[МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Доброго времени суток, уважаемые слушатели! Сегодня наше занятие посвящено химии воды и процессам, протекающим в водных растворах. Почему именно вода? С одной стороны, на предыдущих занятиях вы обсуждали химию самого распространенного элемента во Вселенной — водорода и самого распространенного элемента на Земле — кислорода. И вполне логичным представляется теперь перейти к обсуждению химии их бинарных соединений, важнейшим из которых является вода. С другой стороны, вода является наиболее распространенной жидкостью на Земле. Почти 70 % площади земного шара занимает Мировой океан. Если рассмотреть всю воду, входящую в состав гидросферы, литосферы, биосферы и атмосферы, совокупное количество воды оценивается в 1,5 миллиарда кубических километров, что эквивалентно покрывающему Землю слою воды толщиной в четыре километра. Именно в водной среде протекают важнейшие геологические, биологические, технологические процессы. Поэтому анализ химических свойств этого растворителя и протекающих в нем процессов необходим для понимания закономерностей многих химических реакций для перехода к управлению этими процессами, к направленному жидкофазному синтезу химических соединений. На слайде представлено строение молекулы воды. Как мы можем с вами увидеть, молекула воды является диполем, то есть центры тяжести положительного и отрицательного заряда разделены в пространстве. Как следствие такой биполярной природы воды, эта молекула способна взаимодействовать как с частицами, обогащенными электронной плотностью, так и с частицами, обедненными электронной плотностью. Вода существенно отличается от своих соседей по периодической системе в плане своих физических свойств, к важнейшим из которых относится температура кипения и плавления. Как мы с вами видим из приведенной таблицы, для воды характерны аномально высокие значения обеих температур. Причина данного явления заключается в особом типе реализованных в жидкой воде взаимодействий — водородных связях. Водородные связи — это особый тип донорно-акцепторных взаимодействий, участие в котором принимают все атомы. В случае воды мы имеем дело с межмолекулярными водородными связями, в которых одна молекула воды выступает в роли акцептора электронной плотности, а другая — в роли донора электронной плотности. Можно ли сказать, что в жидкой воде водородные связи аномально прочны, и именно этим обусловлены столь высокие температуры кипения и плавления? Нет. Посмотрите, существует достаточно много примеров частиц с гораздо более сильными водородными связями, энергии которых составляют несколько сотен килоджоулей на моль. Даже во фтороводороде, который имеет более низкие, чем вода, температуры кипения и плавления, энергия водородной связи несколько выше. Основная особенность молекулы воды заключается в том, что число электрон-донорных позиций, – а роль электрон-доноров здесь выполняют неподеленные электронные пары на атоме кислорода, – равно числу электрон-акцепторных позиций, роль которых выполняют частично протонизированные атомы водорода. И вот такая эквивалентность донорных и акцепторных способностей обуславливает чрезвычайно разветвленную трехмерную сетку водородных связей. В жидкой воде вследствие разветвленной сетки водородных связей формируется квазикристаллическая структура, присутствуют льдоподобные фрагменты, в которых сохраняется характерное для льда тетраэдрическое расположение молекул воды, а также имеются полости в этой структуре, которые заселяются несвязанными водородными связями молекулы воды. Существование таких полостей, заселенных слабо взаимодействующих с окружением молекулами воды, определяет возможность внедрения в эти полости каких-то других молекул, что приводит к широкому диапазону растворяющей способности воды. Исходя из вышесказанного, можно предположить следующие возможные типы взаимодействия воды с растворенным веществом. Наличие полостей в ажурной льдоподобной структуре позволяет протекать процессам внедрения неполярных или слабополярных молекул в эти полости с образованием квадратоподобных структур. Биполярная природа молекулы воды обуславливает возможность электростатических ион-дипольных и диполь-дипольных взаимодействий и взаимодействия вода – растворенное вещество за счет электростатических сил. Образование водородных связей будет приводить к весьма прочному взаимодействию молекул воды с анионами и полярными веществами. И наконец, возможно образование ковалентных связей между молекулами воды и частицами растворенного вещества по донорно-акцепторному механизму, особенно важные в случае катионов переходных металлов.
