ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Структура молекулы воды и явление гидратации в водных растворах из "Магнитная водоподготовка на химических предприятиях " Особенности свойств воды определяются прежде всего строением ее молекул. Исследования Мулеккена, Леонарда-Джонса, Попла и других ученых [38] показали, что молекула воды представляет собой агрегат, состоящий из одного атома кислорода, двух атомов водорода. Молекула имеет десять электронов, два из которых движутся вблизи ядра, а остальные восемь движутся по четырем вытянутым эллиптическим орбитам [1, 19, 21]. [c.23] Молекула воды представляет собой тетраэдр, в вершинах которого расположены заряды. На рис. 1 показана модель молекулы воды, построенная Н. Бьеррумом [37]. [c.23] Согласно его исследованиям расстояние положительных зарядов от центра атома кислорода (обозначенного на рис. 1 черным кружком), составляет 0,099 нм, величина заряда в вершинах тетраэдра составляет 0,171 е (е—заряд электрона). Расстояние О — Н, поданным X. Херцберга, в молекуле водяного пара равно 0,0956 нм. [c.23] Особенностью внутреннего строения молекулы воды является несимметричное расположение атомов водорода относительно атома кислорода. Причем атомы водорода расположены на одной прямой, проходящей через центр атома кислорода, а не под углом к нему (рис. 2, а). [c.23] Такое расположение вызывает несимметричность распределения электрических зарядов в молекуле воды. При этом небольшие по сравнению с атомом кислорода размеры атома водорода позволяют ему углубиться в сферу оболочек атома кислорода (рис. 2, б). [c.23] В молекуле можно выделить две точки, одна из которых является как бы центром тяжести отрицательных зарядов, другая — центром тяжести положительных зарядов. [c.23] На положение таких центров оказывают влияние в основном величина зарядов и равномерность их распределения. Если центры в молекуле совпадают, что оказывает влияние на равномерность распределения электронов, осуществляющих валентную связь между атомами молекул, то такие молекулы называются неполярными (например, 62 и На). Несовпадение же указанных центров говорит о смещении валентных электронов в сторону одного из атомов, о наличии двух полюсов — положительного и отрицательного, вследствие чего молекула воды обладает ярко выраженными полярными свойствами (рис. 3). Именно полярностью молекул воды в основном можно объяснить способность ее растворять многие вещества. [c.24] Поведение ионов в водных растворах в значительной степени является следствием их гидратации [381. Явление гидратации обусловлено тем, что заряженная частица (ион), появившаяся среди молекул воды, изменяет свойства и порядок их распределения в растворе. Так как,молекулы воды имеют дипольный момент, они, взаимодействуя с ионами, образуют гидратные оболочки. Но электростатическое взаимодействие не является единственной причиной гидратации ионов. Гидратация ионов может возникать и в результате действия некулоновских — химических сил, например, при образовании гидратов солей меди и др. Гидратация ионов зависит от их природы. Так, катионы кальция, магния связывают молекулы воды прочно, а анионы хлора, брома и некоторые другие — менее прочно. Степень гидратации ионов зависит также от температуры и ряда других факторов. [c.24] В табл. 8 приведены числа гидратации ионов по данным различных авторов (количество молекул HgO в гидратированном ионе), которые значительно отличаются одно от другого, что является не результатом экспериментальных ошибок, а различием методов, использованных при проведении исследований с помощью одних методов учитываются только молекулы воды, прочно связанные с ионами, с помощью других — и менее прочно связанные молекулы воды. [c.25] Согласно данным работы [38], сольватация (в водных растворах гидратация) ионов может быть разделена на первичную и вторичную. Первичная сольватация состоит в прочном связывании ионом молекул растворителя. Эти связанные молекулы совершают броуновское движение с ионом как единое целое. [c.25] Вторичная сольватация представляет собой электростатическое взаимодействие молекул растворителя с первично сольватированным ионом. [c.25] Подвижность иона и вязкость среды определяются экспериментально, а зная их, можно определить радиус иона, отличный от кристалло-химического (Гд). При г гс происходит гидратация иона в водном растворе, а если г С Ге, то ион в водном растворе не гидратируется. [c.25] Свойства водно-дисперсных систем и их поведение в тех или иных процессах обусловлены в первую очередь свойствами воды как растворителя [22, 38]. [c.26] Известно, что в газообразном состоянии молекулы воды представляют собой диполи, в которых протоны находятся на расстоянии 0 099 нм о г кислорода, а угол между направлениями связей кислород—водород составляет 104° [ 39]. Жидкая вода обладает высокими теплоемкостью, теплотами кипения и испарения, критической температурой, диэлектрической постоянной и характеризуется многочисленными аномалиями свойств [1]. [c.26] Количество ближайших соседей у каждой молекулы воды при повышении температуры от 277,18 до 373,18 К возрастает от 4,4 до 5, тогда как у других жидкостей наблюдается их уменьшение. Плотность воды как при 273,18 К (на 9%), так и при 373,18 К (на 4,6 %) остается выше плотности льда. Следует отметить значительную взаимную поляризацию молекул воды как в твердом, так и в жидком состоянии, в результате чего возрастают средний дипольный момент и энергия водородных связей. [c.26] В каждом элементарном акте диффузии гидратного комплекса можно выделить две стадии выход молекулы слоя В из положения равновесия, ближайшего к гидратному комплексу, и смещение гидратного комплекса в образовавшуюся полость. Оба процесса обтекания иона молекулами воды вносят свой вклад в коэффициент диффузии ионов, что достаточно полно обосновано исследованиями, выполненными в работе [41]. Молекулярно-кинетическая модель двухслойной гидратной оболочки нашла свое подтверждение в работах Р. К. Мозитова и других исследователей [42]. [c.27] В заключение можно сказать, что существует несколько теорий структуры воды, при помощи которых исследователи пытаются объяснить ее свойства. В одних, как и в других теориях о жидкостях, признается наличие в воде ближнего порядка аналогично наблюдаемому в твердом состоянии и отсутствие дальнего порядка в других вода рассматривается как квазикристаллическая, квазитвердая система с особыми свойствами, в которой жидкая молекула имеет те же связи, что и другие молекулы в третьих допускается существование в воде по крайней мере двух структурных, единиц, например мономерных молекул, агрегатов и щ). [c.27] В нашей стране наиболее общепринятыми являются теоретические представления о структуре воды, развиваемые О. Я. Самойловым и др. [38]. О. Я. Самойлов рассматривает гидратацию ионов не как связывание ионом того или другого количества молекул воды, а как действие ионов на трансляционное движение ближайших молекул воды. Ближнюю (первичную) гидратацию, по его мнению, следует рассматривать как действие ионов на тепловое, и прежде всего трансляционное, движение близлежащих молекул воды. [c.27] Вернуться к основной статье