Молекула воды
Химический состав воды отвечает на вопрос, из чего состоит молекула воды. А как эта молекула устроена — никто не знал вплоть до августа 1933 года.
Честь открытия строения молекулы воды, а на ее основе и структуры воды принадлежит двум английским ученым Дж.Берналу и Р.Фаулеру.
В августовском номере только что созданного международного журнала по химической физике «Journal of Chemical Physics» была опубликована их классическая работа о структуре воды, основанной на взаимодействии молекул воды с себе подобными молекулами и ионами разных сортов.
Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам в какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды (удельный вес) должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3. Это первое. Второе доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояло в том, что в отличие от других жидкостей вода — это было уже известно — обладает сильным электрическим моментом, составляющим ее дипольную структуру.
Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметричной конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.
Эти и другие экспериментальные данные, а также математические расчеты окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды «однобока» и имеет «уголковую» конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода (рис.4).
Рис.4. Форма молекулы воды:
а) электронное облако молекулы воды;
б) взаимное расположение ядер кислорода (О) и водорода (Н)
в молекуле Н2О.
Дальнейшие многочисленные исследования интернационального мира ученых блестяще подтвердили открытие Дж. Бернала и Р. Фаулера.
В наше время информацию о форме и размерах молекулы воды можно получить, анализируя данные рентгеноструктурного и «машинного» эксперимента, спектра поглощения и других исследований.
На рис.5 показана форма молекулы воды и ее основные конструктивные параметры.
Рис.5. Модель молекулы Н2О по Н.Бьерруму:
а) орбитали ядер кислорода и водорода в молекуле Н2О;
б) тетраэдрическое расположение зарядов молекулы воды.
Оказалось, что молекулы воды — самая маленькая из известных молекул — это шарик с двумя бугорками и с довольно упругой поверхностью, ограниченной электронным облаком. Это облако не однородно. В области «бугорков», где расположены ядра водорода, выявлен недостаток электронной плотности, а в диаметрально противоположной стороне ближе к ядру кислорода — избыток электронной плотности. Указанная структурная особенность предопределяет полярность молекулы воды.
Используя новейшие достижения науки и исследовательской техники, выдающийся датский ученый Н.Бьеррум пришел к выводу о тетраэдрическом взаимном расположении положительных и отрицательных зарядов молекулы воды. Согласно Н.Бьерруму, если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов молекулы воды, то получается правильный тетраэдр, рис.5.
Не трудно догадаться, что каждая молекула воды в кругу себе подобных должна как-то ориентироваться, притягиваясь разноименными и отталкиваясь одна от другой одноименными зарядами.
Поэтому все молекулы Н2О в воде взаимно ориентированы и образуют друг с другом особые, так называемые водородные связи.
Учение о водородных связях сыграло поистине революционную роль в представлении о молекулярной структуре воды в жидком, твердом и газообразном состояниях. Что же собой представляют водородные связи? Какие их свойства? Как они образуются и разрушаются?