4.3.3 Структура и свойства молекулы воды

Шесть валентных электронов в молекуле воды гибридизированы в 4-х Sp³ – орбиталях, которые вытянуты к углам, образуя тетраэдр.

Две гибридных орбитали образуют О-Н связи с углом 105^о, тогда как другие две орбитали имеют несвязанные электронные пары (n-электроны). О-Н ковалентные связи. Вода, благодаря высоко электро-отрицательному кислороду, имеет частичный (на 40% ) ионный характер. Каждая молекула воды тетраэдрически координирована с четырьмя другими молекулами воды, благодаря водородным связям, энергия диссоциации которой составляет – 25 кДж/моль. Одновременное присутствие в молекуле воды двух доноров и двух акцепторов делает возможной ассоциацию в трехмерную сеть, стабилизированную водородными связями. Частичная поляризация Н-О связи в дальнейшем увеличивается за счет образования водородных связей. Вследствие этого дипольный момент комплекса, состоящего из увеличенного числа водных молекул (мультимолекулярный диполь) тем больше, чем больше молекул ассоциировано и, естественно, больше, чем дипольный момент единичной молекулы. Поэтому, диэлектрическая константа воды является большой и превышает величину, которая может быть вычислена на основе дипольного момента единичной молекулы.

Транспорт (перенос) протона имеет место вдоль водородной связи. Независимо от того, получен протон путем диссоциации воды или от кислоты, он будет погружаться в орбитали неподеленных электронов воды. Таким образом, образуется гидратированный Н₃О⁺ ион с исключительно сильной водородной связью (энергия диссоциации 100 кДж/моль). Подобный механизм действует и в транспорте ОН^- - ионов, который также имеет место вдоль водородных связей.

Поскольку переход протона от одного кислорода к следующему осуществляется чрезвычайно быстро (V = 10 12 с^-1), подвижность протона больше подвижности других ионов в 4-5 раз, исключая ионы ОН^-, их скорость примерно на 40% меньше скорости протона. При этом, если сравнить воду и лед, то в последнем мобильность протонов больше примерно в 100 раз. Способность воды образовывать трехмерные водородные связи объясняет и многие другие ее необычайные свойства, такие как, высокие значения теплоемкости, точки плавления, кипения, поверхностного натяжения, теплот различных фазовых переходов, поскольку для разрушения водородных связей в ассоциатах воды необходима дополнительная энергия.

4.3.4 Структура и свойства льда

Обычный лед принадлежит к бигексагональному бипирамидальному классу гексогональных систем. Кроме того, лед может существовать в девяти других кристаллических полиморфных структурах, а также в аморфном состоянии неопределенной структуры. Однако, из всех структур только обычная гексагональная структура льда стабильна при нормальном давлении при 0 ^оС.

Необходимо учитывать, что лед не состоит исключительно из НОН-молекул, ориентированных так, что один атом водорода расположен на линии между каждой парой кислородных атомов. Чистый лед содержит помимо обычных молекул НОН, также ионные варианты НОН, Н⁺, (Н₃О⁺) и ОН^-. Помимо этого кристаллы льда не являются совершенными, и дефекты, имеющие место, связаны с ориентированными или ионными типами, обусловленными образованием ионов воды. Присутствие этих дефектов позволяет объяснить большую мобильность протона во льду, чем в воде, и небольшое увеличение электрической проводимости, которая имеет место при замерзании воды. Кроме того, молекула воды может колебаться с определенной амплитудой. А молекулы воды, которые, по-видимому, существуют в некоторых, образующих щели, пространствах льда, могут медленно диффундировать через решетку.

На структуру льда оказывают также влияние растворенные вещества. Однако, для большинства пищевых продуктов и биологических материалов наиболее характерной является гексагональная структура.