мы покажем, как формулируются атомно-орбитальные модели органических молекул, и проиллюстрируем некоторые из их достоинств и недостатков. [c.122]

    Молекулу фосфина можно трактовать как аналог молекулы аммиака. Однако угол между связями Н—Р—Н значительно меньше, чем у аммиака (93,7° против 107°). Это означает уменьшение доли участия в-облаков в образовании гибридных связей в случае фосфина. Кроме того, связи фосфора с водородом менее прочны, чем связи последнего с азотом, а электрический момент диполя аммиака почти втрое превосходит момент диполя фосфина. Донорные свойства у РНз выражены несравненно слабее, чем у аммиака. И малая полярность молекулы РНз, и слабая активность акцептировать протон приводят к отсутствию водородных связей не только в жидком и твердом состояниях, но и с молекулами воды в [c.415]

    Рассмотрим некоторые экспериментальные данные о свойствах агрегатов, состоящих из небольшого числа молекул воды. Наиболее изучены, разумеется, димеры. Для них мы располагаем не только термодинамическими, но и структурными данными. Так, были изучены отклонения молекулярного пучка паров воды в сильном электрическом поле [361] и вращательные переходы в димере воды (путем облучения молекулярного пучка в микроволновом диапазоне [362]). В результате удалось выяснить, что димеры воды имеют линейную структуру расстояние между атомами кислорода Яоо = 298 им, угол между связью 0Н—0 (этот угол близок к 180°) и биссектрисой угла Н—О—И молекулы акцептора равен 57°. Что касается энтальпии образования димеров (Н20)2, то различные экспериментальные методы дают довольно отличающиеся друг от друга результаты (табл. 8.1). [c.133]

    Угол между связями ОН в молекуле воды составляет 104° 27. Угловая форма молекулы воды объясняется тем, что два холостых электрона атома кислорода находятся в р-состоянии и их электронные облака располагаются в направлении координатных осей плоскостной системы. Но угол между связям , ОН возрастает до 104° 27 вследствие отталкивания одноименно заряженных ионов Н (расширение валентного угла). [c.626]

    Угол между связями в молекуле воды равен 104,5°. В молекуле NHa (рис. 17) этот угол еще больше (107,3°), т. е. ближе к тетраэдрическому (109°28 ). Чем это можно объяснить Ведь у атома кислорода в образовании химической связи участвуют два неспаренных р-электрона, а у атома азота — три неспаренных / -электрона, облака которых гантелеобразны. А как вам уже известно, гантелеобразные облака р-электронов располагаются в пространстве взаимно перпендикулярно. Поэтому угол между ними должен быть 90°, а не 104,5° или 107,3°. Задумываясь над этим вопросом, ученые пришли к выводу, что при образовании молекул воды и аммиака, так же как и при образовании молекул метана, характерна гибридизация орбиталей по типу sp . [c.78]

    Благодаря малому размеру ион водорода внедряется в электронные оболочки молекулы воды, связывается с молекулой воды очень прочной связью и изменяет угол между связями Н—О—Н, возможно, даже изменяя тип гибридизации электронных орбиталей кислорода. Ионы же щелочных металлов не могут проникать в электронные оболочки молекулы воды, связь их с молекулой воды значительно слабее, а значение угла [c.123]

    В структуре молекулы воды угол между связями О—Н равен 104,5°, т.е. близок к тетраэдрическому. Объясняется это тем, что атом кислорода также подвергается неполной р -гибридизации. При этом примесь -состояния еще меньше, чем для азота в аммиаке. Отсюда геометрическая модель молекулы воды представляет также несколько искаженный тетраэдр, в котором две вершины заняты двумя атомами водорода, а две другие — неэквивалентными электронными облаками, не участвующими в образовании химических связей (рис. 42). [c.83]

    В молекуле воды каждый из двух неспаренных 2р-электро-нов кислорода взаимодействует с s-электроном водорода. Орбитали 2р-электронов кислорода взаимно перпендикулярны, поэтому следовало бы ожидать, что при максимальном перекрывании валентный угол между связями должен быть равен 90°. Однако экспериментально найденный валентный угол между связями равен 104,5°. Такое отклонение можно объяснить взаимным отталкиванием не связанных непосредственно между собой атомов водорода. Молекулы, подобные воде, называются угловыми. [c.66]

    Если один атом участвует в нескольких связях, то углы между ними зависят от типа этих связей. Так, например, углы между связями С—Н в метане составляют примерно 109°, а угол между связями О—Н в воде и N—Н в аммиаке несколько [c.62]

    Угол между связями N—Н в молекуле ЫНз, как и в молекуле воды, по тем же причинам будет больше 90°. [c.90]

    Строение молекулы воды может быть представлено в виде равнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, в основании — два протона. Две пары электронов обобществлены между протонами и атомом кислорода, две пары неподеленных электронов ориентированы по другую сторону атома кислорода. Длина связи О—Н составляет 96 нм, угол между связями 105°. Связь О—Н имеет полярный характер. [c.83]

    Изучение полярных молекул показало, что каждую связь можно охарактеризовать своим моментом. В соответствии с этим дипольный момент сложной молекулы может быть найден как сумма векторов моментов связи. Сравнивая расчетные значения дипольных моментов, полученные для различных возможных структур исследуемого вещества, с экспериментальными ДМ, можно сделать заключение о строении сложных молекул. Например, линейность молекулы СОг подтверждается тем, что ДМ этого вещества равен нулю. Напротив, отличие ДМ воды от нуля (ро = 1,840) свидетельствует о нелинейной структуре молекулы НгО угол между связями О—Н, найденный на основании сопоставления экспериментального значения ДМ этой молекулы с моментом связи ОН, составляет 104,5° и совпадает со значением этого угла, полученным другими методами. [c.324]

    Два неспаренных р-электрона в атоме расположены перпендикулярно друг к другу, поэтому угол в плоских молекулах h3S, h3Se и Н2Те близок к 90°. Вследствие отталкивания электронов валентный угол между связями в молекуле h3S несколько выше 90°. У молекул воды угол между связями значительно больше и равен 105° (рис. 2.10). Такую структуру молекулы можно объяснить, если принять, что происходит ip -гибридизация АО кислорода при образовании, воды. При этом две гибридных орбитали перекрываются орбиталями водорода. На одной орбитали остается неподеленная пара электронов, из-за отталкивания от которой других пар электронов угол между связями уменьшается со 120° до 105°. [c.53]

    Иногда, основываясь на сведениях о, валентности атомов и форме их электронных облаков, можно предположить ту или иную конфигурацию молекулы. Например, в молекуле воды у атома кислорода два валентных электрона находятся в двух разных 2р-состояниях (скажем, в 2рж и 2р ). Форма их электронных облаков такова, что наилучшее перекрывание с электронными облаками атомов водорода (а следовательно, и наибольшая энергия связи) наблюдается в том случае, когда угол между связями ОН составляет 90° (что приблизительно соответствует экспериментальным данным). Оценка эта, разумеется, приближенная, так как при этом не учитываются отталкивание между атомами водорода, и деформация электронных облаков, которая при расчете некоторых молекул оказывается решающим фактором. [c.86]

    Долгое время необычные свойства воды были загадкой для ученых. Выяснилось, что они в основном обусловлены тремя причинами полярным характером молекул, наличием неподеленных пар электронов у атомов кислорода и образованием водородных связей. Молекула воды (рис. X1V.2, а) может быть представлена в виде равнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, а в основании — два протона (рис. XIV.2, б). Две пары электронов обобществлены между протонами и атомом кислорода, а две пары неподеленных электронов ориентированы по другую сторону кислорода. Длина связи О—И составляет 96 нм, а угол между связями 105°. Связь О—Н имеет полярный характер, молекула воды также полярна. Благодаря полярности вода хорошо растворяет полярные жидкости и соединения с ионными связями. Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар от атомов водорода [c.371]

    На внешнем уровне атома кислорода находятся два неспаренных / -электрона. Орбитали их взаимно перпендикулярны, т. е. располагаются относительно друг друга под углом 90°. При образовании молекулы воды орбиталь каждого р-электрона перекрывается орбиталью Is-электрона атома водорода вдоль линии осей координат (рис. 1.8). Химические связи в этом случае должны быть направлены под углом 90°. Экспериментально найдено, что угол между связями в молекуле воды [c.44]

    Было показано, что сильные взаимодействия между молекулами воды обусловлены структурой молекул этого соединения (рис. 27). Расстояние между ядром кислорода и ядрами каждого из двух атомов водорода равно примерно 0,099 нм, а угол между связями Н—О—Н равен примерно 105°. Атом кислорода обладает сильной электроотрицательностью и стремится оттянуть электроны от атомов водорода. Благодаря этому на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд, в то время как два атома водо- рода приобретают частич- [c.46]

