Диполь молекулы воды

Из чего состоит вода: из каких молекул и атомов

Диполь молекулы воды

Вода — главная составляющая всего живого на Земле. Она является и средой обитания организмов, и главным элементом в их строении, а, следовательно, и источником жизни. Ее применяют в промышленности всех направлений. Поэтому представить себе жизнь с отсутствием воды весьма непросто.

Что входит в состав воды

Все прекрасно осведомлены о том, что вода состоит из водорода и кислорода. Это действительно так. Но помимо этих двух элементов, вода в своем составе имеет еще огромный перечень химических компонентов.

Из чего состоит вода?

Ей свойственно преобразовываться, проходя при этом гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков. В процессе протекания этих явлений вода соприкасается со множеством соединений органической природы, с металлами, газами, в результате чего жидкость дополняется различными элементами.

Элементы, входящие в состав воды, подразделяются на 6 категорий:

  1. Ионы. К ним относятся: катионы Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO3 и SO4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве. В жидкость они поступают из почвенных слоев, природных минералов, горных пород, а также как элементы распада продуктов промышленной деятельности.
  2. Растворенные газы: кислород, азот, сероводород, углекислый газ и прочие. Количество каждого газа в воде напрямую зависит от ее температуры.
  3. Биогенные элементы. Главными из них являются фосфор и азот, которые поступают в жидкость из осадков, сточных и сельскохозяйственных вод.
  4. Микроэлементы. Их насчитывается около 30 видов. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр. К ним относятся: бром, селен, медь, цинк и т. д.
  5. Органические вещества, растворенные в воде, и азотосодержащие вещества. Это спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее.
  6. Токсины. Это в основном тяжелые металлы и продукты нефтепереработки.

Молекула воды

Итак, из каких молекул состоит вода?

Формула воды тривиальна — Н2О. И она показывает, что молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода. Между ними установлена устойчивая связь.

Масса молекулы равна 18,016 г/моль, где на долю водорода приходится 11,19%, а кислорода – 88,81%.

[attention type=yellow]

Молекула воды является полярной, поскольку она не имеет конкретного центра, вокруг которого сосредоточены положительные и отрицательные заряды, а имеет два противоположно заряженных полюса.

[/attention]

Вода состоит из атомов, угол между которыми меняется в зависимости от агрегатного состояния жидкости. Так, когда она находится в состоянии газа, угол между водородом и кислородом составляет 104о, в твердом состоянии – 109о. На эти показатели, а также на расстояние между атомами влияют также присутствующие компоненты.

Строение молекулы

Ранее было рассмотренно, из каких атомов состоит вода. Это водород и кислород. Главенствующую роль выполняет кислород. Вокруг этого элемента размещены отрицательно заряженные электроны, а положительно заряженные протоны сосредоточены вблизи атомов водорода. Такое соотношение полюсов молекулы влияет на характер молекулярной связи – она полярная.

Поскольку два атома водорода являются одноименно заряженными, то, соответственно, они друг от друга отдаляются. Это влияет на образующийся угол между атомами кислорода и водорода, он составляет 104,5о. Из-за разноименности полюсов молекула воды именуется диполем. Это ее свойство обуславливает необычные характеристики молекулы.

Как же выглядит молекула воды в пространстве? Чтобы определить форму молекулы, соединяют прямыми линиями центры атомов, в результате чего вырисовывается объемная фигура – тетраэдр. Таково строение воды.

Форма молекулы воды способна изменяться в зависимости от ее агрегатного состояния. Для газообразного состояния характерен угол между атомами кислорода и водорода в 104,27о, для твердого состояния – 109,5о, для жидкого – 105,03о.

Те молекулы, из которых состоит вода, занимают определенный объем в пространстве, при этом их оболочки покрыты электронным облаком в виде вуали.

Вид водной молекулы, рассмотренной в плоскости, сравнивают с Х-образной хромосомой, которая служит для передачи генетической информации, а, следовательно, дает начало новой жизни.

От такой формы проводится аналогия хромосомы и воды как источников жизни.

В пространстве молекула выглядит как объемный треугольник, тетраэдр. Такая форма является очень устойчивой и изменяется только из-за влияния на воду внешних физических факторов.

