Строение молекулы воды: формула H2O, угол, полярность и водородные связи

Из чего состоит молекула воды

Формула воды H2O читается «аш-два-о». Молекула построена из трёх атомов: одного кислорода (O) и двух водорода (H). Устройство самих атомов описано в статье о строении атома. Здесь важно только одно: у кислорода на внешнем слое шесть электронов, и ему не хватает двух до устойчивых восьми; у каждого водорода один электрон, и ему не хватает одного до двух.

Атомы решают проблему вместе. Кислород и каждый водород делят между собой пару электронов, получается ковалентная связь. Кислород образует две такие связи, по одной с каждым водородом, и общий баланс сходится: каждый атом получает устойчивый внешний слой.

Параметр	Значение
Формула	H2O
Состав	1 атом кислорода и 2 атома водорода
Тип связи внутри молекулы	ковалентная полярная
Форма молекулы	угловая (не прямая линия)
Угол между связями H–O–H	около 104,5 градуса
Относительная молекулярная масса	18

Молекулярная масса складывается из масс атомов: 16 у кислорода и по 1 у двух водородов, всего 18.

Почему молекула угловая и полярная

Можно ожидать, что три атома выстроятся в линию, как в углекислом газе. Но у кислорода помимо двух общих пар остаются ещё две пары электронов, которые ни с кем не поделены. Все четыре пары отталкиваются друг от друга и стараются разойтись подальше. Получается изогнутая форма, с углом около 104,5 градуса.

Есть и вторая причина полярности: кислород сильнее притягивает общие электроны, чем водород. Эту способность называют электроотрицательностью. Общие электроны смещаются ближе к кислороду, поэтому на нём возникает небольшой отрицательный заряд, а на водородах — небольшой положительный. Так как форма угловая, эти заряды не гасят друг друга. У молекулы появляются два полюса: отрицательный со стороны кислорода и положительный со стороны водородов. Такую частицу называют диполем.

Как это работает: водородные связи

Полярные молекулы воды притягиваются друг к другу: положительный водород одной тянется к отрицательному кислороду соседней. Это притяжение называют водородной связью.

1. Молекула ищет соседей. Водород одной молекулы направлен к кислороду другой.
2. Возникает связь. Она в десятки раз слабее ковалентной, но их много.
3. Каждая молекула держится за несколько соседей. У молекулы воды может быть до четырёх водородных связей: две через свои водороды и две через кислород.
4. Связи непрерывно рвутся и возникают. В жидкой воде молекулы постоянно меняют партнёров за доли секунды, поэтому вода течёт.
5. Получается сеть. В целом вода ведёт себя не как россыпь отдельных молекул, а как сеть, которая держится вместе.

Именно из-за этой сети вода отличается от «родственников». Сероводород H2S по составу похож на воду, но кипит при минус 60 градусах, а вода — при плюс 100. Без водородных связей вода на Земле была бы газом.

Что даёт такое строение

Лёд легче воды. Когда вода замерзает, молекулы выстраиваются в жёсткую решётку, где у каждой молекулы четыре соседа, а между ними остаются пустоты. Расстояние между молекулами в среднем увеличивается, поэтому лёд занимает примерно на девять процентов больше объёма, чем вода, и плавает на поверхности. Зимой озёра замерзают сверху, а внизу остаётся жидкая вода, где зимуют рыбы. Наибольшая плотность у воды при температуре около 4 градусов: у самого дна водоёма она и держится.

Вода — отличный растворитель. Соль, попавшая в воду, распадается на ионы. Полярные молекулы воды облепляют положительные ионы отрицательными концами, а отрицательные ионы — положительными, и растаскивают кристалл на части. Поэтому в воде растворяются соль, сахар и многие другие вещества. А жир, который состоит из неполярных молекул, в ней не растворяется.

Большая теплоёмкость. Воде нужно много тепла, чтобы нагреться на градус, ведь часть энергии уходит на разрыв водородных связей. Поэтому море остывает медленно, а вода в батареях хорошо переносит тепло. Именно из-за этого у моря мягче климат. О том, как вода путешествует по планете, рассказано в статье о том, откуда берётся дождь.

