Что такое диполь воды в химии

Структура молекул воды и их ассоциатов

Вода начинается с молекулы
Итак, молекула воды ( 1 H₂ 16 O) состоит из двух атомов водорода ( 1 H) и одного атома кислорода ( 16 O). Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.

В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его – сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, – по одному ядру водорода. Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором, показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Строение молекулы воды
а – угол между связями O-H;
б – расположение полюсов заряда;
в – внешний вид электронного облака молекулы воды.

Электронное строение молекулы воды

Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных (избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большей наглядности можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра, в центре которого находится ядро кислорода (рис. 1.5б).

Общий вид электронного облака молекулы воды показан на рис. 1.5в.

Вода растворяет все!
Во многом благодаря диэлектрической проницаемости, вода проявляет себя как универсальный растворитель. Ее растворяющему действию в той или иной мере подвластны и твердые тела, и жидкости, и газы.

Постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, вода фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного состава.

Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить различные минеральные и органические вещества, растворенные в ней (до нескольких десятков миллиграммов на литр).

Минеральный состав воды
В пресных природных водах – речных, озерных – содержание растворенных веществ обычно не превышает 1 г/л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблется содержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их не более 5 г/л, в Черном – 18, а в Красном море – около 40 г/л. В среднем в 1 л океанской воды растворено 34. 35 г солей. Общее количество их настолько велико, что, выделенные из воды, они покрыли бы поверхность земного шара слоем стометровой толщины.

Солевой состав речных и морских вод различен не только количественно, но и качественно. На 89% морские соли состоят из хлоридов (преимущественно – натрия и кальция), на 10% – из сульфатов (натрия, калия и магния), на 1% – из карбонатов (натрия и кальция), а также незначительных количеств других солей. В пресных водах набор минеральных примесей выглядит иначе. Больше всего здесь карбонатов (натрия и кальция) – до 80%. Сульфатов (натрия, кальция и магния) – около 13%. Остальные 7% приходятся на хлориды (натрия и кальция) и другие соли.

Из газов в пресных и морских водах наиболее широко представлены кислород, азот, углекислый газ, сероводород. В чистых холодных истоках горных рек содержание кислорода может достигать 6 мг/л. В глубинных слоях Черного моря высока концентрация сероводорода – до 100 мг/л. Этот ядовитый газ присутствует и в нижних слоях некоторых озер.

В пресных и морских водах в небольших количествах имеются и разнообразные органические компоненты – растворимые соединения типа белков, сахаров, спиртов, углеводородов и т.п. Это продукты жизнедеятельности и распада животных и растительных организмов, населяющих водоемы и их берега, а также отходы промышленности и сельского хозяйства.

Формирование кластеров воды
Полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядов порождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» – ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н₂O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. Это показали результаты определения молекулярной массы водяного пара. В температурном интервале от 0 до 100°С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1%. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой (H₂O)_x

Непосредственной причиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем «стандартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:

Поскольку электронные орбитали в каждой молекуле воды образуют тетраэдричес-кую структуру, водородные связи могут упорядочить расположение молекул воды в виде тетраэдрических координированных ассоциатов

Исследователи раскрывают все более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации» водной массы. Кроме льдоподобной структуры, жидкой воды и мономерных молекул, описан и третий элемент структуры – нететраэдрической.

Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы ассоциатов.

Изучение структуры жидкой воды еще не закончено; оно дает все новые факты, углубляя и усложняя наши представления об окружающем мире. Развитие этих представлений помогает нам понять многие аномальные свойства воды и особенности взаимодействия ее, как растворителя, с другими веществами.

Источник

Строение молекулы воды

Рис. 1. Схематическое изображение молекулы воды

Современной науке известно несколько моделей, с помощью которых можно разрешить многие аномальные свойства воды. Считается, что некоторые свойства определяются количеством ассоциаций молекул мономеров (Н₂О)₁, димеров (Н₂О)₂ и тримеров (Н₂О)₃, которые преимущественно присутствуют в воде при различных температурах.

Рис. 2. Мерцающие кластеры воды

Рис. 3. Схема молекулы воды в виде тетраэдра

Наиболее полно изучены свойства воды, благодаря которым возникла жизнь. Эти свойства сделали возможным существование живой природы в том диапазоне температур, который характерен для Земли как космического тела.
Какие же это свойства?