    Подробно вопрос о строении молекулы воды рассматри вался в теме Химическая связь . Напомним, что молекула Н2О имеет угловое строение, угол между связями Н-0-Н= 104,5°. [c.677]

    Структура льда. В молекуле Н2О угол между связями близок к тетраэдрическому 109,5°. Неподеленные электронные пары занимают две оставшиеся вершины тетраэдра (см. рис. 5.3). В жидкой воде содержатся ассоциаты из молекул воды (см. рис. 4.16). Для твердой фазы (льда) [c.98]

    Фи ические Некоторые физические свойства воды уже рассмат-сг ()й( Т[1а воды ривались ранее угол между связями в Н2О (разд. 5.2.5), водородная связь, температуры плавления и кипения, лед и растворение органических веществ (разд. 4.5.3). [c.380]

    В молекуле воды угол между связями О—Н равен не 90°, как это можно было ожидать, исходя из угла между осями двух р-орбиталей атома кислорода, а приближается к тетраэдрическому (109,5°) и составляет 104,5°. Вероятно, это можно объяснить зр -гибридизацией (см. гл. 3 3.4) четырех атомных орбиталей кислорода, две из которых содержат неподеленные электронные пары, и, не являясь связывающими, лишь искажают валентный угол И—О—Н. sp -Гиб-ридизация, как отмечалось ранее, способствует более полному перекрыванию гибридной орбитали с орбиталью другого атома и, следовательно, упрочняет связь, что приводит к понижению внутренней энергии системы. Из-за sp -гибридизации всех орбиталей азота и в молекуле аммиака угол Н—N—Н близок к тетраэдрическому и равен 106,5°. Такими углами между полярными связями и значениями электрических моментов их диполей (1,51 10-2 для О—Н и 1,31 10 29Кл м для N—Н ) можно объяснить значения электрических моментов 1,84 10 2 Кл м для молекулы HjO и 1,46 х X 10 2 Кл м для молекулы Nh4. [c.116]

    У молекул воды угол между связями О—Н равен 104,5° (зр -гибридизация АО кислорода), а в остальных халькогеноводородах этот угол близок к 90°, что свидетельствует об отсутствии гибридизации 5- и р-АО атомов халькогенов и участии в образовании связей чистых р-АО. [c.296]

    Таким образом, если в молекулах типа АХ2 или АХз валентные электроны атома А будут находиться на р-орбнталях, то угол между связями X—А—X должен быть близок к 90°. Например, подобно молекуле воды построена молекула сероводорода НгЗ. Молекулы НС1з и РС1з имеют такое же строение, как и молекула ЫНз. [c.91]

    Решение. Молекула воды не имеет линейного строения (угол между связями О—Н составляет 105°), ее дипольный момент ДнаО 4 Д. Используя формулу (IV-3) [c.67]

    Структурные формулы указывают только связи между атомами молекулы. Они не дают сведений о трехмерной структуре (или форме) молекул. Рис. 1-2 дает представление о форме и относительном объеме нескольких молекул. Заметим, что угол между связями в молекулах, содержащих более двух атомов, может принимать различные значения. Так, угол между связями в молекуле воды равен 105°, а угол в молекуле сероводорода равен 92° четыре атома, присоедршенных к центральному атому углерода [c.21]

    Необычные свойства воды объясняются ее строением. Молекула воды нелинейна — угол между связями Н—О—Н равен 104°27. Связи Н—О ковалентны, однако они полярны, т. е. некоторый положительный заряд несут атомы водорода, а отрицательный — атом кислорода. Вследствие этого связанный атом кислорода способен притягивать атом водорода соседней молекулы с образованием водородной связи, что существенно повышает общую энергию связи. Таким образом, молекулы в воде ассоциированы. В кристаллах льда водородные связи еще сильнее. В силу высокой полярности молекул Н2О вода является растворителем других полярных соединений, не имея себе равных. [c.101]

    Влияние указанных факторов будет меньше в молекуле аналога воды — сероводорода HgS. В этом соединении связь менее полярна, (см. график электроотрицательностей) и расстояние между атомами больше. Угол между связями в h3S составляет 92° в HgSe он равен 91 (см. стр. 1 14). [c.162]

    В качестве примера рассмотрим структуры молекул HjO и NHa. Молекула воды образова 1а атомом кислорода и двумя атомами водорода. У атома кислорода два неспаренных р-электрона, которые занимают две орбитали, расположенные под углом 90 друг к другу. У атомов водорода по одному s-электрону. Если электрон атома водорода обладает спином, направленным противоположно спину одного из неспаренных р-электронов атома кислорода, то при сближе-нии этих атомов образуется общая электронная пара, связывающая атомы О и Н. Если бы пространственное расположение орбиталей после образования связи не изменилось, то угол между связями был бы 90° или близок к нему. Однако известно, что угол в молекуле HjO равен 104,5° (рис. 5). Это объясняется тем, что связи О—Н сильно полярны (вследствие большой разницы электроотрицательностей этих элементов), электроны сильно оттянуты к атому кислорода, в результате чего остовы атомов водорода приобретают некоторый положительный заряд и взаимно отталкиваются при этом угол между связями увеличивается. У аналогов кислорода — серы, селена, и теллура — электроотрицательность меньше, поэтому углы между связями в молекулах HaS, HjSe, НаТе равны соответственно 92, 91, 89°. [c.27]

    Возникает и такой вопрос если для молекул воды и аммиака характерна 5р -гибридизация, то почему угол между связями получается значительно меньше по сравнению с тетраэдрическим Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к схемам строения молекул метана СН4, аммиака ЫНз и воды НаО (см. рис. 17). Как видно из рисунка 17, а, у атома углерода все четыре 5/ -гибридные орбитали заполнены свя-зываюш,ими электронными парами. У атома азота (рис. 17, б) только три 5р-гибрндные орбитали заполнены связывающими электронными парами, а четвертая 5р -гибридная орбиталь заполнена неподеленной электронной парой. У атома же кислорода (рис. 17, в) связывающими электронными парами заняты только две р -гибридные орбитали, а две другие заполнены поделенными электронными парами. Следовательно, отклонение от тетраэдрического угла (109°28 ) обусловлено действием неподеленных электронных пар, находящихся на яр -гибридиых орбиталях. У атома азота одна такая пара, поэтому угол отклонения от тетраэдрического небольшой и составляет 107,3°. У атома кислорода их уже две, поэтому угол отклонения от тетраэдрического больше и составляет 104,5°. [c.79]

    Молекулу фосфина можно трактовать как аналог молекулы аммгг-ака. Однако угол между связями Н—Р—Н значительно меньше, чем у аммиака (93,7° против 107°). Это означает уменьшение доли участия 5-облаков в образовании гибридных связей в случае фосфина. Кроме того, связи фосфора с водородом менее прочны, чем связи последнего с азотом, а электрический момент диполя аммиака почти втрое превосходит момент диполя фосфина. Донорные свойства у РНз выражены несравненно слабее, чем у аммиака. И малая полярность молекулы РНз, и слабая активность акцептировать протон приводят к отсутствию водородных связей не только в жидком и твердом состояниях, но и с молекулами воды в растворах, а также к малой стойкости иона фосфония РН . Последний является аналогом аммоний-иона и характеризуется тетраэдрическим расположением связей. Самая устойчивая в твердом состоянии соль фосфония — это его иодид РН41. Водой, и особенно щелочными растворами, соли фосфония энергично разлагаются  [c.278]

    На примере воды познакомимся со структурой молекул, образуемых элементами подгруппы VIA (HjSe, S I а и др.). Центральный атом в молекуле HjO кислород. Облака двух р-электронов в атоме кислорода ориентированы взаимно перпендикулярно вдоль осей х и г. В этом направлении и перекрываются они облаками s-электронов с антипараллельными спинами от двух атомов водорода. Угол между двумя связями О—Н в молекуле воды 104°28 (рис. 27). Отклонение угла от 90° объясняется полярностью связи О—Н, в результате чего у атомов водорода появляется положительный заряд отталкивание этих зарядов увеличивает угол между связями. [c.93]

    Доквантовая структурная теория приписывала молекуле воды линейное строение, в то время как экспериментальные данные показали, что угол между связями в молекуле воды составляет 104,5°. Значение этого угла можно объяснить на основании квантовомеханических представлений. Электронная схема (валентного слоя) атома кислорода 2з 2р. Две неспаренные р-орбитали расположены под углом ЭС друг к другу. Максимум перекрынанля электронных облаков 5-орбиталей атомов [c.105]

---

Почему вода необходима для жизни? EcoWater

Вода составляет 60-75% веса человеческого тела. Потеря всего 4% воды в организме приводит к обезвоживанию, а потеря 15% может быть смертельной. Поэтому, хотя человек может прожить месяц без еды, но без воды он обычно не может прожить больше 3 дней. Эта критическая зависимость от воды является ключевым регулятором всех форм жизни. Ясно, что вода необходима для выживания, но почему она так важна?