Поверхностное натяжение. Поверхностные молекулы притягиваются к соседям внутри, и поверхность ведёт себя как тонкая плёнка. Отсюда шарообразные капли и водомерки, которые бегают по воде.

Как узнали, из чего состоит вода

Долгое время воду считали простым веществом, «стихией». Переломными стали опыты конца XVIII века. Английский учёный Генри Кавендиш в 1780-х годах сжигал «горючий воздух», то есть водород, и получал воду. Французский химик Антуан Лавуазье повторил и истолковал эти опыты: вода не простое вещество, а соединение, и газ он назвал «водородом», что означает «рождающий воду». Позже химики выяснили, что на два атома водорода приходится один атом кислорода, и появилась формула H2O.

Вода в живой природе

Строение молекулы работает не только в пробирке, но и в живых организмах. Вода растворяет питательные вещества и переносит их по телу: в крови и в клетках всё происходит в водном растворе. В деревьях вода поднимается от корней к листьям на десятки метров, потому что молекулы воды цепляются друг за друга водородными связями и тянутся вверх единой нитью. Как устроен ствол, по которому идёт этот поток, показано в статье о строении дерева. А большую часть каждой клетки организма составляет вода, о чём подробнее в статье о строении клетки.

Чем отличается от похожего

Молекула и атом. Атом — одна частица элемента, молекула — несколько атомов, связанных вместе. Вода состоит из молекул, а не из отдельных атомов.

Ковалентная связь и водородная. Ковалентная связь внутри молекулы прочная, её разрыв разрушает молекулу. Водородная связь между молекулами слабая, она рвётся при кипении, а сама молекула остаётся целой.

Вода и водород с кислородом. Свойства воды не похожи ни на свойства водорода (горючий газ), ни кислорода (газ, поддерживающий горение). Соединение — новое вещество.

Лёд, вода и пар. Молекула везде одна и та же, H2O. Различие в том, как молекулы расположены и как двигаются: во льду они неподвижны в решётке, в воде скользят, в паре разлетаются.

Интересные факты

Молекула воды очень мала. В одной капле воды около двух тысяч миллиардов миллиардов молекул. А молекул в одном стакане больше, чем стаканов воды во всех океанах Земли вместе взятых. Эти числа показывают, насколько мала одна молекула.

Снежинка шестиугольная. Молекулы воды в кристалле льда образуют шестиугольные кольца, поэтому у снежинок шесть лучей. Форма молекулы влияет на внешний вид снега.

Пресной воды мало. Почти вся вода планеты, около 97 процентов, солёная и лежит в океанах. Пресной остаётся около трёх процентов, причём большая её часть заморожена в ледниках. Соль растворяется в воде так же охотно, как сахар, поэтому морскую воду нельзя просто пить: чтобы её опреснить, нужно отделить молекулы воды от растворённых ионов.

Вкус кипячёной воды. Вода, которую вскипятили и остудили, содержит меньше растворённых газов, чем сырая вода. Поэтому такая вода на вкус кажется «пустой»: растворённый воздух ушёл из неё вместе с паром.

Как ответить на уроке

План ответа «Строение молекулы воды»:

1. Формула H2O: один атом кислорода и два атома водорода.
2. Связи ковалентные полярные; молекула угловая, угол около 104,5 градуса.
3. Молекула — диполь: на кислороде частичный отрицательный заряд, на водороде положительный.
4. Между молекулами возникают водородные связи.
5. Следствия: аномалии воды, лёд легче воды, растворитель, высокая теплоёмкость.

Вопросы для самопроверки:

• Чему равна молекулярная масса воды? 18: 16 у кислорода плюс два по 1 у водорода.
• Почему молекула воды полярна? Кислород сильнее притягивает электроны, а молекула угловая, и заряды не компенсируются.
• Почему лёд плавает? Во льду молекулы образуют рыхлую решётку с пустотами, поэтому лёд менее плотный.