§ 4. Будова молекули води. Водневий зв'язок

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

дізнаєтесь про будову молекули води;
довідаєтесь про особливий тип зв'язку — водневий;
розглянете, як відбувається взаємодія різних молекул.

Вода — одна з найпоширеніших у природі речовин. Світовий океан вкриває близько 70 % земної поверхні.

Хімічний склад води виражають формулою Н₂О.

Вода — молекулярна речовина. Пригадаймо, як побудована молекула води. Запишемо електронні формули атомів Гідрогену й Оксигену та їх графічні варіанти:

Два неспарені р-електрони атома Оксигену, які перебувають на різних орбіталях, утворюють з s-слсктронами двох атомів Гідрогену два ковалентні зв'язки:

Молекула води має кутову будову, і кут між прямими, що з'єднують центри атомів Гідрогену з Оксигеном, становить 104,5°. Будову молекули можна продемонструвати, використовуючи два типи моделей:

кулестержневу, у якій стержні позначають ковалентні зв'язки;
масштабну, у якій дотримано відношення розмірів атомів.

Водневий зв’язок

Оскільки атом Оксигену більш електронегативний, ніж атоми Гідрогену, що з ним сполучені, то спільні електронні пари зміщуються до атома Оксигену. Зв'язки О—Н є полярними, тобто на атомі Оксигену зосереджується негативний заряд, а на кожному із двох атомів Гідрогену — позитивний. Ці заряди позначають δ- (дельта мінус), δ+ (дельта плюс):

Таку молекулу називають полярною, умовно її можна розглядати як диполь. Полярність молекули води впливає на її властивості. Молекули води притягуються одна до одної внаслідок електростатичного притягання атомів Н і О різних молекул:

Рис. 4.1. Утворення водневих зв'язків між молекулами води

Таку взаємодію називають водневим зв'язком і позначають крапками.

Зауважмо, що водневі зв'язки наявні не лише в рідкій воді, а й у льоду. Так, у льоду кожна молекула води сполучається завдяки водневим зв'язкам із чотирма найближчими до неї молекулами.

Рис. 4.2. Структура льоду

Водневий зв'язок утворюється не лише між молекулами води. Він також виникає між різними сильнополярними молекулами, наприклад гідроген флуориду HF чи амоніаку NH₃. Якщо ці речовини розчинити у воді, то між їх молекулами і молекулами води також виникає водневий зв'язок:

Рис. 4.3. Утворення водневих зв'язків між: а) молекулами води та гідроген флуориду; б) молекулами гідроген флуориду; в) молекулою амоніаку та води

Що менші розміри і більша електронегативність атома елемента, сполученого з Гідрогеном, то водневий зв'язок міцніший. Тому такий зв'язок найміцніший у сполуках Гідрогену з Оксигеном і Флуором, елементами з високою електронегативністю.

І хоча водневий зв'язок значно слабший, ніж ковалентний або йонний, він суттєво впливає на фізичні властивості речовин. З підвищенням температури водневий зв'язок легко розривається. Цим пояснюється перехід води із твердого стану в рідкий і згодом — у газуватий. Молекули, між якими виникають водневі зв'язки, в рідкому стані об'єднуються у великі утворення (асоціати, кластери).

Тому ці речовини мають значно вищу температуру кипіння, ніж речовини, які не утворюють таких асоціатів.

Наявністю водневих зв'язків також пояснюють й інші аномальні властивості води: густину, діелектричну проникність, теплоємність, питому теплоту плавлення, випаровування, коефіцієнт в'язкості, високу розчинність речовин у воді тощо.

Підсумки

1. Молекула води містить два ковалентні полярні зв'язки О-Н і є полярною.
2. На кожному атомі Гідрогену зосереджений позитивний заряд, а на атомі Оксигену — негативний.
3. Водневі зв'язки утворюються між молекулами, які містять атом (атоми) Гідрогену й атом (атоми) іншого елемента з високою електронегативністю.
4. Електростатичну взаємодію полярних молекул за участі атомів Гідрогену називають водневим зв'язком.
5. Наявність водневого зв'язку суттєво впливає на фізичні властивості речовин.

Контрольні запитання

1. Який вид хімічного зв'язку властивий молекулі води?
2. Чому молекула води є полярною?
3. Що таке водневі зв'язки?
4. Чому між молекулами води можуть виникати водневі зв'язки?
5. Які відмінності між кулестержневою і масштабною моделями молекул води?
6. Чи правильним є твердження, що водневі зв'язки наявні лише в рідкій фазі води?
7. Чи наявні водневі зв'язки у водяній парі?
8. Чи бувають молекули води, відносна молекулярна маса яких становить 20? Відповідь обґрунтуйте.
9. Який вид хімічного зв'язку в молекулі метану? Як ви вважаєте, чи буде розчинятися метан (СН₄) у воді?

Вправи та задачі

1. Обчисліть масу 200 молекул води.

2. Обчисліть, скільки атомів Гідрогену й Оксигену міститься в 180 мл води.

3. Обчисліть об'єм води (мл), у якому міститься 3,01 · 10²⁴ молекул Н₂О.

4. Обчисліть кількість речовини Н₂О, яка міститься в 0,5 л води.

5. Складіть рівняння реакцій, які відбуваються під час перетворень: К → KOH → Cu(OH)₂→ Н₂O → HNO₃.