Из чего состоит вода? Из тех атомов, которые подвержены влиянию Ван-дер-Ваальсовых сил, образовыванию водородных связей. В связи с этим между кислородом и водородом соседних молекул образуются случайные ассоциаты и кластеры. Первые – это неупорядоченные структуры, вторые – упорядоченные ассоциаты.

В привычном состоянии воды количество ассоциатов составляет 60%, кластеров – 40%.

[attention type=red]

Между соседними водными молекулами возможны образования водородных мостиков, которые способствуют образованию различных структур – кластеров.

[/attention]

Кластеры способны взаимодействовать между собой посредством водородных связей, а это приводит к появлению структур нового порядка – шестигранников.

Электронное строение молекулы воды

Атомы – это то, из чего состоит вода, и каждый атом имеет свое электронное строение. Так, графическая формула электронных уровней выглядит так: 8О 1s22s22p4, 1Н 1s1.

Когда происходит процесс формирования молекулы воды, происходит перекрывание электронных облаков: два неспаренных электрона кислорода перекрываются с 1 неспаренным электроном водорода. В результате перекрывания образуется угол между атомами в 104о.

Агрегатное состояние воды

Как уже говорилось, молекулы воды – это диполи, и данный факт влияет на необычные свойства вещества. Одним из таких свойств является то, что вода может присутствовать в природе в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и парообразном.

Переход от одного состояния в другое обусловлен следующими процессами:

  1. Кипение – из жидкости в пар.
  2. Конденсация – переход их пара в жидкость (осадки).
  3. Кристаллизация – когда жидкость превращается в лед.
  4. Плавление – процесс таяния льда и получения жидкости.
  5. Сублимация – превращение льда в парообразное состояние.
  6. Десублимация – обратная реакция сублимации, то есть переход пара в лед.

От состояния воды зависит и строение ее молекулярной решетки.

Заключение

Таким образом, можно сказать, что вода – это сложное вещество с простым строением, которое может меняться в зависимости от ее состояния. И нам стало понятно, из каких молекул состоит вода.

Источник: https://FB.ru/article/320902/iz-chego-sostoit-voda-iz-kakih-molekul-i-atomov

Почему молекулы воды называют диполями

Диполь молекулы воды

В данной статье поговорим про строение молекул воды, их связи и свойства.

Забежав немного вперёд напишу:

Задача, выполняемая Ячейкой Мэйера — «лёгкое» разложение молекул воды под действием электрического тока, сопровождаемого электромагнитным излучением.

Для её решения разберёмся, что же вода из себя представляет? Каково строение молекул воды? Что известно о молекулах воды и их связях? В статье, я использовал различные публикации, имеющиеся в достаточном количестве в Интернете, но они размножены в большом количестве, поэтому, кто их автор, мне не понятно и ссылаться на источник с моей стороны глупо. Мало того, эти публикации «запутаны» до безобразия, что затрудняет восприятие, и значительно увеличивает время изучения. Анализируя статьи, я извлёк то, что может направить Вас на понимание того, с чем мы будем иметь дело в процессе добычи дешёвой энергии, а точнее в процессе разрыва молекул воды на составляющие – водород и кислород.

Итак, рассмотрим наиболее весомые понятия о строении молекул воды!

Вода — вещество, основной структурной единицей которого является молекула H 2 O, состоящая из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Молекула воды имеет структуру как бы равнобедренного треугольника: в вершине этого треугольника расположен атом кислорода, а в основании его — два атома водорода.

Угол при вершине составляет 104°27, а длина стороны — 0,096 нм. Эти параметры относятся к гипотетическому равновесному состоянию молекулы воды без ее колебаний и вращений.

Геометрия молекулы воды и её электронные орбиты изображены на рисунке.

Молекула воды представляет собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах.

Если «свободную» молекулу воды — не связанную с другими молекулами, поместить в электрическое поле, то она «повернётся» отрицательными полюсами в сторону положительной пластины электрического поля, а положительными полюсами в сторону отрицательной пластины. Именно этот процесс изображён на рисунке 1, позиция — 3В, поясняющем работу Ячейки Мэйера в статье «Вода вместо бензина».

Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура — правильный тетраэдр. Таково строение самой молекулы воды.

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Именно такое упорядоченное состояние молекул воды можно назвать «структурой».

Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28′, направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру.

Когда лёд плавится, его тетрагональная структура разрушается и образуется смесь полимеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров воды и свободных молекул воды.

[attention type=green]

В жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость. Эти водородные связи — спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь.

[/attention]

Группируясь, тетраэдры молекул воды образуют разнообразные пространственные и плоскостные структуры.

И из всего многообразия структур в природе базовой является гексагональная (шестигранная) структура, когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо.

Такой тип структуры характерен для льда, снега и талой воды, которую из-за наличия такой структуры, называют «Структурированной водой». О полезных свойствах структурированной воды пишут много, но не это тема нашей статьи.

Логично будет, что структурированная вода — образующая гексагональные структуры является наихудшим вариантом структуры воды, которую возможно использовать для разложения на водород и кислород.

Поясню почему: Молекулы воды, группируясь по шесть в гексамер, имеют электронейтральный состав — у гексамеров нет положительных и отрицательных полюсов. Если поместить гексамер структурированной воды в электрическое поле, то он не будет никак на него реагировать.

Поэтому логически можно заключить, что необходимо, чтобы в воде было как можно меньше организованных структур. На самом деле, всё наоборот, гексамер — это не завершённая структура, есть ещё более интересное понятие — кластер.

Структуры объединённых молекул воды называют кластерами, а отдельные молекулы воды — квантами. Кластер — объёмное соединение молекул воды, в том числе гексамеров, у которого имеются и положительные и отрицательные полюса.

В дистиллированной воде кластеры практически электронейтральны, потому что в результате испарения, произошло разрушение кластеров, а в результате конденсации, сильные связи между молекулами воды не появились. Однако, их электропроводность можно изменить.

Если дистиллированную воду помешать магнитной мешалкой, связи между элементами кластеров будут частично восстановлены и электропроводность воды изменится. Другими словами, дистиллированная вода – это вода, у которой минимальное количество связей между молекулами .

[attention type=yellow]

В ней диполи молекул находятся в разориентированном состоянии, поэтому диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды очень высока, и она плохо проводит электрический ток.

[/attention]

В то же время, для повышения управляемости кластерами воды, в неё добавляют кислоты или щёлочи, которые участвуя в молекулярных связях, не позволяют молекулам воды образовывать гексагональные структуры, образуя при этом электролиты. Дистиллированная вода является противоположностью структурированной воде, в которой связей между молекулами воды в кластеры огромное количество.

На моём сайте имеются, и будут появляться статьи, которые, на первый взгляд «отдельные» и не имеют никакого отношения к другим статьям. На самом деле, большинство статей сайта имеет взаимосвязь в одно целое.

В данном случае, описывая свойства дистиллированной воды, я использую Дипольную теорию электрического тока, это альтернативное понятие об электрическом токе, которое подтверждается и наукой и практикой лучше, чем классическое понятие.

При воздействии энергии источника электрического тока, все диполи атомов воды (как проводника) поворачиваются, ориентируясь своими одноимёнными полюсами в одном направлении.

Если молекулы воды до появления внешнего электрического поля создавали кластерную (взаимно ориентированную) структуру, то для ориентации во внешнем электрическом поле потребуется минимальное количество энергии источника электрического тока.

Если же структура была не организованной (как у дистиллированной воды), то потребуется большое количество энергии.

Заметьте, «в народе» бытует мнение, что дистиллированная вода и талая вода должны обладать одинаковыми электропроводными свойствами, ведь что у одной, что у другой отсутствуют химические примеси (как правило – соли), их химический состав одинаков, да и строение молекул воды что в талой воде, что в дистиллированной одинаково.

На самом деле всё выглядит наоборот, отсутствие примесей совсем не говорит о свойствах электропроводности воды. Не понимая этого, некоторые люди, «убивают» аккумуляторные батареи ещё на этапе их заправки электролитом, подменяя дистиллированную воду на талую, или просто очищенную через угольный фильтр.

