З чого складається вода: з яких молекул та атомів. Велика енциклопедія нафти та газу

У молекулі води головною дійовою особою є атом кисню.

Оскільки атоми водню один від одного помітно відштовхуються, кут між хімічними зв'язками (лініями, що з'єднують ядра атомів) водень - кисень не прямий (90 °), а трохи більше - 104,5 °.

Хімічні зв'язки у молекулі води – полярні, оскільки кисень підтягує себе негативно заряджені електрони, а водень - позитивно заряджені електрони. Через війну поблизу атома кисню накопичується надлишковий негативний заряд, а й у атомів водню - позитивний.

Тому вся молекула води є диполем, тобто молекулою з двома різноїменними полюсами. Дипольна структура молекули води багато в чому визначає її незвичайні властивості.

Молекула води – це діамагнетик.

Якщо з'єднати прямими лініями епіцентри позитивних та негативних зарядів вийде об'ємна геометрична фігура – ​​тетраедр. Така будова самої молекули води.

При зміні стану молекули води довжина сторін та кут між ними змінюються у тетраедрі.

Наприклад, якщо молекула води перебуває у пароподібному стані, то кут, утворений її сторонами, дорівнює 104°27". У водному стані кут становить 105°03". І в стані льоду кут дорівнює 109,5 °.

Геометрія та розміри молекули води для різних станів
а - для пароподібного стану
б - для нижчого коливального рівня
- для рівня, близького до утворення кристала льоду, коли геометрія молекули води відповідає геометрії двох єгипетських трикутників із співвідношенням сторін 3: 4: 5
г – для стану льоду.

Якщо розділити навпіл ці кути, то отримаємо кути:
104 ° 27 ": 2 = 52 ° 13",
105 ° 03 ": 2 = 52 ° 31",
106 ° 16 ": 2 = 53 ° 08",
109,5 °: 2 = 54 ° 32 ".

Отже, серед геометричних малюнків молекули води та льоду знаходиться знаменитий єгипетський трикутник, в основу побудови якого закладено співвідношення золотої пропорції – довжини сторін відносяться як 3:4:5 з кутом 53°08”.

Молекула води набуває будови золотої пропорції на шляху, коли вода переходить у лід, і навпаки, коли лід тане. Очевидно, за цей стан цінується тала вода, коли її структура в побудові має пропорції золотого перерізу.

Тепер стає зрозумілим, що знаменитий єгипетський трикутник із співвідношенням сторін 3:4:5 "взято" з одного зі станів молекули води. Сама геометрія молекули води утворена двома єгипетськими прямокутними трикутниками, мають загальний катет рівний 3.

Молекула води, що має в основі співвідношення золотої пропорції, є фізичним проявом Божественної Природи, яка бере участь у створенні життя. Саме тому в земній природі закладена та гармонія, яка притаманна всьому космосу.

І тому древні єгиптяни обожнювали числа 3, 4, 5, а сам трикутник вважали за священне і намагалися закласти його властивості, його гармонію в будь-яку конструкцію, будинки, піраміди і навіть у розмітку полів. До речі, українські хати зводилися також із застосуванням співвідношення золотої пропорції.

У просторі молекула води займає деякий об'єм і покрита електронною оболонкою у вигляді вуалі. Якщо уявити вигляд гіпотетичної моделі молекули в площині, то вона схожа на крила метелика, на Х-подібну хромосому, в якій записано програму життя живої істоти. І це є показовим фактом того, що сама вода – це обов'язковий елемент всього живого.

Якщо уявити вид гіпотетичної моделі молекули води обсягом, вона передає форму трикутної піраміди, яка має 4 грані, а в кожної грані по 3 ребра. У геометрії трикутна піраміда називається тетраедром. Така будова властива кристалам.

Таким чином, молекула води утворює міцну кутову структуру, яку вона зберігає навіть, коли знаходиться в пароподібному стані, на межі переходу на кригу, і коли перетворюється на кригу.