Источник

Строение воды, ее аномалии и важнейшие физические свойства

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ВОДЫ. § 5. Строение воды, ее аномалии и важнейшие физические свойства

При образовании воды кислород отнимает от атомов водорода их электроны и становится отрицательно. заряженным ионом, а атомы водорода — положительно заряженными ионами. Так как атомы водорода расположены не на одной прямой с атомом кислорода, а под углом, т. е. несимметрично, то внутримолекулярные силы компенсируются неполностью. Появляются остаточные силы. Молекула воды образует электрический диполь, т. е. совокупность равных по величине и противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся на малом расстоянии. Диполь молекулы воды характеризуется дипольным моментом, т. е. вектором, на­правленным от отрицательного к положительному заряду. Он равен произведению зарядов на расстояние между ними. Значитель­ный дипольный момент определяет способность молекулы воды ассоциироваться в различные комплексы, представляющие собой сочетание двух—восьми отдельных молекул.

В парообразном состоянии (при температуре 100° С) вода состоит главным образом из простых молекул, называемых гидролями и соответствующих формуле Н₂О. В жидкой фазе вода представляет смесь простых молекул гидролей (Н₂О), двойных — дигидролей (Н₂О)₂ и тройных молекул — тригидролей (Н₂О)₃.

Рис. 1. Строение молекул воды (а) и тетраэдральное расположе­ние молекул (б).

Согласно кинетической теории газов и жидкости, удельный объем всех тел при повышении температуры увеличивается, т. е. уменьшается плотность. Вода отличается от других тел и в этом отношении: в интервале от 0 до 4° С ее плотность увеличивается в связи с частичным разрушением тетраэдральной структуры, а при дальнейшем повышении температуры плотность уменьшается (удельный объем увеличивается) вследствие увеличения расстояния между молекулами. У морской воды температура наибольшей плотности зависит и от солености. С повышением температуры и понижением солености плотность уменьшается, а с понижением. температуры и увеличением солености увеличивается.

Вода обладает наибольшей из всех веществ удельной теплоемкостью, равной 1,000 кал/г • град, (в системе СИ 4,19 • 10 3 Дж/(кг • К)), за исключением водорода (3,4 кал/г * град., т. е. 14,2-10 3 Дж/(кг.Х ХК)) и жидкого аммиака (1,2 кал/г • град., или 5,02Х Х10 3 Дж/(кг * К)). Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1К (или 1°С). Теплоемкость морской воды несколько ниже, чем пресной, так как присутствующие в ее растворе вещества имеют незначительную теплоемкость. Обычно теплоемкость всех тел, как жидких, так и твердых, увеличивается с повышением температуры. Теплоемкость воды с повышением температуры от 0 до 40° С падает, а затем начинает повышаться. Теплоемкость морской воды уменьшается и с увеличением солености (при t=10° С и S = 10‰ удельная теплоемкость равна 4064 Дж/(кг • К), — при той же температуре и солености 30‰ — теплоемкость 3943 Дж/(кг * К)). Удельная теплоемкость воздуха и пород земной коры значительно меньше удельной теплоемкости воды: воздуха 993 Дж/(кг * К), кварца 796 Дж/(кг * К) и гранита 838 Дж/(кг * К). Большая теплоемкость воды по сравнению с теплоемкостью воздуха и пород суши имеет огромное климатическое значение, оказывает влияние на тепловые и динамические процессы, протекающие на Земле.

Теплопроводность

Вода, лед и воздух плохо. проводят тепло, поэтому в естествен­ных водоемах передача тепла в глубины происходит чрезвычайно медленно. Обогревание же глубинных вод связано с процессами вертикального перемешивания. Для Мирового океана — важную роль играет теплопроводность, связанная с турбулентностью, коэффициент которой в тысячи раз превосходит коэффициент молеку­лярной теплопроводности. Для оценки скорости переноса тепла определяют температуропроводность. Она равна отношению коэф­фициента теплопроводности воды к ее плотности и теплоемкости при постоянном давлении. Весьма малая теплопроводность воды, льда и снега и высокая теплоемкость благоприятны для развития жизни в водоемах.

Скрытая теплота испарения и льдообразования

Высокая теплота испарения воды и плавления льда имеет важное значение для теплового баланса Земли.

Диэлектрическая постоянная воды

Диэлектрическая постоянная воды (ε) весьма высока — она равна 81. У большинства тел она находится в пределах 2—8. Высокий дипольный момент при незначительном молекулярном объеме воды обусловливает высокое значение ε. Только немногие соединения обладают высокой диэлектрической постоянной (нитробензол 36, спирты метиловый 33, этиловый 26 и рутил 170). Вследствие большой диэлектрической постоянной вода отличается большой ионизирующей способностью (способностью расщеплять молекулы растворенных веществ на ионы) и высокой растворимостью различных элементов, входящих в состав почв и горных пород.

