[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.
Тимошкин Алексейдоцент, и.о. зав. каф. общей и неорганической химии
Хрипун Василий ДмитриевичКандидат химических наук
Левин Олег Владиславовичканд. хим. наук, доцент
Боярский Вадим Павловичд-р хим. наук, профессор