Якщо "скелет" молекули води такий стійкий, то і його енергетична "піраміда" - тетраедр теж стоїть непохитно.

Такі структурні властивості молекули води у різних умовах пояснюються міцними зв'язками між двома атомами водню та одним атомом кисню. Цей зв'язок приблизно в 25 разів сильніший, ніж зв'язок між сусідніми молекулами води. Тому легше відокремити одну молекулу води від іншої, наприклад, при нагріванні, ніж зруйнувати саму молекулу води.

За рахунок орієнтаційних, індукційних, дисперсійних взаємодій (сил Ван-дер-Ваальса) та водневих зв'язків між атомами водню та кисню сусідніх молекул молекули води здатні утворювати як випадкові асоціати, тобто. які мають упорядкованої структури, і кластери – асоціати, мають певну структуру.

Згідно зі статистичними даними, у звичайній воді знаходиться випадкових асоціатів – 60% (деструктурована вода) та кластерів – 40% (структурована вода).

В результаті досліджень, проведених російським ученим С. В. Зеніним, були виявлені стабільні довготривалі кластери води.

Зенін встановив, що молекули води спочатку утворюють додекаедр. Чотири додекаедри з'єднуючись, утворює основний структурний елемент води - кластер, що складається з 57 молекул води.

У кластері додекаедри мають спільні грані, які центри утворюють правильний тетраедр. Це об'ємна сполука молекул води, у тому числі гексамерів, яка має позитивні та негативні полюси.

Водневі містки дозволяють молекулам води об'єднуватися різними способами. Завдяки цьому у воді спостерігається нескінченна різноманітність кластерів.

Кластери можуть взаємодіяти один з одним за рахунок вільних водневих зв'язків, що призводить до появи структур другого порядку у вигляді шестигранників. Вони складаються з 912 молекул води, які практично не здатні до взаємодії. Час існування такої структури дуже великий.

Цю структуру, схожу на маленький гострий кристал льоду з 6 ромбічних граней, С.В. Зенін назвав "основним структурним елементом води". Численні експерименти підтвердили; у воді - міріади таких кристаликів.

Ці кристали льоду майже не взаємодіють один з одним, тому не утворюють складніших стійких конструкцій і легко ковзають гранями щодо один одного, створюючи плинність. У цьому сенсі вода нагадує переохолоджений розчин, який не може кристалізуватися.

Вода — головна складова всього живого Землі. Вона є і довкіллям організмів, і головним елементом в їх будові, а, отже, і джерелом життя. Її застосовують у промисловості всіх напрямів. Тому уявити життя з відсутністю води дуже непросто.

Що входить до складу води

Всі чудово обізнані про те, що вода складається з водню та кисню. Це дійсно так. Але крім цих двох елементів вода у своєму складі має ще величезний перелік хімічних компонентів.

З чого складається вода?

Їй властиво перетворюватися, проходячи при цьому гідрологічний цикл: випаровування, конденсацію та випадання у вигляді опадів. У процесі перебігу цих явищ вода стикається з безліччю сполук органічної природи, з металами, газами, у результаті рідина доповнюється різними елементами.

Елементи, що входять до складу води, поділяються на 6 категорій:

1. Іони. До них відносяться: катіони Na, K, Mg, Ca, аніони: Cl, HCO 3 та SO 4. Ці компоненти знаходяться у воді у найбільшій, порівняно з іншими, кількості. У рідину вони надходять із ґрунтових шарів, природних мінералів, гірських порід, а також як елементи розпаду продуктів промислової діяльності.
2. Розчинені гази: кисень, азот, сірководень, вуглекислий газ та інші. Кількість кожного газу у воді залежить від її температури.
3. Біогенні елементи Головними з них є фосфор та азот, які надходять у рідину з опадів, стічних та сільськогосподарських вод.
4. Мікроелементи. Їх налічується близько 30 видів. Показники їх у складі води дуже малі та коливаються від 0,1 до мікрограма на 1 літр. До них відносяться: бром, селен, мідь, цинк тощо.
5. Органічні речовини, розчинені у воді, та азотовмісні речовини. Це спирти, вуглеводи, альдегіди, феноли, пептиди та інше.
6. Токсини. Це переважно важкі метали та продукти нафтопереробки.

