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. 11).
Це пояснюють тим, що обидва валентні (неспарені) електрони центрального атома молекули води — Оксигену перебувають на 2р-орбіталях, які розташовані в просторі в площині під кутом 90° одна до одної:
Неспарені електрони обох атомів Гідрогену перебувають на 1я-орбіталі:
Рис. 11. Утворення молекули води: а — схема взаємодії атомів Гідрогену з атомом Оксигену; б — кулестрижнева модель
Під час утворення молекули води s-орбіталі атомів Гідрогену перекриваються р-орбіталями атома Оксигену з утворенням кутової структури (рис. 11). 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 надлишкові позитивні заряди 5+, а на атомі Оксигену — надлишковий негативний заряд 25- (рис. 12). Отже, молекула води полярна, тобто являє собою диполь.
Поняття про міжмолекулярний водневий зв’язок. Між протилежно зарядженими атомами Гідрогену та Оксигену різних молекул води виникає електростатична взаємодія, у результаті чого молекули води можуть взаємодіяти — притягуватися одна до одної. Такий різновид взаємодії називають міжмолекулярною взаємодією.
Подібний зв’язок виникає між молекулами, до складу яких входять атом Гідрогену та атом сильно електронегативного елемента Флуору, Оксигену,
Нітрогену, рідко Хлору та Сульфуру.
У таких молекулах спільна електронна пара сильно зміщується від атома Гідрогену до атома електронегативного елемента, а позитивний заряд атома Гідрогену 5+ зосереджується в малому об’ємі. Тому протон, тобто атом Гідрогену однієї молекули, що практично втратив свій електрон, взаємодіючи з непо-діленою електронною парою, наприклад, атома Оксигену іншої молекули, скажімо, води, усуспільнює її. У результаті утворюється інший, слабкіший за ковалентний (приблизно в 15-20 разів) зв’язок (рис. 13), який називають міжмолекулярним водневим.
Через це відбувається асоціація молекул води (рис. 14), тобто сполучення їх у складніші (подвоєні, потроєні тощо) асоціати, склад яких можна описати формулою (Н2О)п, де n = 2, 3 і т. д.
Утворення водневих зв’язків між кількома молекулами води можна подати у вигляді фор-
мул; 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 із сусідніми молекулами. Саме таким чином побудований лід, і тому він має дірчасту структуру.
Під час плавлення льоду ця структура руйнується, молекули води набувають компактнішої структури. Через це густина води є більшою, ніж густина льоду.
Наявністю водневих зв’язків пояснюють підвищену температуру танення льоду (0 °С) і кипіння води (100 °С) порівняно з відповідними температурами сполук Гідрогену з іншими елементами VI-A групи (H2S, H2Se, H2Te), оскільки в такому випадку необхідне додаткове витрачання енергії 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 неасоційова-них (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 на 2р-орбіталях неспарені електрони перебувають під кутом 90°. Чому в молекулі води кут між двома ковалентними зв’язками становить 104,5°?
4. Що таке міжмолекулярний водневий зв’язок? У яких випадках він виникає? Як його умовно позначають?
5. Чому вода має більшу густину, ніж лід?
6. Чим пояснюють той факт, що H2O має більшу температуру кипіння порівняно з температурами кипіння речовин подібної будови H2S, H2Se, H2Te?
7. Чому вода є універсальним розчинником?
8. Гідратація — це процес, який відбувається за участі розчиненої у воді речовини внаслідок:
а) хімічної взаємодії з водою;
б) приєднання молекул води за рахунок електростатичної взаємодії;
в) розчинення у воді;
г) розриву всіх водневих зв’язків між молекулами води.
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)