Budowa cząsteczki wody, moment dipolowy, wiązania wodorowe

Budowa cząsteczki wody - woda składa się z wodoru i tlenu – H­₂O; kształt cząsteczki wody odpowiada trójkątowi, gdzie w jednym wierzchołku znajduje się atom tlenu a pozostałych dwóch atomy wodoru, tworzą one kąt 1,82 rad. W cząsteczce wody występuje wiązanie atomowe spolaryzowane, które powstaje między atomem wodoru a atomem tlenu. Atom tlenu silniej przyciąga wspólną parę elektronową znajdującą się na wiążącym orbitalu cząsteczkowym. Kąt między atomami wodoru i atomem tlenu ulega zwiększeniu poprzez wzajemne odpychanie elektrostatyczne atomów wodoru, które niosą cząstkowy ładunek dodatni w silnie spolaryzowanych wiązaniach O‑H, wzajemne odpychanie elektronów sąsiednich wiązań, a także tworzenie się orbitali zhybrydyzowanych, które są korzystniejsze energetycznie do nakrywania się atomów oddziaływających z chmurami elektronowymi. Dzięki temu tworzą się najtrwalsze wiązania chemiczne. Wyróżnia się trzy rodzaje hybrydyzacji: sp, sp², sp³, z czego cząsteczka wody wykazuje tendencje do tworzenia trzeciej z nich, tworząc regularny tetraedr, w których dwa orbitale są zapełnione „własną” parą elektronową.

Moment dipolowy - ze względu na swą budowę i wiązania atomowe spolaryzowane cząsteczka wody jest biegunowa, inaczej polarna. Cząsteczki, w których wyraźnie zaznaczają się dwa bieguny nazywają się dipolami. Stopień ich polarności charakteryzuje się za pomocą tzw. Momentu dipolowego, który jest równy iloczynowi bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów i odległości między biegunami:

[D]

Zwykle momenty dipolowe cząsteczek mają wartości w przedziale od 0 do kilku debaji [D]. Moment dipolowy cząsteczki wody wynosi 1,84 D. Wskazuje to na silną polaryzację cząsteczki wody oraz asymetrię jej budowy, co ma istotny wpływ na jej właściwości. Biegunowość cząsteczki wody jest przyczyną powstawania zjawiska asocjacji i hydratacji.

Wiązanie wodorowe - cząsteczki dipolowe wody przyciągają się wzajemnie przeciwnymi biegunami, a następnie łączą się ze sobą wiązaniami wodorowymi, które należą do oddziaływań specjalnych. Występuje między dwiema cząsteczkami, z których jedna zawiera grupę protonodonorową, drga zaś protonoakceptorową. Cząsteczka wody ma dwie grupy protonodonorowe, jak i dwie wolne pary elektronowe (protonoakceptorowe), a zatem cząsteczki wody mogą utworzyć przestrzenną sieć wiązań wodorowych. Aby rozerwać cząsteczki zasocjowane, należy użyć dodatkowej energii i tym samym tłumaczy się anormalnie wysokie temperatury wrzenia wody i topnienia lodu w porównaniu z innymi związkami, duże ciepło parowania i topienia, dużą stałą dielektryczną i duże napięcie powierzchniowe. Wiązanie wodorowe stanowi główny czynnik wzajemnego powiązania cząsteczek oraz decyduje w znacznym stopniu o budowie ważnych biologicznie układów.

Stany skupienia wody, struktura wody ciekłej, pary, lodu

Woda może występować w trzech podstawowych stanach skupienia: ciekła, para i lód. Różnice między stanami skupienia wody polegają na różnej odległości cząsteczek, która warunkuje odmienne oddziaływanie między nimi.

Struktura lodu - w krysztale lodu każdy atom tlenu jest otoczony tetraerdrycznie czterema innymi atomami tlenu, rozłożonymi w jednakowej odległości 0,276 nm od centralnego atomu. Na każdym z czterech odcinków łączących atom tlenu z jego najbliższym sąsiadem znajduje się atom wodoru. Dwa z tych atomów są oddalone od centralnego atomu tlenu o 0,101 nm a dwa pozostałe o 0,175 nm. Lód jest typowym kryształem molekularnym, w którym cząsteczka wody zachowuje swą indywidualność. Struktura lodu ma znaczne luki przestrzenne. Cząsteczki wody w strukturze lodu są umiejscowione sztywno w węzłach sieci krystalicznej i zdolne jedynie do wykonywania ruchów drgających i ewentualnej wędrówki po defektach sieci.

Struktura wody ciekłej - w temperaturze bliskiej temperaturze topnienia lodu jest zachowane ok. 85% wiązań wodorowych między cząsteczkami. W tych niskich temperaturach istnieją jeszcze pozostałości struktury lodu zwane klasterami, które w zależności od temperatury zawierają do 100 cząsteczek wody. Innymi strukturami są klatraty składające się z 20 cząsteczek rozłożonych nierównomiernie na powierzchni kuli oraz mające bardziej stabilną strukturę. Struktury te są nietrwałe i ze wzrostem temperatury rozpadają się. Stopniowy rozpad struktur warunkowanych wiązaniami wodorowymi powoduje, że gęstość ciekłej wody zwiększa się podczas ogrzewania od temperatury topnienia do 277,14 K. Woda w stanie ciekłym jest mieszaniną pojedynczych cząsteczek wody i różnych asocjatów. W tej fazie cząsteczki wody znajdują się bliżej siebie niż w fazie gazowej i ich wzajemne oddziaływanie jest większe. Mogą one zmieniać położenie względem siebie, ale tylko w pewnych granicach. Z tej przyczyny ciecze łatwo zmieniają kształt, trudno natomiast objętość.

Struktura wody w stanie pary - w stanie pary woda składa się z pojedynczych cząsteczek H₂O. W tym stanie odległości między cząsteczki są znaczne, a siły wzajemnego przyciągania znikome; cząsteczki zatem mają swobodę wykonywania ruchów postępowych.