Молекула води

Отже, із яких молекул складається вода?

Формула води тривіальна - Н 2 О. І вона показує, що молекула води складається з атомів водню та кисню. Між ними встановлений стійкий зв'язок.

Як виглядає молекула води у просторі? Щоб визначити форму молекули, з'єднують прямими лініями центри атомів, у результаті вимальовується об'ємна фігура - тетраедр. Така будова води.

Форма молекули води здатна змінюватись в залежності від її агрегатного стану. Для газоподібного стану характерний кут між атомами кисню і водню 104,27 про, для твердого стану - 109,5 про, для рідкого - 105,03 про.

Ті молекули, з яких складається вода, займають певний обсяг у просторі, при цьому їх оболонки покриті електронною хмарою у вигляді вуалі. Вигляд водної молекули, розглянутої в площині, порівнюють з Х-подібною хромосомою, яка служить передачі генетичної інформації, а, отже, дає початок нового життя. Від такої форми проводиться аналогія хромосоми та води як джерел життя.

У просторі молекула виглядає як об'ємний трикутник, тетраедр. Така форма є дуже стійкою та змінюється лише через вплив на воду зовнішніх фізичних факторів.

З чого складається вода? З тих атомів, які схильні до впливу Ван-дер-Ваальсових сил, утворенню водневих зв'язків. У зв'язку з цим між киснем та воднем сусідніх молекул утворюються випадкові асоціати та кластери. Перші – це невпорядковані структури, другі – впорядковані асоціати.

У звичному стані води кількість асоціатів становить 60%, кластерів – 40%.

Між сусідніми водними молекулами можливі утворення водневих містків, які сприяють утворенню різних структур – кластерів.

Кластери здатні взаємодіяти між собою у вигляді водневих зв'язків, а це призводить до появи структур нового порядку – шестигранників.

Електронна будова молекули води

Атоми - це те, із чого складається вода, і кожен атом має свою електронну будову. Так, графічна формула електронних рівнів виглядає так: 8 Про 1s 2 2s 2 2p 4 1 Н 1s 1 .

Коли відбувається процес формування молекули води, відбувається перекриття електронних хмар: два неспарені електрони кисню перекриваються з 1 неспареним електроном водню. В результаті перекривання утворюється кут між атомами 104 о.

Агрегатний стан води

Як уже говорилося, молекули води - це диполі, і даний факт впливає на незвичайні. Однією з таких властивостей є те, що вода може бути в природі в трьох агрегатних станах: рідкому, твердому та пароподібному.

Перехід від одного стану до іншого обумовлений такими процесами:

1. Кипіння – з рідини в пару.
2. Конденсація - перехід їхньої пари в рідину (опади).
3. Кристалізація - коли рідина перетворюється на лід.
4. Плавлення - процес танення льоду та отримання рідини.
5. Сублімація - перетворення льоду на пароподібний стан.
6. Десублімація – зворотна реакція сублімації, тобто перехід пари в лід.

Від стану води залежить і будова її молекулярних ґрат.

Висновок

Таким чином, можна сказати, що вода - це з простою будовою, яка може змінюватись в залежності від її стану. І нам стало зрозуміло, із яких молекул складається вода.

Вода в нашому житті - найпоширеніша і звичайнісінька речовина. Людський організм складається з води на 70%, і навколишнє природне середовище теж містить 70% води.

Зі шкільних підручників знаємо, що молекула води складається з атома кисню і двох атомів водню, тобто. одна з найменших та найлегших молекул. За всієї буденності і очевидності нам властивостей води, які ми постійно використовуємо, існують парадокси рідкої води, що визначають навіть форми життя Землі.

