Реферат: Строение молекулы и свойства воды

Аномальные свойства воды предполагают существование прочных сил между молекулами воды. Это можно объяснить уже при рассмотрении природы единичной молекулы воды, а затем и группы молекул. Шесть валентных электронов кислорода в молекуле воды гибридизированы в че­тырех 5р3-орбиталях, которые вытянуты к углам, образуя тетраэдр.

Две гибридные орбитали образуют О—Н ковалентные связи с углом 105°, тогда как другие две орбитали имеют неподеленные электронные пары. Ковалентные О—Н связи, благодаря высокой электроотрицатель­ности кислорода, частично (на 40%) имеют ионный характер.

Таким образом, молекула воды имеет два отрицательных и два по­ложительных заряда по углам тетраэдра. Вследствие этого, каждая

молекула воды тетраэдричес-ки координирована с четырь­мя другими молекулами воды благодаря водородным связям (см. рис. 10.2). Энергия дис­социации водородной связи ~25 кДж/моль.

Одновременное присут­ствие в молекуле воды двух до­норов и двух акцепторов делает возможной ассоциацию в трех­мерную сеть, стабилизирован-

ную водородными связями, что обеспечивает большую силу взаимодей­ствия между молекулами. Эта структура объясняет особые физические свойства воды, необычные для малых молекул. Так, например, спирт и соединения с изоэлектрическими диполями, такие как HF или NH3, об­разуют, в отличие от воды, только линейную или двухмерную ассоциа­цию.

Частичная поляризация Н—О связи в дальнейшем усиливается за счет образования водородных связей. Поэтому дипольный момент комплек­са, состоящего из увеличенного числа водных молекул (мультимолеку-лярный диполь), тем больше, чем больше молекул ассоциировано и, естественно, больше дипольного момента единичной молекулы. Как след­ствие, диэлектрическая постоянная воды оказывается большой и превы­шает величину, которая может быть вычислена на основе дипольного мо­мента единичной молекулы.

Транспорт (перенос) протона осуществляется вдоль водородной свя­зи. Это поистине прыжок протона от одной молекулы воды к соседней молекуле воды. Независимо от того, получен ли протон путем диссоциа­ции воды или будет получен от кислоты, он будет погружаться в орбита-ли неподеленных электронов молекулы, образуя гидратированный ион водорода Н3О+(ион гидроксония) с исключительно сильной водородной связью (энергия диссоциации — 100 кДж/моль):

Подобный механизм действует и в транспорте ионов ОН, который осуществляется вдоль водородных связей:

Переход протона от одного атома кислорода к другому осуществляет­ся чрезвычайно быстро (V > 1012 с -1), поэтому подвижность протона весь­ма велика. Она превышает подвижность других ионов в 4—5 раз и соиз­мерима только с подвижностью ионов ОН-, которая, однако, примерно на 40% меньше. При этом скорость протонов во льду примерно в 100 раз больше, чем в воде.

Способность воды образовывать трехмерные водородные связи, для разрушения которых необходима дополнительная энергия, объясняет рассмотренные выше необычные свойства воды, например высокие зна­чения теплоемкости, точек плавления и кипения, поверхностного натя­жения и теплот фазовых переходов.

Вода может влиять на конформацию макромолекул, если там имеют ме­сто какие-либо нековалентные связи, которые стабилизируют конформа­цию большой молекулы. Эти нековалентные связи могут быть трех видов: водородные, ионные и неполярные связи. В белках существует конкурен­ция между CO...HN водородными связями и вода-амид водородными свя­зями. Чем больше способность растворителя к образованию водородных свя­зей, тем слабее СО… .HN связь. В водной среде теплота образования или раз­рыва этой связи равна 0. Это означает, что CO...HN водородная связь не может обеспечить стабилизацию в водном растворе. Конкурирующая водо­родная связь от Н2О ослабляет термодинамическую тенденцию к образова­нию CO...HN водородных связей. Водные молекулы вокруг неполярных

групп (молекул) становятся более упоря­доченными, приводя к потере энтропии, и в результате возникает тенденция к ас­социации отдельных неполярных групп в водной среде с другими, большими чем водные, молекулами (гидрофобное взаи­модействие). Концепция гидрофобной связи схематично показана на рис. 10.3.

С химической точки зрения вода яв­ляется весьма реакционноспособным веществом. Она соединяется со многи­ми оксидами металлов и неметаллов,

взаимодействует с активными металлами и вступает в различные другие реакции самого разнообразного характера.

Превращения белков, липидов, углеводов с участием воды имеют важ­ное значение в пищевых технологиях.

Помимо химических реакций, в которые вступает вода, при раство­рении веществ в воде имеют место взаимодействия физико-химического характера. Ниже мы кратко рассмотрим взаимодействие воды с ионами и ионными группами, группами, обладающими способностью к образо­ванию водородных связей, и с неполярными веществами (группами). Эти взаимодействия необходимо принимать во внимание при рассмотрении классификации видов влаги в пищевых продуктах и ее причастности к химическим, биохимическим и микробиологическим изменениям в про­дукте при хранении (см. раздел 10.3).