Вода с молекулярной точки зрения

Многие функции воды в поддержании жизни обусловлены ее молекулярной структурой и несколькими особыми свойствами. Вода — это простая молекула, состоящая из двух небольших положительно заряженных атомов водорода и одного большого отрицательно заряженного атома кислорода. Когда атомы водорода связываются с кислородом, образуется асимметричная молекула с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным — на другой (рис. 1). Эта разница в зарядах называется полярностью, и она определяет способ взаимодействия воды с другими молекулами.

 

Рисунок 1: Химический состав воды. Молекулы воды состоят из двух атомов водорода и одного кислорода. Эти атомы различаются по размеру и заряду, что приводит к асимметрии в молекулярной структуре и к прочным связям между водой и другими полярными молекулами, включая саму воду.

Вода — универсальный растворитель

Как полярная молекула вода лучше всего взаимодействует с другими полярными молекулами, такими как она сама. Это происходит из-за явления, при котором противоположные заряды притягиваются друг к другу: поскольку каждая отдельная молекула воды имеет как отрицательную, так и положительную части, каждая сторона притягивается к молекулам с противоположным зарядом. Притяжение позволяет воде образовывать относительно прочные связи с другими полярными молекулами вокруг нее, включая другие молекулы воды. Затем положительный атом водорода одной из молекул воды объединится с отрицательным атомом кислорода соседней молекулы, собственные атомы водорода которой притягиваются к следующему атому кислороду, и так далее (рис. 1). Важно отметить, что эта связь приводит к тому, что молекулы воды объединяться. Такое свойство воды известно как когезия. Когезия воды помогает растениям «вытягивать» воду из корней. Когезия также способствует высокой температуре кипения воды, что помогает животным регулировать температуру тела.

Кроме того, поскольку большинство биологических молекул имеют некоторую асимметрию напряжения, они также полярны, и молекулы воды могут образовывать связи и окружать как их положительные, так и отрицательные части. Окружая полярные молекулы другого вещества, вода попадает в каждый уголок и щель между молекулами, эффективно разрушая и растворяя их. Вот что происходит, когда мы добавляем кристаллы сахара в воду: и вода, и сахар полярны, так что отдельные молекулы воды окружают каждую молекулу сахара, расщепляя сахар и растворяя его. Как и в случае с поляризацией, некоторые молекулы состоят из ионов или противоположно заряженных частиц. Вода также разрушает эти ионные частицы, взаимодействуя как с положительно, так и с отрицательно заряженными частями. Вот что происходит, когда мы добавляем соль в воду, потому что соль состоит из ионов натрия и хлора.

 

Благодаря сильной способности воды растворять различные молекулы, она стала известна как «универсальный растворитель», и именно эта способность делает воду такой бесценной силой поддержания жизни. На биологическом уровне вода как растворитель помогает клеткам переносить и использовать кислород и питательные вещества. Растворы на водной основе, такие как кровь, помогают перемещать вещества в нужные места. Таким образом, роль воды как растворителя облегчает транспортировку веществ, таких как кислород, для дыхания, и имеет большое влияние на способность лекарств достигать своих целей в организме.

Вода поддерживает клеточную структуру

Вода также играет важную структурную роль в биологии. Вода заполняет клетки, помогая сохранять их форму и структуру (рис. 2). Вода во многих клетках (включая те, что составляют человеческое тело) создает давление, противодействующее внешним силам, как воздух в воздушном шаре. Даже некоторым растениям, способным поддерживать свою клеточную структуру какое-то время без воды, для выживания все равно потом нужна вода. Вода способствует тому, что все внутри клеток сохраняет свою правильную форму на молекулярном уровне. Поскольку форма имеет решающее значение для биохимических процессов, это тоже является одной из самых важных ролей воды.

 

Рисунок 2: Вода влияет на форму клетки. Вода создает в клетке давление, которое помогает ей сохранять форму. В гидратированной клетке (слева) вода выталкивается наружу, и ячейка остается круглой. В обезвоженной клетке вытесняется меньше воды, поэтому клетка становится морщинистой.

Помимо влияния на общую форму клеток, вода также влияет на некоторые основные компоненты каждой клетки: ДНК и белки. Белки производятся в виде длинной цепочки строительных блоков, называемых аминокислотами, и для правильного функционирования они должны иметь определенную форму. Вода направляет сборку аминокислотных цепей, поскольку разные типы аминокислот ищут и избегают взаимодействия с водой. Белки обеспечивают структуру, улавливают сигналы и катализируют химические реакции в клетке. В конечном итоге белки управляют сокращением мышц, коммуникацией, перевариванием питательных веществ и многими другими жизненно важными функциями. Без правильной формы белки не смогли бы выполнять эти функции, и клетка (не говоря уже обо всем теле человека) не смогла бы выжить. Точно так же ДНК должна иметь определенную форму, чтобы ее инструкции были правильно расшифрованы. Белки, которые читают или копируют ДНК, могут связываться с ДНК только определенной формы.

Химические реакции воды

Вода принимает непосредственное участие во многих химических реакциях, предназначенных для создания и разрушения важных компонентов клетки. Фотосинтез, процесс, который происходит в растениях, который производит сахар для всех форм жизни, требует воды. Вода также участвует в создании более крупных молекул в клетках. Молекулы, такие как ДНК и белки, состоят из повторяющихся единиц более мелких молекул. Соединение этих маленьких молекул происходит в результате реакции с образованием воды. И наоборот, вода необходима для того, чтобы обратить вспять реакцию, которая разрушает эти молекулы, позволяя клеткам получать питательные вещества или повторно использовать части больших молекул.

Кроме того вода защищает клетки от вредного воздействия кислот и щелочей. Сильно кислые или щелочные вещества, такие как отбеливатель или соляная кислота, являются едкими даже для самых прочных материалов. Это связано с тем, что кислоты и основания выделяют избыток водорода или забирают избыток водорода из окружающих материалов. Потеря или приобретение положительно заряженного водорода нарушает структуру молекул. Для правильного функционирования протеинам требуется определенная структура, поэтому важно защищать их от кислот и щелочей. Вода делает это, действуя как кислота и основание (рис. 3). Хотя химические связи в молекуле воды очень стабильны, молекула воды может отдать водород и стать ОН-, таким образом действуя как основание, или принять другой водород и превратиться в h4O +, таким образом действуя как кислота. Эта адаптивная способность позволяет воде противодействовать резким изменениям pH, вызванным кислотными или щелочными веществами в организме, в процессе, называемом буферизацией. В конечном итоге это защищает белки и другие молекулы в клетке.

 

Рисунок 3: Вода действует как буфер, высвобождая или поглощая атомы водорода.

Вода необходима для любой жизни. Её универсальность и адаптируемость помогает проводить важные химические реакции. Никакая другая молекула не может сравниться с водой, с ее уникальными жизнеобеспечивающими свойствами. Интересно, что исследователи все еще выявляют новые свойства воды, такие как дополнительные преимущества ее асимметричной структуры. Ученым еще предстоит определить физиологические эффекты этих свойств. Удивительно, насколько простая молекула универсально важна для организмов с разными потребностями.

Оригинальная статья: https://sitn.hms.harvard.edu/uncategorized/2019/biological-roles-of-water-why-is-water-necessary-for-life/

Назад ко всем новостям

Водородная связь

Наиболее известный пример соединения с водородной связью-это вода. Поскольку атом кислорода более электроотрицателен, чем связанные с ним два атома водорода (см. табл. 2.2), он оттягивает связывающие электроны от атомов водорода. Как мы уже знаем, в результате образования такой полярной ковалентной связи возникает диполь*. Атом кислорода приобретает небольшой отрицательный заряд 5 — , а каждый атом водорода — небольшой положительный заряд 5+. Этот положительный заряд атома водорода притягивается к неподеленной паре электронов на атоме кислорода соседней молекулы воды (рис. 2.16). Возникающая сила притяжения между атомом водорода и электроотрицательным атомом называется водородной связью. Хотя водородная связь намного слабее ковалентной, она обусловливает целый ряд аномальных свойств воды (см. ниже).

