Из чего состоит вода: из каких молекул и атомов

Вода — главная составляющая всего живого на Земле. Она является и средой обитания организмов, и главным элементом в их строении, а, следовательно, и источником жизни. Ее применяют в промышленности всех направлений. Поэтому представить себе жизнь с отсутствием воды весьма непросто.

Что входит в состав воды

Все прекрасно осведомлены о том, что вода состоит из водорода и кислорода. Это действительно так. Но помимо этих двух элементов, вода в своем составе имеет еще огромный перечень химических компонентов.

Из чего состоит вода?

Ей свойственно преобразовываться, проходя при этом гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков. В процессе протекания этих явлений вода соприкасается со множеством соединений органической природы, с металлами, газами, в результате чего жидкость дополняется различными элементами.

Элементы, входящие в состав воды, подразделяются на 6 категорий:

1. Ионы. К ним относятся: катионы Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO₃ и SO_4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве. В жидкость они поступают из почвенных слоев, природных минералов, горных пород, а также как элементы распада продуктов промышленной деятельности.
2. Растворенные газы: кислород, азот, сероводород, углекислый газ и прочие. Количество каждого газа в воде напрямую зависит от ее температуры.
3. Биогенные элементы. Главными из них являются фосфор и азот, которые поступают в жидкость из осадков, сточных и сельскохозяйственных вод.
4. Микроэлементы. Их насчитывается около 30 видов. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр. К ним относятся: бром, селен, медь, цинк и т. д.
5. Органические вещества, растворенные в воде, и азотосодержащие вещества. Это спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее.
6. Токсины. Это в основном тяжелые металлы и продукты нефтепереработки.

Молекула воды

Итак, из каких молекул состоит вода?

Формула воды тривиальна — Н₂О. И она показывает, что молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода. Между ними установлена устойчивая связь.

Масса молекулы равна 18,016 г/моль, где на долю водорода приходится 11,19%, а кислорода - 88,81%.

Молекула воды является полярной, поскольку она не имеет конкретного центра, вокруг которого сосредоточены положительные и отрицательные заряды, а имеет два противоположно заряженных полюса.

Вода состоит из атомов, угол между которыми меняется в зависимости от агрегатного состояния жидкости. Так, когда она находится в состоянии газа, угол между водородом и кислородом составляет 104^о, в твердом состоянии - 109^о. На эти показатели, а также на расстояние между атомами влияют также присутствующие компоненты.

Строение молекулы

Ранее было рассмотренно, из каких атомов состоит вода. Это водород и кислород. Главенствующую роль выполняет кислород. Вокруг этого элемента размещены отрицательно заряженные электроны, а положительно заряженные протоны сосредоточены вблизи атомов водорода. Такое соотношение полюсов молекулы влияет на характер молекулярной связи - она полярная.

Поскольку два атома водорода являются одноименно заряженными, то, соответственно, они друг от друга отдаляются. Это влияет на образующийся угол между атомами кислорода и водорода, он составляет 104,5^о. Из-за разноименности полюсов молекула воды именуется диполем. Это ее свойство обуславливает необычные характеристики молекулы.

Как же выглядит молекула воды в пространстве? Чтобы определить форму молекулы, соединяют прямыми линиями центры атомов, в результате чего вырисовывается объемная фигура - тетраэдр. Таково строение воды.

Форма молекулы воды способна изменяться в зависимости от ее агрегатного состояния. Для газообразного состояния характерен угол между атомами кислорода и водорода в 104,27^о, для твердого состояния - 109,5^о, для жидкого - 105,03^о.

Те молекулы, из которых состоит вода, занимают определенный объем в пространстве, при этом их оболочки покрыты электронным облаком в виде вуали. Вид водной молекулы, рассмотренной в плоскости, сравнивают с Х-образной хромосомой, которая служит для передачи генетической информации, а, следовательно, дает начало новой жизни. От такой формы проводится аналогия хромосомы и воды как источников жизни.

В пространстве молекула выглядит как объемный треугольник, тетраэдр. Такая форма является очень устойчивой и изменяется только из-за влияния на воду внешних физических факторов.

Из чего состоит вода? Из тех атомов, которые подвержены влиянию Ван-дер-Ваальсовых сил, образовыванию водородных связей. В связи с этим между кислородом и водородом соседних молекул образуются случайные ассоциаты и кластеры. Первые - это неупорядоченные структуры, вторые - упорядоченные ассоциаты.

В привычном состоянии воды количество ассоциатов составляет 60%, кластеров - 40%.

Между соседними водными молекулами возможны образования водородных мостиков, которые способствуют образованию различных структур - кластеров.

Кластеры способны взаимодействовать между собой посредством водородных связей, а это приводит к появлению структур нового порядка - шестигранников.

Электронное строение молекулы воды

Атомы - это то, из чего состоит вода, и каждый атом имеет свое электронное строение. Так, графическая формула электронных уровней выглядит так: ₈О 1s²2s²2p⁴, ₁Н 1s¹.

Когда происходит процесс формирования молекулы воды, происходит перекрывание электронных облаков: два неспаренных электрона кислорода перекрываются с 1 неспаренным электроном водорода. В результате перекрывания образуется угол между атомами в 104^о.

Агрегатное состояние воды

Как уже говорилось, молекулы воды - это диполи, и данный факт влияет на необычные свойства вещества. Одним из таких свойств является то, что вода может присутствовать в природе в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и парообразном.

Переход от одного состояния в другое обусловлен следующими процессами:

1. Кипение - из жидкости в пар.
2. Конденсация - переход их пара в жидкость (осадки).
3. Кристаллизация - когда жидкость превращается в лед.
4. Плавление - процесс таяния льда и получения жидкости.
5. Сублимация - превращение льда в парообразное состояние.
6. Десублимация - обратная реакция сублимации, то есть переход пара в лед.

От состояния воды зависит и строение ее молекулярной решетки.

Заключение

Таким образом, можно сказать, что вода - это сложное вещество с простым строением, которое может меняться в зависимости от ее состояния. И нам стало понятно, из каких молекул состоит вода.