Документ описывает молекулу воды, её строение и физико-химические свойства, включая аномальные характеристики, такие как высокая теплоемкость и уникальная плотность льда. Рассматриваются химические взаимодействия воды с различными веществами, а также её важность в биологических и экологических процессах. Вода также играет ключевую роль как универсальный растворитель и в процессах формирования биологических мембран.

1. ВОДА.
Строение молекулы воды.
Формула молекулы воды – OH 2 Структурная формула молекулы
воды –
Рассматривая механизм образования химических связей, следует отметить, что две пары электронов
являются общими для ядер водорода и кислорода. Образовавшиеся молекулярные орбитали
деформированы, т.к. более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны от атомов
водорода. В результате атом кислорода имеет частичный отрицательный, а атомы водорода – частичные
положительные заряды. Химическая связь в молекуле ковалентная полярная.
Пространственное строение молекулы –
тетраэдрическое, т.к. атом кислорода находится в
состоянии 3
sp - гибридизации. Однако
гибридизация оказывается неполной из-за того,
что две электронные пары не принимают участия
в образовании ковалентных связей, и их орбитали
располагаются в плоскости, перпендикулярной
плоскости молекулы.
Поэтому валентный угол в молекуле составляет
0
5,104 , а не 0
5,109 (такой угол характерен для
молекул только в структуре льда). Атомы
кислорода и водорода лежат в одной плоскости,
и разноименные частичные заряды оказываются
пространственно разделены. В результате
молекула воды, несмотря на
электронейтральность, является диполем.
Физические свойства воды.
Вода - жидкость без цвета и запаха, дистиллированная вода имеет неприятный специфический вкус. Вода
обладает аномальными свойствами:
1. В природе находится в трех агрегатных состояниях: парообразном, жидком и твердом. Твердое
состояние воды также может быть двух типов: кристаллическое – лед и некристаллическое –
стеклообразное, аморфное. При мгновенном замораживании с помощью жидкого азота молекулы не
успевают выстроиться в кристаллическую решетку, и вода приобретает стеклообразное строение.
Именно это свойство воды позволяет замораживать без повреждения некоторые живые организмы и
органы. Для кристаллического состояния воды также характерно большое разнообразие форм. Так при
р =2 076 600 кПа образуется горячий лед с температурой плавления +76 С0
. В каждом из состояний
структура воды неодинакова.
2. Температура замерзания воды - С0
0 , температура кипения - С0
100 . Эти значения выше
соответствующих значений для водородных соединений элементов VIA подгруппы. Согласно
закономерности изменения свойств водородных соединений вода должна бы иметь точки замерзания

2. между -90
и –120 С0
, а кипения – между 75 и 100 С0
.
3. Вода имеет самую высокую теплоемкость (т.е. количество теплоты, необходимое для повышения
температуры на 1 С0
) среди жидкостей (примерно 4,2 Дж/(г.град)). Теплоемкость воды в 3100 раз
превышает теплоемкость воздуха и в 4 раза – теплоемкость некоторых горных пород. Лишь водород и
аммиак обладают большей теплоемкостью.
4. Плотность воды, в отличие от других жидкостей, по мере охлаждения увеличивается и имеет
максимум при С0
4+ , а затем резко уменьшается и составляет для льда 3
/91,0 смг (у жидкой воды
3
/1 смг ).
5. На поверхности воды создается поверхностное натяжение, величина которого максимальна при 18
С0
и выше только у ртути. Вода обладает также свойством адгезии (прилипания), которое
обнаруживается при ее подъеме против гравитационных сил в капиллярах.
6. Вода не проводит электрический ток.
7. Вода является универсальным растворителем ионных соединений и полярных молекул. Вода плохо
растворяет неполярные вещества.
Долгое время необычные свойства воды были загадкой для ученых. Теперь выяснено, что они в основном
обусловлены тремя причинами:
• Полярным характером молекул;
• Наличием неподеленных электронных пар у атомов кислорода;
• Образованием водородных связей.
Возникновение водородных связей происходит потому, что поляризованный атом водорода
обладает уникальными свойствами: отсутствием электронных оболочек, очень малым радиусом и
значением относительной электроотрицательности. Поэтому водород
сближается с соседним отрицательно заряженным атомом и образует
особый вид связи за счет электростатического взаимодействия
«оголенного» ядра и электронной оболочки другого атома.
Водородная связь очень слабая. В жидкой воде энергия, необходимая
для ее разрыва, равна 18,84 кДж/ моль (энергия ковалентной связи Н – О
составляет 460, 4 кДж/ моль). Но данные связи прочнее вандерваальсовых
сил и могут обеспечить связь молекул в жидком и твердом состоянии.
Водородные связи возникают (при этом энергия выделяется) и
разрушаются (для этого необходим приток энергии). Время «полу жизни»
для водородной связи – менее 9
101 −
× секунды.

3. На рисунке показан фрагмент кристаллической решетки льда.
Каждый атом кислорода находится в центре тетраэдрической
структуры, возникшей благодаря ковалентным и водородным связям с
атомами водорода. Эта ажурная кристаллическая решетка далека от
плотной упаковки частиц, этим и объясняется небольшая плотность
льда. При плотнейшей упаковке молекул лед бы имел плотность
3
/2 смг . Во время плавления льда водородные связи частично
разрушаются (примерно на 10%), в пустотах каркаса льда оказываются
молекулы воды, не имеющие или образующие небольшое число
водородных связей, это несколько сближает молекулы, поэтому вода
немного плотнее льда. При дальнейшем повышении температуры
водородные связи разрываются, т.к. усиливается тепловое движение
молекул, жидкость превращается в пар.
Аномально высокая теплоемкость воды объясняется тем, что сначала теплота расходуется на
разрыв водородных связей и только потом – на тепловое движение молекул.
Водородная связь играет большую роль в процессах растворения, т.к. растворимость зависит и от
способности вещества образовывать водородные связи с растворителем. Например, сахар, молекулы
которого имеют много ОН-групп, очень хорошо растворим в воде. Кроме того, наличие элементов
кристаллической структуры в жидкой воде и большой дипольный момент ее молекул приводят к тому, что
электростатическое взаимодействие между частицами в водной среде приблизительно в 80 раз слабее, чем
в вакууме. Поэтому все ионные и многие полярные соединения в водных растворах диссоциируют.
Химические свойства воды.
1. Разложение воды (очень трудно!).
• Термическая диссоциация (около 2000 С0
)
• Фотохимическая диссоциация (УФ-излучение)
• Электролиз
Приводят к разложению молекул до водорода и кислорода: 222 22 OHOH +=
• Под действием радиоактивного излучения: 22222 34 OHOHOH ++=
2. Взаимодействует с металлами.
• Если металл находится в электрохимическом
ряду напряжений металлов до Mg :
22 222 HNaOHOHNa +=+
• Если металл находится в электрохимическом
ряду напряжений металлов от Mg до H :
22
0
HZnOOHZn Ct
+→+
• С металлами, находящимися в
электрохимическом ряду напряжений
металлов после водорода не взаимодействует.
3. Взаимодействует с неметаллами.
• С атомарным кислородом: 222 OHOOH =+
• Вода «горит» в струе фтора:
222 422 OHFFOH +=+
• С хлором на свету:
HClOHClOHCl светуна
+ →←+ 22
4. Взаимодействует с оксидами.
• С основными оксидами щелочных и
щелочноземельных металлов с образованием
щелочей:
NaOHOHONa 222 =+
• С кислотными оксидами с образованием
кислот:
43252 23 POHOHOP =+
5. С солями, образованными слабым основанием и слабой кислотой (необратимый гидролиз).
↑+↓=+ SHOHAlOHSAl 23232 3)(26
6. С органическими веществами (гидролиз и гидратация)

4. • Гидратация непредельных углеводородов:
• Гидролиз сложных эфиров:
7. Вода является лигандом в комплексных соединениях.
Большинство ионов в растворе прочно связываются с молекулами воды с образованием аквакомплексов
[ ] +n
mOHM )( 2 или [ ] −n
mOHA )( 2 , которые нередко сохраняются при выделении соли из растворов в виде
кристаллогидратов:
OHCuSOOHCuSO 2424 55 ×=+
Значение воды.
• Вода – растворитель. Растворяет многие вещества, используемые в народном хозяйстве и в
промышленности. Переводит в растворимое состояние минеральные соли, сахара, спирты,
попадающие в протопласт клетки. Когда вещество растворяется, его молекулы или ионы получают
возможность двигаться более свободно. Следовательно, растворение повышает реакционную
способность веществ. По этой причине большая часть химических реакций в живой и неживой
природе протекает в водных растворах.
• Многие гидрофобные и амфифилические вещества (липиды, например), не смешиваются с водой и
способны к гидрофобным взаимодействиям. Это свойство некоторых органических веществ играет
важную роль при образовании биологических мембран, поддержании структуры белков, ДНК и РНК.
• Большая теплоемкость воды сводит к минимуму происходящие в окружающей среде изменения.
Благодаря этому, биологические процессы могут протекать в постоянных условиях независимо от
резких температурных колебаний.
• Испарение воды – эндотермический процесс – используется растениями и животными для охлаждения
поверхности тела (потоотделение, тепловая одышка, транспирация).
• Небольшая плотность льда приводит к тому, что замерзание водоемов происходит сверху вниз. Лед
покрывает толщу воды как одеялом, это повышает шансы на выживание организмов, обитающих в
воде. Кроме того, имея разную плотность, слои воды циркулируют в водоемах, перенося питательные
вещества для водных обитателей.
• Транспортная функция воды проявляется также в виде миграции неорганических веществ в неживой
природе. Эту роль вода выполняет также в крови, в лимфатической и экскреторной системе, во флоэме
и ксилеме растений
• Вода – активное химическое вещество. Она участвует во многих химических реакциях.
• Влажность является одним из абиотических факторов и вызывает возникновение многих важных
адаптаций (например, у растений – ксерофитов и гидрофитов, водных животных). Вода служит средой,
в которой происходит оплодотворение, она обеспечивает распространение семян, плодов, личиночных
стадий. Благодаря воде осуществляется прорастание семян, она служит гидроскелетом для некоторых
животных (например, для кольчатых червей).