Водородная связь чаще всего образуется с участием атомов таких элементов, как кислород, фтор и азот. Атомы этих элементов имеют высокую электроотрицательность и характеризуются малыми размерами. Водородная связь гораздо слабее с атомами большего размера, как, например, с хлором или серой, хотя по электроотрицательности эти элементы сравнимы с азотом (см. табл. 2.2).

Водородные связи, показанные на рис. 2.17, являются примерами межмолекулярных водородных связей; такие связи возникают между двумя молекулами. Однако водородная связь может осуществляться и внутри одной молекулы (рис. 2.18). Такая связь называется внутримолекулярной водородной связью. Она распространена не столь сильно, как межмолекулярная водородная связь.

* Существенной особенностью атома водорода является то, что при оттягивании связывающих электронов оголяется его ядро (не экранированный другими электронами протон), а это приводит к появлению большого диполя. Прим. перев.

Слабые и сильные водородные связи

В настоящее время существует мнение, что есть два типа водородных связей-слабые и сильные. Слабые и сильные водородные связи различаются по длине связи и по энергии связи:

Слабые водородные связи Сильные водородные связи

Все водородные связи, показанные на рис. 2.16-2.18, являются примерами слабой или обычной водородной связи. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что сильные водородные связи существуют в следующих ионах:

водороддифторид-ион [F—H—FJ-

гидратированный гидроксид-ион [НО—H—OH]-гидратированный ион оксония [h3O—H—Oh3] +

а также в некоторых органических и неорганических соединениях.

 

 

Оглавление:

Ковалентные неполярные и полярные связи — урок. Химия, 8–9 класс.

Общие электронные пары, образующиеся в простых веществах  h3,O2,Cl2,F2,N2, в одинаковой степени принадлежат обоим атомам. Такая ковалентная связь называется неполярной.

Ковалентная неполярная связь соединяет атомы в простых веществах-неметаллах.

Если ковалентная связь образуется между разными атомами, то общая электронная пара смещается к тому из них, который имеет более высокую электроотрицательность (ЭО). Он получает частичный отрицательный заряд. Атом, имеющий меньшую ЭО, становится заряжённым положительно. В этом случае образуется полярная ковалентная связь.

Ковалентная полярная связь образуется между атомами неметаллов в сложных веществах.

Рассмотрим образование ковалентных связей в сложных веществах.

 

1. Образование молекулы хлороводорода.

 

У атома водорода на внешнем уровне — один электрон. У хлора на внешнем уровне — семь электронов, один из которых неспаренный.

 

Образуется одна общая электронная пара, которая смещена к атому хлора. В результате

появляются частичные заряды: на атоме хлора — отрицательный, а на атоме водорода — положительный. Сдвиг электронной плотности принято обозначать греческой буквой дельта δ:

 

Рис. \(1\). Образование молекулы хлороводорода

 

Структурная формула хлороводорода H−Cl

 

Подобным образом соединяются атомы в молекулах других галогеноводородов:

 

H−F,H−Br,H−I.

 

2. Образование молекулы воды.

  

На внешнем уровне атома кислорода — шесть электронов, два из которых неспаренные.

 

Атом кислорода образует две общие электронные пары с двумя атомами водорода.

 

Электронная плотность этих общих пар сдвинута к более электроотрицательному кислороду. Атом кислорода имеет отрицательный заряд, а атомы водорода — положительный.

 

Рис. \(2\). Образование молекулы воды

 

Сходное строение имеет молекула сероводорода. Структурные формулы воды и сероводорода:

 

H−OH−S||HH

 

3. Образование молекулы аммиака.

  

У атома азота — пять внешних электронов, три из которых неспаренные.

 

Атом азота присоединяет к себе три атома водорода.

 

Азот — более электроотрицательный элемент, поэтому на его атоме будет отрицательный заряд, а на атомах водорода — положительные заряды.

 

Рис. \(3\). Образование молекулы аммиака

 

Структурная формула аммиака:

 

H−N−H|H

 

 

Для того чтобы определить знаки частичных зарядов на атомах в веществе, надо сравнить ЭО неметаллов.

Пример:

определим частичные заряды атомов в соединении CCl4.

 

Вспомним положение углерода и хлора в ряду ЭО:

По положению элементов в этом ряду видно, что более электроотрицательный элемент в этой паре — хлор. Его атом оттягивает к себе общие электронные пары от атома углерода. Значит, на атоме хлора будет частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода — частичный положительный:

 

 C+δCl4−δ.

Полярную ковалентную связь часто изображают стрелкой:  H→Cl.  Стрелка показывает направление смещения общей электронной плотности.

Источники:

Рис. 1. Образование молекулы хлороводорода © ЯКласс

Рис. 2. Образование молекулы воды © ЯКласс

Рис. 3. Образование молекулы аммиака © ЯКласс

Водородные связи — это… Что такое Водородные связи?

Водородные связи

Водородная связь между молекулами воды обозначена чёрными линиями. Красные линии обозначают ковалентную связь, которая удерживает вместе атомы кислорода (красный) и водорода (синий).

Водородная связь — разновидность невалентного взаимодействия между атомом водорода H, ковалентно связанным с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательным атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR’. Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-H•••BR различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли мостика, связывающего фрагменты RA и BR. Атом водорода, соединенный с атомом сильно электроотрицательного элемента, способен к образованию еще одной химической связи с другим сильно электроотрицательным атомом. Эта связь называется водородной. Возникновение водородной связи можно в первом приближении объяснить действием электростатических сил. Атом с большой электроотрицательностью, например, фтор в молекуле HF смещает на себя электронное облако, приобретая значительный эффективный отрицательный заряд, а ядро атома водорода (протон) почти лишается электронного облака и приобретает эффективный положительный заряд. Между протоном атома водорода и отрицательно заряженным атомом фтора соседней молекулы возникает электростатическое притяжение, что и приводит к образованию водородной связи. Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (не превышает 40 кДж/моль). Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, т.е. их объединение в димеры или полимеры. Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород, вода, аммиак. Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ как белки и нуклеиновые кислоты.

Факторы, влияющие на прочность водородной связи

Прочность водородной связи (энтальпия образования комплекса) зависит от полярности комплекса и колеблется от ~ 6 кДж/моль для комплексов молекул галогеноводородов с инертными газами до 160 кДж/моль для ион-молекулярных комплексов (AHB)^±; так, для комплекса (H₂O•H•OH₂)⁺ образованного H₂O и H₃O⁺ — 132 кДж/моль в газовой фазе.

Влияние водородной связи на физические свойства

Связь этого типа, хотя и слабее ионной и ковалентной связей, тем не менее играет очень важную роль во внутри- и межмолекулярных взаимодействиях. В частности, элементы вторичной структуры (например, α-спирали, β-складки) в молекулах белков стабилизированы водородными связями. Водородные связи во многом обуславливают физические свойства воды и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбоновых кислот, сложные эфиры). Аномально высокая теплоёмкость воды и многоатомных спиртов обеспечивается многочисленными водородными связями. Одна молекула воды может образовать до четырёх классических водородных связей с соседями (с учётом бифуркатных связей Н-связей до 5-6). Водородные связи повышают температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение жидкостей. Водородные связи ответственны за многие другие уникальные свойства воды.

Литература

• Химическая Энциклопедия. Советская Энциклопедия, М., 1988

Wikimedia Foundation. 2010.

