Молекула воды

Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода (H₂O). Схематично строение молекулы воды можно изобразить так:

Молекула воды является так называемой полярной молекулой, потому что ее положительный и отрицательный заряды не распределены равномерно вокруг какого-то центра, а размещены асимметрично, образуя положительный и отрицательный полюсы. Рисунок показывает в чрезвычайно упрощенном виде, как присоединены два атома водорода к одному атому кислорода, образуя молекулу воды.

Угол отмеченный на рисунке и расстояние между атомами зависит от агрегатного состояния воды (подразумеваются равновесные параметры, т.к. имеют место постоянные колебания). Так в парообразном состоянии угол равен 104° 40', расстояние O-H - 0,096 нм; во льду угол - 109° 30', расстояние O-H - 0,099 нм . Различие параметром молекулы в парообразном (свободном) состоянии и во льду вызвано влиянием соседних молекул. Также влиянию подвержены и молекулы в жидкой фазе, в которой помимо влияния соседних молекул воды существует сильное влияние растворенных ионов других веществ.

История определения состава молекулы воды

Начиная с истоков химии учёные в продолжение довольно большого периода времени считали воду простым веществом, так как она не могла быть разложена в результате тех реакций, которые были известны в то время. Кроме того, постоянство свойств воды как бы подтверждало это положение.

Весной 1783 г., Канендиш в своей кембриджской лаборатории работал с недавно открытым "жизненным воздухом" - так в то время называли кислород, и "горючим воздухом" (так называли водород). Он смешивал один объем "жизненного воздуха" с двумя объемами "горючего воздуха" и пропускал через смесь электрический разряд. Смесь вспыхивала, и стенки колбы покрывались капельками жидкости. Исследуя жидкость, ученый пришел к выводу, что это чистая вода. Ранее подобное явление описал французский химик Пьер Макер: он ввел в пламя "горючего воздуха" фарфоровое блюдце, на котором образовались капельки жидкости. Каково же было удивление Макера, когда он исследовал образовавшуюся жидкость, и обнаружил что это вода. Получался какой-то парадокс: вода, гасящая огонь, сама образуется при горении. Как мы теперь понимаем, происходил синтез воды из кислорода и водорода:

H₂ + O₂ → 2H₂O + 136,74 ккал.

В обычных условиях эта реакция не идет, и чтобы водород стал активен, нужно повысить температуру смеси например с помощью электрической искры, как в опытах Кавендиша. Генри Кавендиш располагал достаточными данными, чтобы установить, в каких пропорциях входит кислород и водород в состав воды. Но он этого не сделал. Возможно, ему помешала глубокая вера в теорию флогистона, в рамках которой он пытался интерпретировать свои эксперименты.

Весть об опытах Кавендиша достигла Парижа в июне того же года. Лавуазье сразу же повторил эти опыты, затем провел целую серию подобных экспериментов и через несколько месяцев 12 ноября 1783 г. в день святого Мартина доложил результаты исследований на традиционном собрании Французской академии наук. Любопытно название его доклада, характерное для всей той несуетливой педантичной эпохи великих открытий естествознания: "О природе воды и экспериментах, по-видимому, подтверждающих, что это вещество не является, строго говоря, элементом, а может быть разложено и образовано вновь". Доклад был встречен горячими возражениями - данные Лавуазье явно противоречили уважаемой и популярной в то время теории флогистона. Он сделал правильный вывод, что вода образуется при соединении "горючего газа" с кислородом и содержит (по массе) 15% первого и 85% второго (современные данные - 11,19% и 88,81%).

Через два года Лавуазье вновь вернулся к опытам с водой. Академия наук поставила перед Лавуазье практическую задачу - найти дешевый способ получения водорода как самого легкого газа для нужд нарождающегося воздухоплавания. Лавуазье привлек к работе военного инженера, математика и химика Жана Мёнье. В качестве исходного вещества они выбрали воду - вряд ли можно было отыскать сырье дешевле. Зная, что вода - это соединение водорода с кислородом, они пытались найти способ отнять от нее кислород. Для этой цели годились различные восстановители, наиболее же доступным было металлическое железо. Из реторты-кипятильника водяные пары поступали в раскаленный докрасна на жаровне ружейный ствол с железными опилками. При температуре красного каления (800 °С) железо вступает в реакцию с водяным паром, и выделяется водород:

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂↑

Образовавшийся при этом водород собирался, а не прореагировавшие водяные пары конденсировались в холодильнике и отделялись в виде конденсата от водорода. Из каждых 100 гран воды получалось 15 гран водорода и 85 гран кислорода (1гран = 62,2мг). Эта работа имела и важное теоретическое значение. Она подтвердила ранее сделанные выводы (из опыта по сжиганию водорода в кислороде под колоколом), что вода содержит 15% водорода и 85% кислорода (современные данные - 11,19% и 88,81%).

Исходя из того, что "горючий воздух" участвует в образовании воды, французский химик Гитон де Морво в 1787 г. предложил назвать его hydrogene (от слов гидро- вода и геннао-рождаю). Русское слово "водород", т.е. "рождающий воду", является точным переводом латинского названия.

Жозеф Луи Гей-Люссак и Александр Гумбольдт, проведя совместные опыты в 1805 году, впервые установили, что для образования воды необходимы два объема водорода и один объем кислорода. Подобные мысли были высказаны и итальянским ученым Амедео Авогадро. В 1842 г. Жан Батист Дюма установил весовое соотношение водород и кислорода в воде как 2:16.

Однако в силу того что с атомными массами элементов в первой половине XIX века было много неразберихи и эта обстановка еще больше осложнилась в связи с введением понятия "эквивалентный вес", то долгое время формула воды записывалась в самых различных вариантах: то как HO, то как H₂O и даже H₂O₂. Об этом писал Д.И. Менделеев: "В 50-х годах одни принимали O=8, другие O=16, если H=1. Вода для первых была HO, перекись водорода HO₂, для вторых, как ныне, вода H₂O, перекись водорода H₂O₂ или HO. Смута, сбивчивость господствовали...".

После Международного конгресса химиков в Карлсруэ, состоявшегося в 1860 году, удалось внести ясность в некоторые вопросы, сыгравшие заметную роль в дальнейшем развитии атомно-молекулярной теории, а следовательно, и в правильном толковании атомарного состава воды. Была установлена единая химическая символика.

Экспериментальные исследования, выполненные в XIX веке весовыми и объемными методами, в конце концов убедительно показали, что вода как химическое соединение может быть выражена формулой H₂O.

Как уже известно, молекула воды довольно "однобока" - оба атома водорода примыкают к кислороду с одной стороны. Интересно, что эта чрезвычайно важная особенность молекулы воды была установлена чисто умозрительно задолго до эпохи спектроскопических исследований английским профессором Д. Берналом. Он исходил из того, что вода обладает весьма сильным электрическим моментом (в то время, в 1932 г., это было известно). Проще всего, конечно, молекулу воды "сконструировать", расположив все входящие в нее атомы по прямой линия, т.е. H-O-H. "Однако, - пишет Бернал, - водяная молекула подобным образом построена быть не может, ибо при такой структуре молекула, содержащая два положительных атома водорода и отрицательный атом кислорода, была бы электрически нейтральной, не обладала бы определенной направленностью… электрический момент может быть только, если оба атома водорода примыкают к кислороду с одной и той же стороны".

Литература