§ Х-12 Водневий зв’язок, гексагональна ґратка льоду Iₕ та аномалія густини води (9–10 клас · Водневий зв’язок)
Тетраедрична сітка водневих зв’язків O–H···O у кристалі гексагонального льоду Iₕ (ρ = 0.917 г/см³) та максимум густини води при +4 °C. Кожна молекула води утворює чотири спрямовані під кутом 109.5° водневі зв’язки, вибудовуючи ажурний гексагональний каркас льоду, легший за рідку воду.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Водневий зв’язок (O–H⋯O), це специфічна міжмолекулярна взаємодія між частково позитивно зарядженим атомом Гідрогену (δ⁺), ковалентно зв’язаним із сильно електронегативним атомом (O, N, F), та неподіленою електронною парою сусіднього електронегативного атома (δ⁻). У воді енергія водневого зв’язку становить E_HB ≈ 21 кДж/моль, що є проміжною величиною між слабкими силами Ван-дер-Ваальса (2–5 кДж/моль) та міцним ковалентним зв’язком O–H (463 кДж/моль).
Оскільки кожна молекула H₂O має два донорні атоми H і дві акцепторні неподілені пари на атомі O (sp³-гібридизація), у кристалі звичайного гексагонального льоду Iₕ кожна молекула утворює рівно 4 спрямовані водневі зв’язки під тетраедричним кутом 109.5^°. Це формує ажурний тривимірний каркас із шестичленних кілець і широких порожнистих каналів, через що густина льоду (0.917 г/см³) є на 8.3% меншою за густину рідкої води.
Під час плавлення льоду при 0 ^°C розривається близько 15% водневих зв’язків, гексагональні порожнини частково заповнюються вільними молекулами H₂O, і густина зростає, досягаючи абсолютного максимуму ρₘax = 1.000 г/см³ при +4 ^°C. Завдяки цій аномалії водойми взимку замерзають зверху, зберігаючи життя у глибинних шарах води.
Приклад із життя
У рідкій воді молекули H₂O рухаються мов люди в щільному натовпі, а під час замерзання в лід кожна молекула простягає чотири «прямі руки» (водневі зв’язки) до сусідів, утворюючи просторі шестикутні стільники з порожнечами всередині, тому лід легший за воду і не тоне!
Контрольне запитання та розв’язання
Чому густина кристалічного льоду Iₕ (0.917 г/см³) менша за густину рідкої води (1.000 г/см³ при +4 ^°C), завдяки чому лід плаває на поверхні водойм?
- А: Спрямовані водневі зв’язки O–H⋯O (КЧ = 4, кут 109.5^°) фіксують молекули H₂O у ажурному гексагональному каркасі з порожнинами; при плавленні частина Н-зв’язків рветься і молекули пакуються щільніше
- Б: Під час замерзання ковалентні зв’язки O–H всередині кожної молекули води видовжуються вдвічі
- В: У кристалічному льоді водневі зв’язки повністю відсутні, тому молекули води відштовхуються
Підказка: У кристалі льоду Iₕ чотири спрямовані водневі зв’язки O–H⋯O фіксують молекули у відкритому гексагональному каркасі з порожнинами (ρ = 0.917 г/см³); під час плавлення частина каркасу руйнується і густина води зростає до 1.000 г/см³ при +4 ^°C.
Доведення: Атом Оксигену в молекулі H₂O має два полярні ковалентні зв’язки O–H та дві неподілені електронні пари (sp³-гібридизація). У кристалі льоду Iₕ кожна молекула утворює рівно 4 спрямовані водневі зв’язки під кутом 109.5^°, формуючи пухкі шестичленні канали з великим вільним об’ємом (ρ = 0.917 г/см³). Під час плавлення при 0 ^°C руйнується близько 15% водневих зв’язків, каркас частково осідає і густина води зростає до максимуму 1.000 г/см³ при +4 ^°C.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
E_HB ≈ 21 кДж/моль ≪ E_ковал(mathrmO-H) = 463 кДж/моль, ρₘax(+4^°C) = 1.000 г/см³
- Температура середовища t (фазовий перехід при 0 °C): -25 … 60 °C (стандарт: -5 °C)
- Енергія водневого зв’язку E_HB (O–H···O): 10 … 30 кДж/моль (стандарт: 21 кДж/моль)
- Зовнішній тиск P (стиск гексагональних порожнин): 0.1 … 200 МПа (стандарт: 0.1 МПа)
- Дипольний момент молекули води μ(H₂O): 1 … 2.5 Д (стандарт: 1.85 Д)