Поверхностное натяжение

Вязкость

Вязкость. Вода обладает вязкостью, или внутренним трением. Сила внутреннего трения для воды

(1)

где fη — сила внутреннего трения; η — коэффициент турбулентной вязкости (трения);

При исследовании ламинарных движений коэффициент молеку­лярной вязкости иногда заменяют коэффициентом кинематической

Вязкости ν=η/ ρ (где ρ — плотность воды). С повышением температуры молекулярная вязкость заметно понижается, а с увеличением солености повышается. В природных условиях молекулярная вязкость имеет меньшее значение, чем турбулентная. Скорости и масштабы реальных динамических процессов определяют не 15 ламинарный, а турбулентный характер движения, при котором возникают вихреобразование и пульсации скорости. Коэффициент. молекулярной вязкости в этом случае заменяется коэффициентом турбулентного внутреннего трения.

Вода отличается большой подвижностью. Под влиянием. различных внешних и внутренних сил воды естественных водоемов приходят в движение. Наряду с такими крупномасштабными движениями, как приливы, сейсмические волны, течения, а также волнение, колебания. уровня, вертикальное перемешивание, движение воды может происходить под влиянием молекулярных сил. Силы взаимного притяжения и отталкивания между частицами воды и веществ, с которыми они взаимодействуют, определяют движение воды в капиллярах почв и грунтов. Исследования физических свойств воды показывают, что у пресной воды эти силы зависят главным образом от изменений температуры и давления, а у морской, кроме того, и от солености. Так, например, морская вода, представляя собой высоко ионизированный раствор различных солей, хорошо проводит электрический ток.

Электропроводность

Электропроводность морской воды зависит от температуры и солености. При изменении температуры от 0 до 24° С и солености от б до 40‰ электропроводность увеличивается от 0,6 до 6,1 1/(Ом * м). Пресная вода плохо проводит электрический ток.

В воде обнаружены теллурические токи, обусловленные корпус­кулярным излучением Солнца, связанным с числом солнечных пятен. Величина ‘этих токов в Мировом океане выше, чем в земной коре, вследствие лучшей электропроводности морской воды. Эти токи усиливаются при магнитных бурях и увеличении интенсивно­сти солнечных сияний, т. е. в периоды солнечной активности.

Кроме теллурических токов, в воде обнаружены токи индукции, вызванные движением воды относительно силовых линий магнит­ного поля Земли.

При изучении физических и химических свойств воды необходимо принимать во внимание не только строение молекул воды.

Физические характеристики Н₂О и D₂O

Значения физических констант дистиллированной воды в разных системах единиц

Тепловые свойства воды

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973

Источник

Научная электронная библиотека

Шишелова Т И, Корзун Н Л, Толстой М Ю,

1.1. Физические свойства воды

Физические свойства в полной мере изложены во многих работах. Вода (Н2O) – простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом, бесцветная жидкость с температурой кипения 100 °С. Химическая формула воды такая простая: Н2О; Н–О–Н [1–8]. Размер одной молекулы воды составляет около 3 Å (ангстрем) или примерно 0,28 нм (нанометра).

Рис. 1. Схема строения
молекулы воды

Рис. 2. Тетраэдрическая структура молекулы воды

Вода состоит из одного относительно большого атома кислорода и двух небольших атомов водорода, вокруг которого вращается облачко общих отрицательно заряженных электронов (рис. 1). Угол H–O–H молекулы H2O в газообразном и жидком виде колеблется от 104,5 до 109°

Во льду все молекулы связаны между собой водородными связями. При этом четыре связи каждой молекулы локально организованы в тетраэдрическую структуру, четыре близлежащие молекулы располагаются в вершинах трехгранной пирамиды, в центре которой находится пятая молекула
воды (рис. 2).

Положительно заряженное ядро атома кислорода, ввиду своей большой массы и заряда, сильнее притягивает к себе электронное облачко, оголяя при этом ядра водорода.

Три ядра в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами водорода в основании и кислородом в вершине. Расстояние O–H 0,9568 Å (0,1 нм); H–H – 1,54 Å (0,15 нм). Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором [9], показана на рис. 3.

Рис. 3. Строение молекулы воды, предложенное Н. Бором [9]:
а – угол между связями H–H;
б – внешний вид электронного облака молекулы воды

Свойства воды в основном зависят от водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательности атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот.

Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырех водородных связях: два атома водорода – каждый в одной, а атом кислорода – в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвется, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность ее растет, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная
теплота плавления и кипения и высокая теплоемкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Строение электронного облака молекулы воды таково, что во льду каждая молекула связана четырьмя водородными связями с ближайшими к ней молекулами, координационное число молекул в структуре льда равно четырем. О размере молекулы можно судить по величине расстояния между ближайшими молекулами во льду, составляющего 2,67 Å (0,267 нм). Соответственно молекуле воды можно приписать радиус равный 1,38 Å (0,138 нм). Дипольный момент воды равен 1,87 Дебая. Электрический дипольный момент – векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом электрические свойства системы заряженных частиц (распределения зарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на нее внешних полей.

