Original: http://witcombe.sbc.edu/water/chemistrystructure.html
H2O – таємниця, мистецтво та наука води
Структура означає функціонування
Вибрано програмою SciLinks, службою
Національної асоціації викладачів природничих наук.
Авторські права 1999 – 2002
Вода хімічна!?
Справді! Вода є однією з наших найбагатших хімічних речовин. Її хімічна формула, H20, мабуть, найвідоміша з усіх хімічних формул.
Про що хімічна формула нам говорить?
Формула H20 говорить нам, що одна молекула води складається з 2 атомів водню і одного атома кисню, скріплених між собою. Зв’язки, які утримують водень і кисень разом, називаються ковалентними зв’язками – вони дуже сильні.
Давайте подивимося на зображення молекули води: на ньому два атома водню представлені у вигляді білих куль, а кисню – червоної сфери.
ДЖЕРЕЛО ЗОБРАЖЕННЯ: “Хімія та життя”, 4-е вид., Джон У. Гілл, Дороті М. Фейгль і Стюарт Дж. Баум, Macmillan Publishing Company, Нью-Йорк, 1993 р.
На цьому другому зображенні водень показано у вигляді білих куль, кисень у вигляді червоної кулі. “Палички”, які утримують атоми водню з киснем, мають ковалентні зв’язки.
Чому молекула води виглядає зігнутою?
Насправді молекула води зберігає вигнуту форму (зігнуту на 107,5 градусів) із двох міркувань. Перше: чотиригранне утворення навколо кисню, а друге – наявність неподіленої пари електронів у кисню.
Що таке неподілена пара електронів?
Це електрони, які не беруть участі в ковалентних зв’язках. Пари електронів залишені у спокої. На нашому зображенні вони представлені подвійними точками. Ці самотні пари дуже негативні – містять два негативних електрони кожен – і хочуть триматися подалі один від одного, наскільки це можливо. Ці сили відштовхування діють так, щоб підштовхнути гідрогени ближче один до одного.
Ви сказали “тетраедра” – що це означає?
Тетраедрична означає “чотиристороння”. У хімії ми інтерпретуємо це в нашій уяві. Намалюйте центральний атом в уявному просторі. Потім помістіть атоми, приєднані до центрального атому навколо нього так, що відстань між ними максимізуеться. Пристрій ви будете приймати буде форму правильного тетраедра. Ця молекулярна форма показана нижче. Вона має регулярні кути між зв’язками 109,5.
ДЖЕРЕЛО ЗОБРАЖЕННЯ: “Хімія та життя”, 4-е вид., Джон У. Гілл, Дороті М. Фейгль і Стюарт Дж. Баум, Macmillan Publishing Company, Нью-Йорк, 1993 р.
Якщо ми робимо аналогічний пристрій води, покласти кисень в центрі, так і за допомогою двох відрядив і дві самотні пари по кутах, ми також придумали чотиригранної домовленості. Проте, є одна важлива відмінність – валентних кутів для води не 109,5. Через присутність дуже негативних неподіленими електронів пара, два атома водню стиснуті разом, як дві пари одинаки намагаються піти один від одного, наскільки це можливо. Результуючий кут дає воду кут з 104,5 зв’язків. Тому що ми не “бачити” електронів, в результаті тетраедр “виглядає” ЗІГНУТИМ!
ДЖЕРЕЛО ЗОБРАЖЕННЯ: “Хімія та життя”, 4-е вид., Джон У. Гілл, Дороті М. Фейгль і Стюарт Дж. Баум, Macmillan Publishing Company, Нью-Йорк, 1993 р.
Яка важливість усього цього?
Як і багато речей в хімічному світі, форма і структура молекули є важливим фактором, що визначає його функції. Важливість зігнутої структури води є те, що вона забезпечує подачу води з двома різними “сторони”: Одна сторона молекули води має два негативних окремими парами, в той час як інша сторона представляє два атома водню. Давайте поглянемо інакше:
[рис. карти електронної щільності води]
Чи робить це воду незвичайною?
ТАК! Але це не тільки те, що молекула згинається, що робить його особливим. Вода також вельми полярно – дві сторони води мають дуже різні заряд.
Самотні пари негативні – водень позитивний?
Атоми водню злегка позитивні. Вони отримують таким чином через “електронний торгівельний” кисню. Електронегативність є мірою того, наскільки один атом хоче мати електрони, і кисень хоче мати електрони більше, ніж водень робить. Кисень має більш високу електронегативність. Через цю різниці в електронегативності, електрони в ковалентні зв’язки між киснем і воднем отримують злегка притягається до кисню. Це залишає відрядив трохи електрон-дефіцитних і, таким чином злегка позитивним. Ми можемо зробити цю поляризацію наступним чином:
ДЖЕРЕЛО ЗОБРАЖЕННЯ: “Хімія в контексті” Wm C Brown Publishers, Дюбук, Айова, 2-е вид., Проект Американського хімічного товариства, ред.: А. Труман Шварц та ін., 1997, розділ 5 “Диво води”
Або, дивлячись на нього з “чистою поляризації” точки зору, як от:
ДЖЕРЕЛО ЗОБРАЖЕННЯ: “Хімія та життя”, 4-е вид., Джон У. Гілл, Дороті М. Фейгль і Стюарт Дж. Баум, Macmillan Publishing Company, Нью-Йорк, 1993 р.
Яким чином поляризація стосується властивостей води?
Будь-яким! Оскільки вода має злегка негативний кінець і злегка позитивний кінець, він може взаємодіяти з самим собою і утворюють високоорганізованої мережу “міжмолекулярні”. Позитивний кінець водню однієї молекули можуть взаємодіяти сприятливо з негативною неподіленої пари іншої молекули води. Цю взаємодію називають “водневими зв’язками”. Це тип слабкого електростатичного притягання (позитивного до негативного). Оскільки кожен з молекул води може утворювати чотири водневі зв’язки, складну мережу молекул утворюється.
ДЖЕРЕЛО ЗОБРАЖЕННЯ: “Хімія в контексті” Wm C Brown Publishers, Дюбук, Айова, 2-е вид., Проект Американського хімічного товариства, ред.: А. Труман Шварц та ін., 1997, розділ 5 “Диво води”
Проте, якщо водневі зв’язки слабкі, яким чином вони можуть бути важливі?
Подумайте, скільки їх! Сила в кількості!
Полярність також дозволяє воді взаємодіяти з електричним полем:
І взаємодіяти з іншими полярними молекулами – ось як речовини розчиняються у воді.
ДЖЕРЕЛО ЗОБРАЖЕННЯ: “Хімія в контексті” Wm C Brown Publishers, Дюбук, Айова, 2-е вид., Проект Американського хімічного товариства, ред.: А. Труман Шварц та ін., 1997, розділ 5 “Диво води”
