Молекула воды
Рис. 5. Модель молекулы Н20 по Н. Бьерруму:
а — орбитали ядер кислорода и водорода в молекуле Н20: б — тетраэдрическое расположение зарядов молекулы воды.
Поэтому все молекулы Н2О в воде взаимно ориентированы и образуют друг с другом особые, так называемые водородные связи.
Учение о водородных связях сыграло поистине революционную роль в представлении о молекулярной структуре воды в жидком, твердом и газообразном состояниях. Что же собой представляют водородные связи? Какие их свойства? Как они образуются и разрушаются?
Водородные связи
Термин «водородные связи» принадлежит американским ученым У. Латимеру и У. Родебушу, которые в 1920 году предложили так называть межмолекулярные связи, являющиеся ключем к пониманию всех аномальных свойств воды.
Образование водородных связей обусловлено квантово-механическими особенностями взаимодействия протонов водорода с ядром кислорода и электронными орбитами разных уровней в молекуле воды. Кроме электростатического взаимодействия, благодаря которому положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу, действуют еще и другие межмолекулярные силы — дисперсионные и обменные.
Если бы можно было непосредственно увидеть молекулу воды, то мы бы обнаружили, что она окутана электронным облаком словно упругий пушистый шарик с двумя бугорками. При сближении двух молекул их электронные облака немного деформируются и в этот момент между ними возникают силы взаимного притяжения. Это — дисперсионные силы. В случае, когда электронные облака сближаются еще больше и начинают перекрываться, между ними согласно квантовомеханическому запрету Паули возникают силы отталкивания. Эти силы носят название обменных или ядерных.
Молекулы воды в любом агрегатном состоянии располагаются между собой таким образом, что электростатические и дисперсионные силы притяжения строго уравновешиваются обменными силами отталкивания. Прочность и длина водородных связей определяются в основном именно этими условиями.
Каждая молекула воды способна образовывать четыре водородных связи. Согласно правилам Бернала-Фаулера, молекула воды характеризуется следующими особенностями:
а) атом кислорода каждой молекулы Н2О связан с четырьмя атомами водорода: с двумя «своими» он связан ковалентной связью, а с двумя «чужими» — с помощью водородных связей;
б) на линии кислород — кислород может располагаться только один протон водорода;
в) пространственная связь тройки О-Н…О, где черточкой обозначена ковалентная связь, а точками — водородная, не может быть произвольной, а имеет четкую направленность.
Другой особенностью водородных связей является кооперативность, т.е. донорно-акцепторное их взаимо-действие.
Строгости ради надо отметить, что водородные связи могут образовывать не только молекулы воды, но и молекулы других соединений, например, аммиака NH3 или фтористоводородной кислоты HF. Однако ни эти, ни какие другие соединения не имеют того спектра аномальных свойств, какими обладает вода.
Структура и характер взаимодействия этих молекул друг с другом (их координационное число, сила связи, особенность образования и разрыва водородных связей, наконец, их геометрия) коренным образом отличаются от своего оригинального собрата.
В мире физико-химических процессов огромное значение имеет сила химических и физических связей. Образование и разрыв ковалентных, ионных, водородных, ван-дер-ваальсовских и других сил и связей межатомного и межмолекулярного взаимодействия составляет основу всего живого, органического и неорганического. И здесь водородные связи между молекулами воды имеют свое неповторимое лицо. О них можно говорить как в меру сильных, так и в меру слабых. В сравнении с ковалентными связями, действующими внутри молекулы воды, водородные связи, скрепляющие в кристаллах льда эти молекулы между собой, оказываются слабее в 24 раза.