• Водорез, или грен
• Водосборный бассейн

Полезное

Смотреть что такое «Водородные связи» в других словарях:

• Водородные связи — возникают, если водород связан с азотом, кислородом или фтором, в результате чего возникает особенно сильный дипольный момент (или просто диполь). Это происходит по двум причинам. Во первых, отмеченные атомы весьма электроотрицательны и… …   Начала современного естествознания

• третичные водородные связи — tertiary H bonds третичные водородные связи. Водородные связи, участвующие в формировании третичной структуры молекулы тРНК (ее вторичная структура типа клеверного листа поддерживается вторичными водородными связями). (Источник: «Англо русский… …   Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

• третичные водородные связи — Водородные связи, участвующие в формировании третичной структуры молекулы тРНК (ее вторичная структура типа «клеверного листа» поддерживается вторичными водородными связями). [Арефьев В.А., Лисовенко Л.А. Англо русский толковый словарь… …   Справочник технического переводчика

• Водородные бактерии —         Окислять молекулярный водород могут микроорганизмы, относящиеся к разным таксономическим группам. Среди них есть строгие анаэробы, факультативные анаэробы и облигатные аэробы. К анаэробным микроорганизмам, окисляющим Нг, принадлежат… …   Биологическая энциклопедия

• Водородные бактерии —         Бактерии, окисляющие водород и использующие образующуюся при этом энергию для усвоения углерода (см. Хемосинтез). Окисление протекает по следующей схеме: 2h3 + O2 = 2h3O + 138 кал. Все В. б. Аэробы, т. е. развиваются только в присутствии… …   Большая советская энциклопедия

• ГОСТ Р 54110-2010: Водородные генераторы на основе технологий переработки топлива. Часть 1. Безопасность — Терминология ГОСТ Р 54110 2010: Водородные генераторы на основе технологий переработки топлива. Часть 1. Безопасность оригинал документа: 3.37 авария (incident): Событие или цепочка событий, которые могут привести к ущербу. Определения термина из …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Водородная связь — Пример межмолекулярных водородных связей Водо …   Википедия

• ПОЛИМЕРЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ — (биополимеры) природные макромолекулы, играющие осн. роль в биол. процессах. К П. б. относятся белки, нуклеиновые кислоты (НК) и полисахариды. П. б. образуют структурную основу всех живых организмов; все процессы в клетке связаны с… …   Физическая энциклопедия

• водородная связь — Термин водородная связь Термин на английском hydrogen bond Синонимы Аббревиатуры H bond Связанные термины клатрат, когезия, протеомика, супрамолекулярная химия, нанодиапазон, межмолекулярное взаимодействие Определение притяжение между ковалентно… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

• Вода —         окись водорода, h30, простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом (11,19% водорода и 88,81% кислорода по массе), молекулярная масса 18,0160; бесцветная жидкость без запаха и вкуса (в толстых слоях… …   Большая советская энциклопедия

Алюминий дал возможность получать водород при комнатной температуре: Наука и техника: Lenta.ru

Американские ученые утверждают, что им удалось разработать метод получения водорода, основанный на взаимодействии молекул воды с алюминиевыми кластерами. Работа ученых опубликована в журнале Science. Коротко ее основные результаты описаны в пресс-релизе Университета Пенсильвании, сотрудники которого принимали участие в исследовании.

Авторы работы синтезировали из атомов алюминия кластеры различной геометрической структуры и изучали, как они взаимодействуют с молекулами воды. Некоторые из кластеров связывали молекулы воды так, что каждая молекула оказывалась между двумя группами атомов, одна из которых являлось кислотой, а другая — основанием Льюиса. Кислотой Льюиса называют соединение, которое может принять дополнительные электроны. Основание Льюиса является донором электронов.

Группа атомов алюминия, являющаяся кислотой Льюиса, «притягивает» кислород из воды, а основание Льюиса — водород. В результате связь между ними разрывается. Если аналогичный процесс произойдет с другой молекулой воды, то два атома водорода смогут объединиться в молекулу H₂.

Исследователи заявляют, что некоторые из синтезированных ими кластеров разлагают воду при комнатной температуре. Обычно этот процесс требует больших энергетических «вложений»: разложение воды на водород и кислород, например, происходит при пропускании через воду электрического тока (процесс, получивший название электролиза).

Однако новая технология пока не готова для внедрения в промышленность. На данном этапе после каждого акта расщепления молекулы воды на кластере остается ее «составная часть» — гидроксильная группа OH^—. Авторы намерены разработать процедуру «восстановления» алюминиевых кластеров для того, чтобы процесс расщепления шел непрерывно.

Поиском альтернативных методов получения больших количеств водорода занимаются многие ученые. Водород является перспективным топливом, которое может прийти на замену традиционному углеводородному.

чтений: ковалентные связи | Биология I

Другой способ выполнения правила октетов — это разделение электронов между атомами с образованием ковалентных связей . Эти связи более сильные и гораздо более распространенные, чем ионные связи в молекулах живых организмов. Ковалентные связи обычно встречаются в органических молекулах на основе углерода, таких как наша ДНК и белки. Ковалентные связи также встречаются в неорганических молекулах, таких как H ₂ O, CO ₂ и O ₂ .Одна, две или три пары электронов могут использоваться совместно, образуя одинарные, двойные и тройные связи соответственно. Чем больше ковалентных связей между двумя атомами, тем сильнее их связь. Таким образом, тройные связи являются наиболее прочными.

Сила разных уровней ковалентной связи является одной из основных причин, по которым живым организмам трудно получить азот для использования в построении своих молекул, даже несмотря на то, что молекулярный азот, N ₂ , является наиболее распространенным газом в атмосфере.Молекулярный азот состоит из двух атомов азота, тройно связанных друг с другом, и, как и во всех молекулах, совместное использование этих трех пар электронов между двумя атомами азота позволяет заполнить их внешние электронные оболочки, что делает молекулу более стабильной, чем индивидуальная. атомы азота. Эта сильная тройная связь мешает живым системам расщеплять этот азот, чтобы использовать его в качестве составных частей белков и ДНК.

Образование молекул воды является примером ковалентной связи.Атомы водорода и кислорода, которые объединяются в молекулы воды, связаны ковалентными связями. Электрон из водорода делит свое время между неполной внешней оболочкой атомов водорода и неполной внешней оболочкой атомов кислорода. Чтобы полностью заполнить внешнюю оболочку кислорода, которая имеет шесть электронов на внешней оболочке, но которая была бы более стабильной с восемью, необходимы два электрона (по одному от каждого атома водорода): отсюда известная формула H ₂ O. Электроны распределяются между двумя элементами, чтобы заполнить внешнюю оболочку каждого, что делает оба элемента более стабильными.

Просмотрите это короткое видео, чтобы увидеть анимацию ионного и ковалентного связывания.

Полярные ковалентные связи

Есть два типа ковалентных связей: полярные и неполярные. В полярной ковалентной связи , показанной на рисунке 1, электроны неравномерно распределены между атомами и больше притягиваются к одному ядру, чем к другому. Из-за неравномерного распределения электронов между атомами разных элементов развивается слегка положительный ( δ +) или слегка отрицательный ( δ -) заряд.Этот частичный заряд является важным свойством воды и объясняет многие ее характеристики.

Вода — полярная молекула, в которой атомы водорода приобретают частичный положительный заряд, а кислород — частичный отрицательный. Это происходит потому, что ядро ​​атома кислорода более привлекательно для электронов атомов водорода, чем ядро ​​водорода для электронов кислорода. Таким образом, кислород имеет более высокую электроотрицательность на , чем водород, и общие электроны проводят больше времени в непосредственной близости от ядра кислорода, чем возле ядра атомов водорода, придавая атомам кислорода и водорода слегка отрицательные и положительные заряды соответственно.Другими словами, вероятность нахождения общего электрона рядом с ядром кислорода более высока, чем его нахождение рядом с ядром водорода. В любом случае относительная электроотрицательность атома способствует развитию частичных зарядов всякий раз, когда один элемент значительно более электроотрицателен, чем другой, и заряды, генерируемые этими полярными связями, могут затем использоваться для образования водородных связей на основе притяжения противоположных частичных обвинения. (Водородные связи, которые подробно обсуждаются ниже, представляют собой слабые связи между слегка положительно заряженными атомами водорода и слегка отрицательно заряженными атомами в других молекулах.) Поскольку макромолекулы часто содержат атомы внутри них, которые различаются электроотрицательностью, полярные связи часто присутствуют в органических молекулах.

Неполярные ковалентные связи

Неполярные ковалентные связи образуются между двумя атомами одного и того же элемента или между разными элементами, которые в равной степени разделяют электроны. Например, молекулярный кислород (O ₂ ) неполярен, потому что электроны будут равномерно распределены между двумя атомами кислорода.

Другой пример неполярной ковалентной связи — метан (CH ₄ ), также показанный на рисунке 1.Углерод имеет четыре электрона во внешней оболочке, и для ее заполнения требуется еще четыре. Он получает эти четыре из четырех атомов водорода, каждый из которых обеспечивает по одному, образуя стабильную внешнюю оболочку из восьми электронов. Углерод и водород не обладают одинаковой электроотрицательностью, но похожи; таким образом, образуются неполярные связи. Каждому из атомов водорода нужен один электрон для их внешней оболочки, которая заполняется, когда она содержит два электрона. Эти элементы делят электроны поровну между атомами углерода и водорода, создавая неполярную ковалентную молекулу.

Рис. 1. Полярная или неполярная молекула зависит как от типа связи, так и от формы молекулы. И вода, и двуокись углерода имеют полярные ковалентные связи, но двуокись углерода линейна, поэтому частичные заряды молекулы компенсируют друг друга.