Исследования показали, что в воде сохраняется ближняя упорядоченность, свойственная структуре льда. Следовательно, тенденция каждой молекулы воды к окружению четырьмя ближайшими молекулами и к образованию с ними водородных связей свойственна как жидкому, так и твердому состоянию. Расстояние между ближайшими молекулами при плавлении льда изменяется от 2,76 Å (0,276 нм) до 2,90 Å (0,29 нм). Свойственное среднее расположение ближайших молекул ведет к очень рыхлой, ажурной структуре. Именно с этим связаны аномальные свойства воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом.

Полярность молекул, наличие в них частично некомпенсированных электрических зарядов создает группировки молекул – ассоциаты. Полностью соответствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. В температурном интервале от 0 до 100 °С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1 %. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой
[Н2O]Х. Причиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды.

Неравномерное распределение электрических зарядов приводит к тому, что молекула воды поляризуется, становится маленьким магнитиком.

В магнитном поле Земли молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, собираются в некие нестабильные конструкции под действием притяжения разноименно заряженных полюсов. Нестабильность таких конструкций определяется слабостью водородных связей между молекулами воды, называемых иногда водородными мостиками.

Тетраэдрическая форма отдельной молекулы повторяется в кристаллической структуре льда. Возможно, определенную роль здесь играет то, что угол H–O–H молекулы H2O почти равен идеальному тетраэдрическому углу 109°, а молекулы воды, как мы знаем, объединяются с помощью водородных связей, которые они образуют именно в направлении O–H. Эти трехгранные пирамиды могут также объединяться в некую сверхструктуру. Во льду такая сложная трехмерная сверхструктура из тетраэдров простирается на весь объем (рис. 4).

Рис. 4. Структура Н2О льда

Льдообразная молекула воды содержит как простые молекулы воды, так и кластера льдообразных структур (рис. 5).

Источник

ДИПОЛЬ

Смотреть что такое «ДИПОЛЬ» в других словарях:

ДИПОЛЬ — (от греч. di приставка, означающая дважды, двойной, и polos полюс) электрический, совокупность двух равных по абс. величине разноимённых точечных зарядов (+е, е), находящихся на нек ром расстоянии l друг от друга. Осн. хар кой электрич. Д. явл.… … Физическая энциклопедия

ДИПОЛЬ — (от ди. и греч. polos полюс) 1) электрический диполь совокупность двух точечных электрических зарядов, равных по величине и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга;2) магнитный диполь совокупность двух равных … Большой Энциклопедический словарь

диполь — антенна Словарь русских синонимов. диполь сущ., кол во синонимов: 1 • антенна (17) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

диполь — я, м. dipôle < di(s) + polos полюс. 1. физ. Совокупность двух равных по ведичине электрических зарядов, расположенных на некотором расстонии друг от друга. Крысин 1998. 2. техн. Один из типов антенн для коротких волн. Крысин 1998. Антенна… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

диполь — Совокупность двух частиц, находящихся одна от другой на расстоянии, много большем размера частиц и много меньшем расстояния от частиц до точек наблюдения, и обладающих электрическими зарядами, равными по абсолютному значению, но противоположными… … Справочник технического переводчика

Диполь — (от греческого di приставка, означающая дважды, двойной, polos полюс) гидродинамический точечная особенность в поле безвихревого течения идеальной несжимаемой жидкости, которая представляет собой предельное состояние источников и стоков равной… … Энциклопедия техники

ДИПОЛЬ — антенна, представляющая собой короткий горизонтальный или вертикальный провод, в середине к рого подводится энергия от радиопередатчика или отбирается энергия для радиоприемника. Д. применяется при работе на коротких и ультракоротких волнах и… … Технический железнодорожный словарь

ДИПОЛЬ — система двух разноименных равных по величине зарядов (электрических или магнитных), находящихся в непосредственной близости друг от друга. Д. характеризуется своим моментом, представляющим собой вектор, направленный от отрицательного заряда к… … Геологическая энциклопедия

диполь — dipole Dipol – 1) Двополюсник. Розрізняють Д. електричний і магнітний. Електричний Д. – сукупність двох рівних за абсолютною величиною різнойменних зарядів, які знаходяться на певній відстані один від одного. Характеристикою Д. електричного є… … Гірничий енциклопедичний словник

диполь — – электронейтральная частица, в которой центры частично отрицательного и частично положительного зарядов не совпадают в пространстве. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины

Источник