Как правило, заправленный аккумулятор, который куплен на автомобильном рынке служит меньше, чем тот, который вы купили сухозаряженным и разбавив серную кислоту дистиллированной водой, заправили его сами.

[attention type=red]

Это лишь потому, что «готовый» электролит, или заправленный аккумулятор – это в наше время средство заработка, а чтобы определить какая вода использовалась, надо провести дорогую экспертизу, никто этим не заморачивается. Торгашу не важно, сколько прослужит аккумулятор на твоём авто, а Вам тоже, возиться с кислотой не очень хочется.

[/attention]

Зато, я Вас уверяю, аккумулятор, над которым попотеете Вы, при минусовых температурах будет намного бодрее, чем заправленный из уже готового бутылочного электролита.

Продолжим!

В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10 -12 секунд.

Так как, строение молекулы воды несимметрично, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов ее не совпадают. Молекулы имеют два полюса — положительный и отрицательный, создающие, как магнит, молекулярные силовые поля.

Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния l между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд e в абсолютных электростатических единицах: p = l·e

Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10 -29 Кл·м.

Кластеры воды на границах раздела фаз (жидкость-воздух) выстраиваются в определенном порядке, при этом все кластеры колеблются с одинаковой частотой, приобретая одну общую частоту.

При таком движении кластеров, учитывая, что входящие в кластер молекулы воды являются полярными, то есть, имеют большой дипольный момент, следует ожидать появления электромагнитного излучения.

Это излучение отличается от излучения свободных диполей, так как диполи являются связанными и колеблются совместно в кластерной структуре.

Источник: https://mostech-group.ru/nelzya/pochemu-molekuly-vody-nazyvayut-dipolyami/

Строение молекулы и свойства воды, Взаимодействие воды с группами

Диполь молекулы воды

Аномальные свойства воды предполагают существование прочных сил между молекулами воды. Это можно объяснить уже при  рассмотрении природы единичной молекулы воды, а затем и группы молекул.

Молекула воды имеет два отрицательных и два положительных заряда по углам тетраэдра. Вследствие этого, каждая молекула воды тетраэдрически координирована с четырьмя другими молекулами воды благодаря водородным связям (см. рис.)

Одновременное присутствие в молекуле воды двух доноров и двух акцепторов делает возможной ассоциацию в трехмерную сеть, стабилизированную водородными связями, что обеспечивает большую силу взаимодействия между молекулами. Эта структура объясняет особые физические свойства воды, необычные для малых молекул.

Способность воды образовывать трехмерные водородные связи, для разрушения которых необходима дополнительная энергия, объясняет рассмотренные выше необычные свойства воды, например высокие значения теплоемкости, точек плавления и кипения, поверхностного натяжения и теплот фазовых переходов.

С химической точки зрения вода является весьма реакционноспособным веществом. Она соединяется со многими оксидами металлов и неметаллов, взаимодействует с активными металлами и вступает в различные другие реакции самого разнообразного характера.

Превращения белков, липидов, углеводов с участием воды имеют важное значение в пищевых технологиях.

Помимо химических реакций, в которые вступает вода, при растворении веществ в воде имеют место взаимодействия физико-химического характера.

При добавлении различных веществ к воде изменяются свойства как самого вещества, так и воды.

[attention type=green]

Гидрофильные вещества взаимодействуют с водой путем ион-дипольного или диполь-дипольного механизма, вызывая изменения в структуре воды, ее подвижности, а также в структуре и реакционной способности гидрофильных веществ.

[/attention]

Гидрофобные группы добавленных веществ взаимодействуют с близлежащей водой слабо, предпочитая неводное окружение. Молекулы около гидрофобных групп становятся более упорядоченными, что приводит к уменьшению энтропии. Чтобы уменьшить контакт с водой, гидрофобные группы агрегируются.

Взаимодействие воды с ионами и ионными группами

Вода, взаимодействующая с ионами и ионными группами, является наиболее прочно связанной в пищевых продуктах. Нормальная структура чистой воды (основанная на водородных связях тетраэдрическая конфигурация) нарушается при добавлении диссоциирующих веществ.

Для простых неорганических ионов, которые не обладают донорными или акцепторными местами для образования водородных связей, связь просто полярна. Простейший пример – гидратированные ионы хлорида натрия.