Посмотрите это видео, чтобы узнать еще одно объяснение ковалентных связей и того, как они образуются:

Какие связи между водородом и кислородом в молекуле воды? — Реабилитационная робототехника.нетто

Какие связи между водородом и кислородом в молекуле воды?

Прочные связи, называемые ковалентными связями, удерживают вместе атомы водорода (белый) и кислорода (красный) отдельных молекул h3O. Ковалентные связи возникают, когда два атома — в данном случае кислород и водород — обмениваются электронами друг с другом.

Какие типы связей образуются между атомами кислорода и водорода двух разных молекул воды quizlet?

Полярные ковалентные связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают легкие положительно и отрицательно заряженные концы молекулы.

Когда молекула воды образует водородную связь с другой молекулой воды, какие атомы участвуют во взаимодействии?

Когда молекула воды образует водородную связь с другой молекулой воды, задействованными атомами являются кислород одной молекулы и водород другой молекулы.

Что происходит, когда между молекулами воды образуются водородные связи?

Молекулы воды, образующие водородные связи друг с другом. Частичный отрицательный заряд O одной молекулы может образовывать водородную связь с частичным положительным зарядом атомов водорода других молекул.Молекулы воды также притягиваются к другим полярным молекулам и ионам.

Какие молекулы могут образовывать водородные связи с водой?

Водороды, присоединенные к маленьким, сильно электроотрицательным атомам, могут образовывать водородные связи. А именно N, O и F. В этом примере вода может связываться с любой группой, которая имеет электроотрицательный атом. Варианты b, c и d способны образовывать водородные связи с водой, поскольку все они содержат атомы O.

Что вызывает образование водородных связей в воде?

Водородная связь в воде возникает между атомом водорода одной молекулы воды и неподеленной парой электронов на атоме кислорода соседней молекулы воды.Водородная связь возникает только в молекулах, где водород ковалентно связан с одним из трех элементов: фтором, кислородом или азотом.

Что вызывает водородную связь?

Причина возникновения водородной связи заключается в том, что электрон распределяется неравномерно между атомом водорода и отрицательно заряженным атомом. В результате атом водорода несет слабый положительный заряд, поэтому он остается притянутым к атомам, которые все еще несут отрицательный заряд.

Почему водородная связь сильнее дипольной?

Re: H Связи прочнее, чем диполь-диполь. Поскольку N, O и F гораздо более электроотрицательны, чем водород, диполь сильнее, следовательно, и полярность сильнее.Когда полярность связи сильна, прочна и сама связь.

Почему водород представляет собой ковалентную связь?

Молекула водорода — простейшее вещество, имеющее ковалентную связь. Он образуется из двух атомов водорода, каждый с одним электроном на орбитали в 1 с. Оба атома водорода разделяют два электрона в ковалентной связи, и каждый приобретает гелиеподобную электронную конфигурацию.

Что определяет водородную связь?

Водородная связь, взаимодействие с участием атома водорода, расположенного между парой других атомов, имеющих высокое сродство к электронам; такая связь слабее, чем ионная или ковалентная, но сильнее, чем силы Ван-дер-Ваальса.

Может ли водород образовывать ковалентную связь?

Водород может участвовать как в ионном, так и в ковалентном связывании. Участвуя в ковалентной связи, водороду нужны только два электрона, чтобы иметь полную валентную оболочку. Поскольку для начала у него только один электрон, он может образовывать только одну связь.

Где водородная связь в ДНК?

Основания связаны водородными связями в парах оснований, так что аденин (A) в одной цепи противостоит тимину (T) в другой цепи, а гуанин (G) противостоит цитозину (C), так что одна цепь ДНК считается дополнять друг друга (Часть II, гл.

Как водородные связи работают в ДНК?

Водородная связь в ДНК Комплементарные пары оснований гуанина с цитозином и аденина с тимином соединяются друг с другом с помощью водородных связей. Эти водородные связи между комплементарными нуклеотидами — это то, что удерживает две цепи спирали ДНК вместе.

Водородные связи в ДНК сильные или слабые?

Водородные связи — это слабые, нековалентные взаимодействия, но большое количество водородных связей между комплементарными парами оснований в двойной спирали ДНК обеспечивает большую стабильность структуры.

Важна ли водородная связь для жизни?

Водородная связь играет важную роль во многих химических процессах. Водородная связь отвечает за уникальные способности воды к растворителям. Водородные связи удерживают вместе комплементарные нити ДНК, и они несут ответственность за определение трехмерной структуры свернутых белков, включая ферменты и антитела.

Какое значение имеет водородная связь для свойств воды?

Наличие водородных связей также делает молекулы воды более «липкими» или, говоря научным языком, связными и липкими.Небольшие заряды на молекулах воды позволяют им слипаться, поэтому вода имеет «кожу», по которой могут ходить маленькие насекомые, а также объясняет, почему вода так легко всасывается через соломинку.

Связи легче разорвать, одинарные или двойные?

Энергия, необходимая для разрыва двойной связи, составляет 614 Дж, а при разрыве одинарной связи — 349 Дж, таким образом, энергия разрыва двойной связи больше, чем одинарной связи, поэтому она сильнее, чем одинарная связь. Двойная связь ограничена вращением, в то время как одинарная связь вращается свободно, поэтому двойная связь сильнее.

Информация о качестве воды — Почему вода — самое «странное» соединение, известное человеку?

Топ 5 загрязнителей воды

Вода это не только важнейшее соединение человека, ключевой компонент кислорода, который мы дышать мягко говоря, но это также одно из самых странных соединений человека если смотреть с молекулярной точки зрения.

Вода полярен и содержит водородные связи между его молекулами, что делает он незаменим для жизни.Вода — уникальное химическое вещество. Мы не можем думать много об этом, но это абсолютно необходимо для нашей жизни и жизни на Наша планета. Для молекулы ее размера и простоты ее свойства почти чудо. Только понимание его молекулярной структуры может мы объясняем его уникальное поведение.

Дигидроген Окись — это систематическое название воды — монооксид дигидрогена, потому что каждая молекула состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода (H ₂ O).У атома кислорода шесть электронов во внешней оболочке, четыре из них. находятся в двух парах и два одиночных. Запасные электроны могут соединяться с единственный электрон в водороде, образующий две ковалентные связи. Есть четыре пары электронов вокруг атома кислорода, две из которых являются связями с атомами водорода, которые представляют собой просто электрон и протон. Четыре пары располагаются так, чтобы они находились как можно дальше друг от друга по возможности, который имеет четырехгранную форму.

Что о полярных молекулах? Таким образом, молекула воды имеет атом кислорода. с атомами водорода по обе стороны, но не в линию, они находятся на 107,5 угол градуса. На другой стороне атома кислорода расположены два неподеленных электрона. пары, которые делают эту сторону молекулы отрицательно заряженной. Водород атомы заряжены положительно из-за свойства, называемого электроотрицательностью.Это просто означает количество, которое атом притягивает к электронам. Кислород имеет электроотрицательность выше, чем у водорода, поэтому электроны притягиваются от атомов водорода, что делает их слегка положительными.

Что водородные связи имеют какое-либо отношение? Итак, молекула воды мала но вполне полярный. Вот что придает ему такие странные свойства. Воды молекулы образуют очень слабые связи друг с другом.Эти облигации называются водородные связи и являются результатом притяжения между положительными атомы водорода и отрицательные атомы кислорода соседней молекулы. Это означает, что вода при комнатной температуре находится в жидком состоянии, в то время как другие аналогичные размерные молекулы являются газом при той же температуре. Водородные связи держатся вода вместе больше.

Опасные загрязнители воды

Вода…а Полярный растворитель? Еще одно важное свойство воды — ее способность растворять многие другие химические вещества. Когда ионное твердое вещество, такое как соль или сульфат меди помещен в воду, на поверхности есть как положительные, так и отрицательные ионы твердого тела. В соли, например, есть положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлорида. Молекулы воды, близкие к твердой поверхности притягиваются к ионам.Отрицательные атомы кислорода окружают положительные ионы натрия и переводят их из твердого вещества в раствор; положительный атомы водорода делают то же самое с ионами хлора.