Рідка вода має щільність більшу, ніж щільність льоду. Тому замерзання обсяг льоду збільшується, лід плаває лежить на поверхні води.

Щільність води максимальна при 4 про, а не в точці плавлення, зменшується і праворуч, і зліва від цієї температури.

В'язкість води зменшується із підвищенням тиску.

Температура кипіння води знаходиться поза загальною залежністю температури кипіння від молекулярної маси речовин (рис.1.1). Інакше вона повинна бути не вищою за 60 про С.

Теплоємність води як мінімум удвічі вища, ніж у будь-якої іншої рідини.

Теплота пароутворення (~ 2250 кДж/кг) як мінімум втричі вище, ніж у будь-якої іншої рідини, у 8 разів більше, ніж у етанолу.

Розглянемо цю останню властивість води. Теплота випаровування – це енергія, необхідна розриву зв'язків між молекулами під час переходу їх із конденсованої фази в газоподібну. Отже, причина всіх парадоксальних властивостей – у природі міжмолекулярних зв'язків води, але це, своєю чергою, визначається структурою молекули води.

Рис.1.1. Область співвідношень молекулярної маси різних сполук та його температури кипіння.

1. Яка вона – молекула води?

У 1780р. Лавуазьє експериментально встановив, що вода складається з кисню та водню, що два обсяги водню взаємодіють з одним обсягом кисню і що відношення мас водню та кисню у воді становить 2:16. До 1840 стало ясно, що молекулярна формула води Н 2 О.

Три ядра в молекулі утворюють рівнобедрений трикутник із двома протонами в основі (рис.1.2). Електронна формула молекули води [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].

Рис.1.2.Освіта системи сполучних м.о. з 2р-орбіталей атома кисню та 1s-орбіталей атома кисню та 1s-орбіталі атомів водню

За рахунок участі двох електронів водню 1sв зв'язку з двома електронами 2р кисню виникаєspгібридизація і утворюються гібридніsp 3 орбіталі з характерним кутом між ними в 104,5 про, а також два полюси протилежних зарядів. Довжина зв'язку О-Н дорівнює 0,95 Å (0,095 нм), відстань між протонами - 1,54 Å (0,154 нм). На рис.1.3 представлено електронну модель молекули води.

Рис.1.3. Електронна модель молекули Н 2 О.

Вісім електронів попарно обертаються за чотирма орбіталями, розташованими в трьох площинах (кути 90 о ), що вписуються в куб. 1, 2 – неподілені пари електронів.

Найголовніше наслідок цього розгляду: несиметричність розподілу зарядів перетворює молекулу Н 2 Про диполь: на двох позитивних кінцях розміщені протони, на двох негативних – неподілені пари р-електронів кисню.

Таким чином, молекулу води можна розглядати як трикутну піраміду – тетраедр, по кутах якого розміщені чотири заряди – два позитивні та два негативні.

Ці заряди формують своє найближче оточення, розгортаючи сусідні молекули води строго певним чином – отже, між двома атомами кисню завжди є лише одне атом водню. Найпростіше таку міжмолекулярну структуру уявити та вивчати на воді у твердому стані. На рис.1.4 представлено структуру льоду.

Рис. 1.4. Гексагональна структура льоду

Структура скріплена з допомогою зв'язків О-Н…О. Така сполука двох атомів кисню сусідніх молекул води за посередництва одного водневого атома називається водневим зв'язком.

Водневий зв'язок виникає з таких причин:

1 - у протона всього один електрон, тому електронне відштовхування двох атомів мінімальне. Протон просто поринає в електронну оболонку сусіднього атома, скорочуючи відстань між атомами на 20-30% (до 1 Å);

2 – сусідній атом повинен мати більшу величину електронегативності. В умовних величинах (по Полінгу) електронегативність F-4,0; Про - 3,5; N - 3,0; Cl - 3,0; C - 2,5; S - 2,5.

Молекула води може мати чотири водневі зв'язки, у двох вона виступає як донор електрона, у двох – як акцептор електрона. І ці зв'язки можуть виникати як з сусідніми молекулами води, так і з іншими речовинами.

Отже, дипольний момент, кут Н-О-Н і водневий зв'язок О-Н…О визначають унікальні властивості води та відіграють головну роль у формуванні навколишнього світу.

Сторінка 1

П'ять молекул води розташовуються між цими великими негативними іонами так, що молекули води і три іони водню, пов'язані з ними, зумовлюють тяжіння цих іонів.

Хоча на кожен атом Сі припадає п'ять молекул води, лише чотири з них координовані.

Механізм захоплення-відщеплення передбачає у перехідному стані п'ять молекул води у гідратній оболонці.

Тетраедри (рис. 1.4 а), що містять по п'ять молекул води, пошарово пов'язані з іншими аналогічними тетраедрами загальними кутами, а з розташованим вище шаром - вершинами, утворюючи порівняно пористу гексагональну структуру льоду.

Таким чином, на один первинно утворений іон Н2Е припадає п'ять молекул води, що розкладаються. Закон збереження енергії у своїй не порушується, оскільки потенціал іонізації молекули Н2О становить 13 в, а розкладання п'яти молекул Н2О необхідна енергія, рівна приблизно 5 - 2 5 12 5 эв. Звичайно, малого числа молекул, що становлять комплекс, недостатньо для визначення температури у звичайному статистичному сенсі.

Таким чином, на один первинно утворений іон Н2О припадає п'ять молекул води, що розкладаються. Закон збереження енергії у своїй не порушується, оскільки потенціал іонізації молекули Н2О становить 13 в, а розкладання п'яти молекул Н2О необхідна енергія, рівна приблизно 5X2 5 12 5 эв.

У цьому гідраті метал має координаційне число 6, і хоча кожен катіон припадає лише п'ять молекул води, п'ята молекула із нею пов'язана.

З гідратної вологи, що знаходиться в поєднанні з силікатом барію у вигляді шестиводного кристалогідрату (BaSiO3 - 6H2O), при нагріванні до температури 120 випаровується лише п'ять молекул води, остання молекула видаляється при більш високих температурах , у нашому випадку при нагріванні маси до 400 в контакт апаратах. Повертаючись до питання видалення маткових лугів, можна на підставі положення критичної точки на кривих швидкості сушіння передбачати, що під пресом маса може бути віджата тільки до кінцевого вмісту вологи 25 - 30%, що підтверджується практикою. Наявність у масі порівняно меншої кількості механічно пов'язаної вологи, ніж адсорбованої, пояснює той факт, що невелика зміна вмісту вологи в масі призводить до різкої зміни пористої структури. Таким чином, збільшенням температури в сушарці можливо суттєво інтенсифікувати процес сушіння.

У зв'язку з цим див. також роботу Віллі , який на підставі вимірювань чисел перенесення в чистих водних та аміачних розчинах міді (II) зробив висновок, що іон міді (II) у водному розчині пов'язує п'ять молекул води.

Кристалізація сульфату заліза йде повільно і виділення кристалів іноді продовжується протягом двох або трьох днів. При 98°С цей гідрат втрачає п'ять молекул води, при 125°С за 6 год - вісім молекул; при 175 С виходить безводна сіль. Вона гігроскопічна та на повітрі розпливається.

Кристалізація сульфату заліза (III) йде повільно, і виділення кристалів іноді продовжується протягом двох або трьох днів. При 98°С цей гідрат втрачає п'ять молекул води, при 125°С за 6 год - вісім молекул; при 175 С виходить безводна сіль. Вона гігроскопічна і на повітрі поступово розпливається. Сульфат заліза Fe2 (S04) 2 – кристалічний порошок брудно-жовтого кольору.