Вода в мультислое существует в структурно разрушенном состоянии из-за конкурирующего влияния, с одной стороны, монослоя, с другой – внешней массы воды.

Способность ионов изменять структуру воды тесно связана с силой электрического поля иона.

Малые и (или) многовалентные (главным образом, положительные) ионы, такие как Li+, Na+, H3O+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+, F-, OH- имеют сильное электрическое поле и являются образователями сетчатой структуры.

Около каждого из этих ионов расположено от 4 до 6 молекул воды. Связанная вода менее лабильна и обладает более плотной структурой по сравнению с чистой водой.

[attention type=yellow]

Большие и моновалентные ионы (главным  образом, отрицательно заряженные ионы и большие положительные ионы), такие как K+, Cs+, NH4+, Cl-, Br-, I-, NO3-, BrO3-, IO3- и ClO4-, имеют относительно слабое электрическое поле и являются разрушителями сетчатой структуры, хотя для К+ этот эффект очень слаб.

[/attention]

Благодаря различной способности ионов гидратироваться, изменять водную структуру, влиять на диэлектрическую постоянную водной среды и толщину двойного электрического слоя около коллоидов, они сильно воздействуют на суспендированные и другие растворенные вещества в среде. Поэтому, например, конформация белков и стабильность коллоидов сильно зависят от вида и количества присутствующих ионов.

Взаимодействие воды с нейтральными группами

Взаимодействие воды с нейтральными группами, обладающими способностью образовывать водородные связи.

Водородные связи вода – растворенное вещество являются более слабыми, чем при вода – ион взаимодействиях. Тем не менее, вода, связанная посредством водородных связей с растворенным веществом, может быть классифицирована как «органически связанная» или «близлежащая» и должна проявлять пониженную подвижность по сравнению с водой в массе раствора (водной фазы).

Можно ожидать, что вещества, способные к образованию водородных связей, не повышают или, по крайней мере, не разрушают нормальную структуру чистой воды. Однако в ряде случаев отмечается ориентация водородных связей, отличная от нормальной воды.

Водородные связи воды образуются с различными группами (гидроксил-, амино-, карбонил-, амид- или имино-). Например, вода образует водородные связи с двумя видами  функциональных групп белков. Эти связи могут быть как в одной макромолекуле между различными группами, так и между разными макромолекулами:

Взаимодействия, вода – неполярное вещество

В системе вода — неполярное вещество важны два аспекта структурных образований: образование клатратных гидратов   и гидрофобные взаимодействия в белках.

Клатратные гидраты являются соединениями включения, то есть это соединения, имеющие молекулу – «хозяина», образующуюся за счет водородных связей, и молекулу – «гостя». Образования такого типа имеют место в биологических материалах.

«Гости» в клатратных гидратах являются низкомолекулярными соединениями, а «хозяин» представляет собой «сетку» из 20-74 водных молекул.

Типичные «гости» – это низкомолекулярные углеводороды, галогенуглеводороды, диоксид углерода, этиленоксид,  этиловый спирт, короткоцепочные первичные, вторичные и третичные амины, алкил-аммоний. Взаимодействие между водой и «гостем» часто обусловлено слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами, но может иметь место и электростатическое взаимодействие.

Клатратные гидраты имеют важное значение, т.к. влияют на конформацию, реакционноспособность и стабильность таких молекул, как белки.

[attention type=red]

Гидрофобные взаимодействия в водном окружении также важны, так как примерно 40% общих аминокислот в большинстве белков имеют неполярные группы.

[/attention]

Неполярные группы других компонентов, таких как спирты, жирные кислоты, свободные аминокислоты, также могут участвовать в гидрофобных взаимодействиях. Эти взаимодействия являются слабыми, по силе они примерно такие же, как силы Ван-дер-Ваальса.

Гидрофобные взаимодействия важны для четвертичной структуры многих белков, поэтому вода (и водная структура) играет важную роль в конформации белка.

Источник: http://food-chem.ru/lektsii-po-pishchevym-kislotam/stroenie-molekuly-i-svojstva-vody-vzaimodejstvie-vody-s-gruppami

Будь здоров
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: