Объясняем простыми словами понятие энергия водородной связи воды
Вода на Земле — уникальный дар Вселенной. Наша Голубая планета потому так называется, что больше чем на 70% покрыта морями и океанами, снегами и ледниками.
Естественным образом ее роль во всех процессах, проистекающих на планете, совершенно неоспорима. Происхождение самой жизни в этом кусочке Вселенной уже античные философы связывали именно с водой. Аристотель называл ее началом всех начал.
Главное ее отличие от других соединений — возможность находиться в жидком, твердом (лед), газообразном (пар) состоянии. Основной смысл всего происходящего с изменениями, пути преобразования. Поищем ответы вместе.
Из истории исследований вопроса
Впервые концепция водородной связи (Н-связь) упомянута Т. Муром и Уинмиллом в 1912. Позднее подробно описана касательно самой известной ее формы — воды в труде Латимера и Родебуша в 1920.
Энергия водородной воды в естественной природе вещей видна нам невооруженным глазом. Когда мокрые листочки бумаги, сложенные в пачку, намокают, а затем высыхают, они слипаются. Вяленая шерсть, t кипения при 100 градусах Цельсия, иные проявления Н-связей.
Объясняем процесс
Загадочный, притягательный для ученых мир атомов и молекул находится в постоянном движении и взаимодействии. Из школьных уроков химии и физики каждому известно, что в составе атомов есть ядро, состоящее протонов и нейтронов в окружении электронов. Последние из названных частиц обладают отрицательным зарядом, вращаются вокруг ядра по заданной траектории.
Атомы в молекуле не разлетаются благодаря особой химической связи. Самой распространенной является ковалентная связь, при которой у атомов есть общие электроны.
Водородные связи устроены по-другому, при помощи межмолекулярного взаимодействия между разными молекулами. В молекулярной структуре воды присутствуют две поделенные электронные пары, которые участвуют в образовании 2 полярных ковалентных связей. Электроотрицательный атом притягивает положительно заряженное ядро атома, благодаря чему создается частичный положительный заряд на атоме водорода. Он взаимодействует с частичным отрицательным зарядом электроотрицательного атома. Так получается водородная связь.
Но у молекулы воды остаются еще две неподеленные пары электронов. У них тоже свое место в протекании взаимодействия. Они пытаются располагаться на удалении друг от друга. Эти попытки оказывают влияние на форму молекулы — угловое строение Н-О-Н, напоминающее тетраэдр, в центре которого атом кислорода. Вершины занимают 2 атома Н и две неподеленные пары электронов.
ВАЖНО: Чтобы установились водородные связи, необходимо присутствие в молекулах того или иного вещества атомов водорода, которые связаны с электроотрицательными атомами. При этом возникает заметный частично положительный заряд на атомах Н2.Также обязательно присутствие у заряженных отрицательно атомов неподеленных электронных пар. В таких условиях при взаимодействии обедненного электронами атома водорода молекулы-акцептора с неподеленной электронной парой на атоме молекулы-донора образуется межмолекулярная связь, подобная полярной ковалентной. Ее прочность увеличивается за счет притяжения разноимённых зарядов.
Выделим главные аспекты
Особый тип межмолекулярной силы, называемый водородной связью, проявляется при стечении трех обстоятельств.
- Обязательно наличие электроотрицательного атома: О (кислород), N(азот), F(фтор).
- Доступность одиноких (неподеленных) пар на атоме с отрицательным зарядом, чаще всего они есть у кислорода и азота.
- Третьим условием является правильное расположение в пространстве атома водорода и электроотрицательного атома. Геометрическое расположение молекул в воде Н2О предполагает ковалентную связь каждого атома кислорода с двумя атомами водорода. В результате образуются водородные связи между атомами водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой молекулы воды. В водных растворах аммиака (NH3), фтороводорода (HF) водородные связи получаются не только между молекулами непосредственно этих веществ NH3 и HF, но и с молекулами воды.
Возникающие водородные связи оказывают большое влияние на протекание биологических и химических процессов. Аммиак в результате демонстрирует чудеса растворимости: одного литра воды хватает для растворения 750 л газообразного аммиака. Существует еще огромное количество примеров в природе, когда энергия водородной связи играет решающую роль в разных сферах.
Суть заключается в том, что возникающие новые межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи имеют бОльшую длину (2, 04 А) и энергию 21,5 кДж/моль в димере воды Water dimer (Н2О)2. Димеры — это открытые российскими учеными связанные слабой водородной связью пары молекул, которые в атмосфере поглощают и рассеивают красные лучи в солнечном спектре.
Благодаря увеличенной длине и энергии вода может выступать в роли жидкости или льда. Когда она преобразуется в парообразное состояние, водородные связи разрушаются.
Прочность водородных связей вариативна. Есть слабые от 1 до 2 кДж/моль и сильные (пара вода-аммиак обладает энергией водородной связи в жидкой воде 29 кДж/моль. А энергия сильных водородных связей иллюстрируется ионом бифторида. Здесь значение составляет 161,5.
Кроме обозначения в кДж/моль, энергию Н-связей также фиксируют в ккал/моль. Тогда параметры водородной Н-связи варьируются в диапазоне от 1 до 40. Они сильнее так называемого ван-дер-вальсова взаимодействия между атомами и молекулами (van der Waals force). Но более слабы в сравнении с ковалентными, ионными связями.
Белки, без которых невозможна жизнедеятельность живых существ, обладают трехмерной структурой, со стабильной складкой, формой, что помогает правильно функционировать.
Лёд состоит из более крупных агрегатов, чем жидкость. У него открытая решетчатая конструкция, в которой между молекулами есть пустоты. Их объем больше, чем обычная молекула, что приводит к снижению плотности. Если бы этого не было, то вся жидкость в водоемах при очень низких температурах замерзала. Все живые существа в них просто погибали.
Аммиак NH3 демонстрирует нам характерные физические свойства: способность растворяться в воде, температура кипения.
С2Н5ОН (этанол) растворяется в воде и сам служит растворителем.
CHCI3 соединил в себе хлор, водород, атомы углерода. Он стабилен и может служить растворителем.
В разных тканях, пластмассах повсеместно используются нейлоновые полимеры. Они обладают долговечностью, прочностью за счет энергии водородных связи между амидными группами и нейлоновой полимерной цепью.
Целлюлоза представляет собой связанные между собой длинные цепочки молекул глюкозы. Энергия водородной связи между соседними цепочками обеспечивает прочную, жесткую структуру, устойчивость к механическому напряжению.
Водородные связи в сцепках «азот – водород» и «кислород-водород» используются в процессе создания новых лекарств.
Н-связь и красота цвета
В солнечном свете различные цвета сбалансированы друг другом, поэтому он кажется «белым» и лишенным цвета. Однако, если отфильтровать определенную часть спектра, то становится видимым другой цвет, в случае с глубокими водоемами — голубой. Именно этот цвет голубизны придает воде красочные оттенки. Однако для этого необходимо, чтобы солнечный луч прошел через толстый слой чистой воды, пропустивший достаточное количество красных лучей.
Живописцы в своей работе используют понятие «круг цветов». Цветовой круг Иттена представляет собой наиболее упорядоченную, хорошо структурированную комбинацию цветов. Они делятся на основные: синий, красный, желтый. Именно их невозможно получить путем смешения двух цветов.
Вторичные оттенки получаются при смешивании синего и красного (фиолетовый), желтого и красного (оранжевый), желтого с синим (зеленый).
Третичные цвета получаются при перемешивании одного из основных с соседним вторичным оттенком.
Красный и желтый по ассоциации со стихией огня называют теплыми оттенками. Синий в представлении людей приблизительно аналогичен воде, льду, поэтому относится к холодному цвету.
Основные, вторичные (дополнительные) и составные (третичные) цвета называют хроматическими. Черный, белый, серый с присущими ему оттенками относятся к ахроматическим, не имеющими насыщенности, но различающимися яркостью.
Голубая или черная вода — всё зависит от водородных связей
Любой предмет обычно поглощает волны одной длины и отражает волны другой длины. Отраженные волны разными клетками человеческого глаза воспринимаются как тот или иной цвет.
Под цветами солнечного спектра подразумевают оттенки, изображенные на рисунке круга цветов. На нем мы видим дополнительные тона, которые получаются при поглощении хроматического цвета из белого. В противоположных друг к другу секторах находятся дополнительные цвета: оранжевый-синий, красный-зеленый.
Человеческому глазу доступно восприятие света, у которого длина волны находится в диапазоне от 800 нм до 400 нм. Максимальное значение принадлежит пурпурно — красному, а минимум у темно — фиолетового тона.
Разные оттенки, присутствующие в белом солнечном свете, находятся в состоянии равновесия. Благодаря этой уравновешенности люди видят лучи вообще обесцвеченными. Но на самом деле у них есть красный цвет. Когда он проходит сквозь толщу воды, то вызывает колебания молекул этой жидкости, потому что подходит им энергетически. Так как существует энергия водородных связей в жидкой воде, которая, как известно, равна 21,5 кДж/моль, из-за колебания одной молекулы начинают колебаться все её соседки. Совместно они поглощают и рассеивают красные лучи. Природа не терпит пустоты. Если этот оттенок из одного участка спектра исчезает, его место занимает, например, голубой цвет из другого участка. Вода перед нашими глазами окрашивается именно в него.
Чтобы произошла такая метаморфоза, толщина чистой воды должна быть минимум 2 метра. Тогда происходит потеря большого количества красных лучей.
Другое ключевое слово в этой формуле преломления и появления дополнительного голубого оттенка — чистота воды. В ней не должны присутствовать загрязняющие вещества. Иначе они будут поглощать лучи, находящиеся в других участках солнечного спектра.
Большое количество загрязнителей превращают цвет жидкости в черный из-за поглощения всех остальных, видимых глазу человека, оттенков.