§ 7. Будова молекули води. Поняття про міжмолекулярний водневий зв’язок

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

як побудована молекула води;
що таке міжмолекулярний водневий зв’язок;
чому вода є найбільш універсальним розчинником.

Будова молекули води. Двовалентний атом Оксигену утворює з атомами Гідрогену молекулу води кутової форми (рис. 15).

Рис. 15. Утворення молекули води: а — схема взаємодії атомів Гідрогену з атомом Оксигену; б — кулестрижнева модель

Це пояснюють тим, що обидва валентні (неспарені) електрони центрального атома молекули води — Оксигену перебувають на 2р-орбіталях, які розміщуються в площині під кутом 90° одна до одної:

Неспарені електрони обох атомів Гідрогену перебувають на 1s-орбіталі:

Під час утворення молекули води s-орбіталі атомів Гідрогену перекриваються р-орбіталями атома Оксигену з утворенням кутової структури (рис. 15). При цьому кут між двома ковалентними зв’язками становить приблизно 104,5°. Відбувається зміщення спільних електронних пар обох зв’язків у бік атома Оксигену як більш електронегативного атома порівняно з атомом Гідрогену. Унаслідок цього на атомах Гідрогену виникають часткові позитивні заряди δ⁺, а на атомі Оксигену — частковий негативний заряд 2δ^-(рис. 16). Отже, молекула води полярна, тобто є диполем.

Рис. 16. Розподіл зарядів у молекулі води: центр негативного заряду розташований на атомі Оксигену, центр позитивного — між атомами Гідрогену

Поняття про міжмолекулярний водневий зв’язок. Між протилежно зарядженими атомами Гідрогену та Оксигену різних молекул води виникає електростатична взаємодія. Унаслідок цього молекули води можуть взаємодіяти — притягуватися одна до одної. Такий різновид взаємодії називають міжмолекулярною взаємодією.

Подібний зв’язок виникає між молекулами, утвореними атомом Гідрогену та атомом більш електронегативного елемента Флуору, Оксигену, Нітрогену, рідко Хлору та Сульфуру. У таких молекулах спільна електронна пара зміщується від атома Гідрогену до атома елемента з більшою електронегативністю, а позитивний заряд атома Гідрогену δ⁺зосереджується в малому об’ємі. Тому атом Гідрогену однієї молекули взаємодіє з неподіленою електронною парою атома Оксигену іншої молекули води. У результаті утворюється інший, слабкіший за ковалентний (приблизно в 15-20 разів) зв’язок (рис. 17), який називають міжмолекулярним водневим.

Рис. 17. Водневий зв’язок між молекулами води (позначено чорними пунктирними лініями), ковалентний між атомами Гідрогену та Оксигену — жовтими суцільними

Відбувається асоціація молекул води (рис. 18), тобто сполучення їх у складніші (подвоєні, потроєні тощо) асоціати, тому їхній склад можна описати формулою (Н₂О)_n, де n = 2, 3 тощо.

Рис. 18. Асоціація диполів води

Утворення водневих зв’язків між кількома молекулами води подамо у вигляді формул; на поданій схемі водневий зв’язок зображено точками, на відміну від ковалентного, який позначають рисками:

Як видно зі схеми, кожна молекула води може утворити чотири водневі зв’язки з іншими молекулами води. Саме таким чином побудований лід, і тому він має порожнисту структуру.

Під час плавлення льоду ця структура руйнується, молекули води набувають компактнішої структури. Тому густина води більша за густину льоду.

Наявністю водневих зв’язків пояснюють вищу температуру танення льоду (0 °С) і кипіння води (100 °С) порівняно з відповідними температурами сполук Гідрогену з іншими елементами VI-A групи (H₂S, H₂Se, Н₂Те), оскільки у випадку води необхідно витратити додаткову енергію на руйнування водневих зв’язків.

Утворенням асоціатів пояснюють високу теплоємність води та великі витрати теплоти на її випаровування — саме за рахунок витрачання теплоти на випаровування води з поверхні шкіри наш організм підтримує нормальну температуру в спеку.

Установлено, що лише водяна пара складається з неасоційованих (вільних) молекул Н₂О.

Саме завдяки великій полярності молекул Н₂О вода є універсальним розчинником. Вона добре розчиняє йонні сполуки та речовини, що складаються з полярних молекул.

Основні поняття. Міжмолекулярний водневий зв’язок.

Запитання та завдання

1. Яку геометричну форму мають молекули води? Чим це пояснити?

2. Чим відрізняється характер хімічного зв’язку в молекулі води та молекулах водню та кисню?

3. В атомі Оксигену 2р-орбіталі, у межах яких перебувають неспарені електрони, розміщені під кутом 90°. Чому в молекулі води кут між двома ковалентними зв’язками становить 104,5°?

4. Який зв’язок називають міжмолекулярним водневим зв’язком? Як він утворюється? Як його умовно позначають?

5. Чому вода має більшу густину, ніж лід?

6. Чим пояснюють той факт, що вода має більшу температуру кипіння порівняно з температурами кипіння речовин подібної будови H₂S, H₂Se, Н₂Те?

7. Чому вода є універсальним розчинником?