Почему лед плавает? Последнее интересное свойство, с которым мы будем иметь дело. в этой статье идет речь о том, что лед плавает. Этого не должно происходить, потому что обычно когда жидкость становится твердой, твердое вещество более плотное, чем жидкость, и тонет.Во льду этого не происходит из-за водородных связей. В в жидкости водородные связи образуются и постоянно разрываются. Во льду, однако молекулы воды образуют регулярную структуру на основе водорода ионы, и они держатся немного дальше друг от друга, чем это было в случае в жидкости. Это делает лед менее плотным и плавным. Один интересный результат этой собственности можно увидеть в прудах и озерах.Лед образуется на поверхности и самая плотная вода на дне пруда — 4 градуса по Цельсию, поэтому рыбы и другие водные обитатели не замерзают насмерть. Эти свойства воды делают его таким полезным для жизни. Нам нужна вода, чтобы в комнате была жидкость температура, потому что многие системы организма основаны на воде. Нам нужно вода должна быть полярным растворителем, так что важные питательные вещества, которые нам нужны, могут раствориться в нем.

Ковалентная связь — обзор

1 Введение

Координационные соединения нашли свое применение задолго до создания координационной химии. Ярко-красные ализариновые красители применялись еще до пятнадцатого века. Этот ярко-красный краситель, теперь характеризуемый как хелатный комплекс гидроксиантрахинона с ионами металлов кальция и алюминия, показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура ализаринового красителя.

Позже, в шестнадцатом веке, образование хорошо известного члена сегодняшнего семейства координационной химии, тетраамминумерального иона [Cu (NH ₃ ) ₄ ] ⁺² , было зарегистрировано при контакте латунного сплава. и хлорид аммония.Добавление берлинского голубого Fe ₄ [Fe (CN) ₆ ] ₃ · x H ₂ O увеличило использование координационных соединений в красителях и пигментах. Комплекс платины K ₂ [PtCl ₆ ] предложил приложение для очистки металлической платины. Таким образом, до структурирования координационной химии координационные соединения, комплексы и хелаты нашли свое применение.

Систематическое исследование структуры и связей в координационной химии началось с любознательности Тассарта (1798), которое было расширено выдающимися химиками, такими как Вильгельм Бломстранд, Йоргенсен и Альфред Вернер [1], до конца девятнадцатого века.В результате координационная теория Вернера (1893 г.) стала основой современной координационной химии. Стоит отметить, что электрон был открыт после теории Вернера.

Связывание в таких соединениях, как CoCl ₃ и NH ₃ , было легко понять и объяснить, и, следовательно, такие соединения считались простыми соединениями. Например, формальное окисление кобальта +3 в хлориде кобальта уравновешивается тремя одноотрицательными ионами хлорида, и сосуществование этих ионных фрагментов с образованием молекулы становится понятным и объясненным.Точно так же валентная оболочка ( n = 2) азота (N = 7) содержит пять электронов и четыре орбитали (2s, 2p _x , 2p _y и 2p _z ). Сохранение пары электронов на одной из этих орбиталей, в то время как остальные три остаются заполненными наполовину, также можно объяснить возможностью для трех атомов водорода внести по одному электрону каждый для образования ковалентной связи с азотом. Таким образом, молекула аммиака имеет три ковалентные связи NH и одну неподеленную пару электронов над атомом азота.Здесь стоит отметить, что все валентности всех атомов в обеих молекулах полностью удовлетворены, и, следовательно, больше нет возможности связывания.

«Сложная» ситуация возникает, когда становится известно, что молекула CoCl ₃ может включать шесть молекул аммиака, в результате чего образуется третья независимая сущность. Эта ситуация была полностью понята и объяснена с помощью теории координации Вернера, за которой последовало определение объекта как «сложного».

1.1 Определения

Координационные соединения — это соединения, содержащие одну или несколько координационных ковалентных связей.

Координатные ковалентные связи — это ковалентные связи, в которых оба связывающих электрона вносятся одним из партнеров по связи. На рисунке 2 ковалентные связи отличаются от координационных ковалентных связей в NH ₃ BF ₃ . В то время как три ковалентные связи BF образуются из-за совместного использования электронных пар в результате вкладов как атомов бора, так и атомов фтора, связь NB ​​образуется из-за передачи неподеленной пары электронов из азота на пустые орбитали бора.Координатная ковалентная связь показана стрелкой с головкой, указывающей в направлении передачи пары электронов, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Связывание в NH ₃ BF ₃ .

Комплекс представляет собой молекулу / ион, содержащую центральный атом / ион металла, окруженный определенным числом лигандов, удерживаемых вторичными валентностями или координационными ковалентными связями.

Первичная валентность относится к заряду над ионом металла e.грамм. Co (III) имеет заряд +3, который можно уравновесить -3 зарядообразующими соединениями, такими как CoCl ₃ . Первичная валентность является ионной и выполняется во второй координационной сфере, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Первая и вторая координационные сферы в [Co (NH ₃ ) ₆ ] Cl ₃ .

Вторичная валентность — это количество пустых валентных орбиталей, как показано на рисунке для [Co (NH ₃ ) ₆ ] Cl ₃ .Ион Co (III) имеет шесть пустых валентных орбиталей. Следовательно, его вторичная валентность равна шести. Вторичная валентность — это координатная ковалентная валентность, и она выполняется в первой координационной сфере иона металла, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Вторичная валентность Co (III) в [Co (NH ₃ ) ₆ ] Класс ₃ .

Координационное число — это свойство иона металла, представляющее общее количество донорных атомов, непосредственно связанных с центральным атомом.В приведенном выше случае координационное число Co (III) равно шести, поскольку шесть донорных атомов азота напрямую связаны с центральным ионом металла (кобальтом (III)).

Лиганд представляет собой любой атом, ион или нейтральную молекулу, способную отдавать электронную пару и связанную с центральным ионом или атомом металла посредством вторичной валентности.

Зубчатый знак — это свойство лиганда, представляющего ряд координирующих атомов.

В случае [Co (NH ₃ ) ₆ ] Cl ₃ , аммиак, NH ₃ , лиганд содержит один донорный атом (N).Следовательно, его зубчатый характер является единым и классифицируется как монодентатный лиганд. Точно так же хлор (Cl ^—) представляет собой анионный, одноатомный и монодентатный лиганд, а гидроксо (OH ^—) представляет собой двухатомный, монодентатный и анионный лиганд. Aquo (OH ₂ ) представляет собой нейтральный трехатомный монодентатный лиганд. Несколько популярных лигандов и их характеристики показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Структуры и характеристики нескольких важных лигандов.

Из-за более высокой зубчатости лигандов иногда также образуются различные комплексы, известные как хелаты. Хелат — это соединение, образующееся, когда полидентатный лиганд использует более одного из своих координирующих атомов для образования замкнутой кольцевой структуры, которая включает центральный ион металла. Известно, что пяти- и шестичленные кольца придают хелатам дополнительную стабильность. Процесс образования хелатов известен как хелатирование. Полидентатный лиганд, участвующий в образовании хелата, также известен как хелатирующий лиганд. Хелаты обычно обладают более высокой стабильностью, чем аналогичные комплексы.

Полидентатный лиганд может быть присоединен к центральному иону металла через функциональные группы более чем одного типа.Таким образом, количество и вид связей, с помощью которых ион металла присоединяется к лигандам, могут стать критерием для классификации хелатов. Ковалентные связи образуются за счет замены одного или нескольких H-атомов, в то время как координационные ковалентные связи образуются за счет передачи электронной пары от лигандов. Некоторые хелаты, включающие множество полидентатных лигандов и связей, показаны на фиг. 6. Координатные ковалентные связи показаны тонкими нитевидными связями.

Рисунок 6.Структуры и характеристики некоторых хелатов.

Полиядерный комплекс представляет собой комплекс с более чем одним атомом / ионом металла. Эти ионы металлов иногда соединяются мостиковыми связями через соответствующие лиганды, что приводит к образованию мостиковых полиядерных комплексов.

Может ли квантовое перетягивание каната объяснить странности воды?

Международная группа исследователей впервые использовала высокоскоростную электронную камеру для наблюдения за движением атомов жидкой воды.

Эти наблюдения, которые раскрывают квантовую природу взаимодействия атомов водорода, на один шаг приближают ученых к пониманию странных и дурацких свойств воды, таких как ее необычно высокое поверхностное натяжение, большая способность накапливать тепло и то, как она является самой плотной. чуть выше точки замерзания (вместо того, чтобы становиться плотнее по мере того, как становится холоднее, как у других жидкостей).

Результаты опубликованы в Nature .

Водородные связи: атомы водорода имеют небольшой положительный заряд, притягивая их к слегка отрицательно заряженным атомам кислорода в воде.Предоставлено: Hkontro / Wikimedia Commons.

«Хотя предполагалось, что этот так называемый ядерный квантовый эффект лежит в основе многих странных свойств воды, в этом эксперименте впервые его наблюдали напрямую», — говорит соавтор исследования Андерс Нильссон, профессор. химической физики в Стокгольмском университете.

