§ 2. Будова молекули води. Водневий зв’язок

Матеріал параграфа допоможе вам:

пригадати будову молекули води;
зрозуміти суть водневого зв’язку.

Будова молекули. Хімічна формула води Н₂О відома кожному з вас. Це — молекулярна речовина. Електронна і графічна формули молекули води

вказують на те, що два атоми Гідрогену сполучені з атомом Оксигену простим ковалентним зв’язком.

• Який зв’язок називають ковалентним? Яка особливість електронної будови атома зумовлює утворення такого зв’язку з іншим атомом?

Звернемо увагу на будову атомів Гідрогену та Оксигену:

Кожний зв’язок у молекулі води утворений електроном атома Гідрогену та електроном атома Оксигену в р-орбіталі. Два таких електрони атома Оксигену, які беруть участь у цих зв’язках, є неспареними й перебувають у різних орбіталях. Оскільки p-орбіталі розташовані перпендикулярно одна до одної, молекула води має кутову будову¹. Щоправда, кут між прямими, що з’єднують центри атомів Гідрогену й Оксигену, становить не 90°, а 104,5° (мал. 5):

Мал. 5. Моделі молекули води: а — кулестержнева; б — масштабна

¹ Таке пояснення будови молекули води є спрощеним.

Спільні електронні пари в молекулі води зміщені від атомів Гідрогену до більш електронегативного атома Оксигену; зв’язок О-Н є полярним. На атомі Оксигену зосереджений невеликий негативний заряд, а на кожному з двох атомів Гідрогену — позитивний:

Молекула води з боку атома Оксигену заряджена негативно, а з протилежного боку, де перебувають атоми Гідрогену, — позитивно. Таку молекулу називають полярною; вона є диполем¹, тобто має два різнойменно заряджені полюси. Її умовно зображають еліпсом зі знаками «+» і «-» без зазначення величин зарядів:

¹ Термін походить від грецьких префікса di(s) — двічі і слова polos — полюс.

Полярність молекули води істотно впливає на властивості цієї речовини.

Електростатичну взаємодію між молекулами за участю атомів Гідрогену і найбільш електронегативних елементів називають водневим зв’язком.

Водневий зв’язок позначатимемо трьома крапками: Н···О. Цей зв’язок значно слабший за ковалентний. Обов’язкова умова його утворення — наявність у молекулі речовини атома Гідрогену, сполученого з атомом Флуору, Оксигену або Нітрогену.

Водневі зв’язки існують у воді, етиловому спирті, кислотах, білках, а також між молекулами цих речовин і води в розчинах. Щомиті частина водневих зв’язків руйнується, але водночас утворюються нові зв’язки.

У воді кожна молекула сполучена водневими зв’язками із чотирма іншими молекулами (мал. 6). Унаслідок взаємного притягання молекул вода кипить за значно вищої температури, ніж, наприклад, рідкий метан СН₄, в якому немає водневих зв’язків. (Про утворення і будову молекул води, водневий зв’язок у воді та льоду можете дізнатися більше за покликаннями в QR-кодах.)

https://youtube.com/watch?v=sBZfPmIcS-E

https://youtube.com/watch?v=moITG5Q7zzI

Мал. 6. Водневі зв’язки молекули води

Водневі зв’язки відіграють важливу роль у живих організмах. Завдяки цим зв’язкам білки набувають певної структури (просторової будови), що надає їм змогу виконувати особливі функції. Водневий зв’язок існує також у нуклеїнових кислотах — сполуках, які «відповідають» за збереження, передавання й відтворення генетичної інформації.

ВИСНОВКИ

Молекула води містить ковалентні полярні зв’язки О—Н, має кутову форму і є полярною. На атомах Гідрогену молекули води зосереджені невеликі позитивні заряди, а на атомі Оксигену — невеликий негативний заряд.

Молекули води притягуються одна до одної внаслідок електростатичної взаємодії між атомами Гідрогену й Оксигену різних молекул. Таку взаємодію називають водневим зв’язком. Водневі зв’язки існують у сполуках, молекули яких містять, крім атомів Гідрогену, атоми Флуору, Оксигену, Нітрогену.

10. Поясніть, чому молекула води має кутову форму.

11. Чим різняться кулестержнева і масштабна моделі молекули?

12. Що таке водневий зв’язок? Завдяки чому він утворюється між частинками?

13. Спробуйте пояснити істотну відмінність між температурами плавлення льоду (0 °С) і метану (-182,5 °С).

14. Чому, на вашу думку, водневий зв’язок існує в рідкому амоніаку ΝΗ₃, але не утворюється в газуватій сполуці?

15. Яким є співвідношення мас елементів у воді?

16. Обчисліть кількості атомів Гідрогену й атомів Оксигену в 1 мг води.