«Вопрос в том, может ли этот квантовый эффект быть недостающим звеном в теоретических моделях, описывающих аномальные свойства воды».

Как вы, возможно, помните из школьной науки, молекула воды состоит из одного атома кислорода (O) и двух атомов водорода (H).Именно взаимодействия между различными молекулами H ₂ O — внутримолекулярные силы, называемые «водородными связями» — придают воде ее странные свойства. Положительно заряженные атомы водорода в одной молекуле притягиваются к более отрицательно заряженным атомам кислорода в другой. Эта сеть водородных связей удерживает вместе группы молекул воды.

Наблюдение за этими водородными связями является ключом к пониманию того, как молекулы воды взаимодействуют со своими соседями, но это трудный процесс, потому что водородные связи небольшие и эфемерные.

«В течение долгого времени исследователи пытались понять сеть водородных связей, используя методы спектроскопии», — объясняет Цзе Ян, профессор Университета Цинхуа в Китае, который руководил исследованием. «Прелесть этого эксперимента в том, что мы впервые смогли напрямую наблюдать, как движутся эти молекулы».

Янг использовал высокоскоростную электронную камеру для фиксации этих неуловимых связей.

Для начала команда создала микроскопически тонкую струю жидкой воды (в 1000 раз тоньше ширины человеческого волоса) и использовала инфракрасный лазерный свет, чтобы заставить молекулы воды вибрировать.Затем они рассеивали электроны на молекулах, чтобы получить снимки движения молекул с высоким разрешением. Это позволило им создать покадровый фильм о том, как молекулы реагируют на свет.

---

Подробнее: Внимательно наблюдайте — молекулы в движении

---

Так что же он показал?

Когда молекула воды начала вибрировать, ее атом водорода притягивал атомы кислорода к соседней молекуле ближе, а затем снова отталкивал их, чтобы расширить пространство между молекулами.

Соавтор Келли Гаффни из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США объясняет, что это квантово-волновое поведение, вероятно, усиленное низкой массой атомов водорода.

«Это исследование является первым, которое напрямую демонстрирует, что реакция сети водородных связей на импульс энергии критически зависит от квантово-механической природы того, как атомы водорода расположены на расстоянии друг от друга, что долгое время считалось причиной уникального атрибуты воды и ее сети водородных связей », — говорит Гаффни.

Эти свойства являются ключевыми для многих химических и биологических процессов, поэтому лучшее их понимание может помочь нам лучше понять происхождение и выживание жизни на Земле, — заключает группа.

Водородные связи: зачем жизни вода

Вода есть повсюду на нашей планете. В воздухе, в наших телах, в пище и в дыхании. Без этого жизнь, которую мы знаем, была бы невозможна. Вода жизненно важна для выживания всех живых существ, но как молекула она ведет себя довольно странно.Молекулы воды прилипают друг к другу, образуя «кожу» на прудах и каплях. Твердая форма плавает на жидкой форме. При комнатной температуре вода является жидкостью, тогда как большинство тесно связанных с ней молекул — газы.

Почему у воды так много странных и чудесных свойств? Что такого особенного в этой крошечной и безобидной молекуле, что делает ее такой важной для жизни?

Чтобы ответить, вы должны взглянуть на реальную структуру молекулы, исследуя мир, намного меньший, чем обычно идет микробиология.Свойства воды определяются силами, удерживающими ее вместе.

На приведенной выше диаграмме показана молекула воды h3O. Два атома водорода, присоединенные к одной молекуле кислорода, обмениваются электронами между собой, образуя связи. Но красные линии, которые я использовал, чтобы показать облигации, скрывают гораздо более сложную историю. Это может быть связь, но это не совсем то же самое, потому что, хотя oxgyen — хорошая молекула разумного размера, с восемью электронами, окружающими каждый атом, водород — это крошечный .У него всего один электрон!

Итак, когда кислород и водород образуют связь, это не равные отношения. Бедный маленький электрон водорода не может быть частью связи, а также должным образом окружать ядро ​​водорода (квант действительно помогает, но недостаточно). В результате атом кислорода хорошо покрывается окружающими электронами, в то время как атом водорода практически обнажен с одной стороны.

Маленькие «дельта-плюс» и «дельта-минус» внизу показывают, что по облигации генерируется небольшой заряд.Он всего лишь маленький, но все же достаточно большой, чтобы у водорода был небольшой положительный центр. Положительные центры имеют тенденцию притягивать отрицательный заряд. А где отрицательные заряды в h3O?

Эта небольшая сила притяжения называется водородной связью, и хотя она довольно слабая по сравнению с другими связями, она достаточно сильна, чтобы иметь существенное значение. Например до температуры кипения. Эти дополнительные силы, удерживающие молекулы воды вместе, означают, что вода остается жидкой при комнатной температуре, тогда как другие очень похожие молекулы, которые не образуют водородных связей, являются газообразными.Вот почему жизнь на Земле основана на воде, а не, скажем, на сероводороде. Эти водородные связи также влияют на твердую структуру воды — связи становятся более жесткими по мере замерзания воды, что придает льду более открытую и менее плотную общую структуру. Эти свойства объясняют, почему лед плавает по воде и как золотая рыбка может выжить на дне замерзшего пруда зимой.

Наличие водородных связей также делает молекулы воды более «липкими» или, говоря научным языком, связными и липкими.Небольшие заряды на молекулах воды позволяют им слипаться, поэтому вода имеет «кожу», по которой могут ходить маленькие насекомые, а также объясняет, почему воду так легко всасывает соломинка. Это не просто соломка, растения поднимают воду от корней к верхушкам самых высоких листьев без каких-либо насосных механизмов. Они полагаются на способность воды образовывать тонкую непрерывную трубку по всей длине ствола.

Водородные связи — отличный пример того, почему я так люблю «химию» в биохимии.Из крошечного мира ядра и принципов межклеточных сил можно построить свойства более крупных и сложных организмов. Из крошечного ядра водорода с низким содержанием электрода мы получаем объяснение, как растения получают воду к листьям и как рыбы выживают в течение зимы. Я нахожу это потрясающим!

Заключительный обзор гл. 17 карточек

Срок Как поверхностное натяжение воды сравнивается с поверхностным натяжением большинства других жидкостей?	Определение
Термин Какова форма молекулы воды?	Определение
Термин Какой атом в молекуле воды имеет наибольшую электроотрицательность?	Определение
Термин Связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды равны ___.	Определение
Срок Что непосредственно отвечает за высокую температуру кипения воды?	Определение
Термин Что такое термин для растворяющей среды в растворе?	Определение
Условие Раствор — это смесь, имеющая ____.	Определение одинаковые свойства во всем.
Термин Сколько водородных связей может быть образовано между одним атомом водорода в молекуле воды и атомами кислорода окружающих молекул воды?	Определение
Член Сколько несвязывающих пар электронов находится в молекуле воды?	Определение
Термин Связи между соседними молекулами воды называются ____.	Определение
Условие Какое из следующих веществ наиболее растворимо в воде? хлорид натрия, метан, бром, кислород, углерод	Определение
Срок Что происходит при сольватации?	Определение молекулы растворителя окружают растворенные ионы
Срок Что из следующего является слабыми электолитами в воде? а.малорастворимые ионные соединения b. растворимые ионные соединения c. полярные соединения, которые ионизируют d. неполярные соединения, не ионизирующие	Определение а. малорастворимые ионные соединения
Срок Электрический ток проводится ___.	Определение
Условие Гидратированный кристалл, давление водяного пара которого выше, чем давление водяного пара воздуха, __.	Определение
Термин Кристалл, который поглощает давление водяного пара из воздуха, а затем растворяется в воде, называется da __.	Определение
Срок Какой тип смеси характеризуется осаждением частиц?	Определение
Условие Какой тип смеси можно фильтровать для удаления растворенного вещества?	Определение
Срок действия Растворенное вещество в коллоидной суспензии обозначается ___.	Определение
Срок Что такое тиндальный эффект?	Определение Рассеяние света через суспензию или коллоид.
Срок К какому типу смеси относится эмульсия? (суспензия, коллоид, раствор)	Определение
Условие Эмульсия — это коллоидная дисперсия ___.	Определение
Срок Какая из следующих смесей НЕ является коллоидом? а. туман б. молоко гр. краска г. сахарная вода	Определение
Условие Эмульгирующий агент обычно характеризуется наличием ______.	Определение один полярный конец и один неполярный конец.
Условие Верно или неверно: частицы можно отфильтровать из суспензии. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника