Ջուրը և նրա կառուցվածքը

Ջուրը և նրա կառուցվածքը

Ջուրը եղել և մնում է բնության ամենաառեղծվածային նյութը: Նրա կառուցվածքի և հատկությունների հետազոտումը դեռևս գիտության ամենաարդիական խնդիրներից մեկն է: Ինչպես գիտենք, ջուրը ջրածնի օքսիդն է: Ըստ զանգվածի՝ այն բաղկացած է 11, 19% ջրածնից և 88, 81% թթվածնից: Կենդանի օրգանիզմներում ջրի քանակը կազմում է 60-90%: Ջուրը լավագույն լուծիչներից մեկն է, լայնորեն օգտագործվում է կենսապոլիմերների հետազոտման բնագավառում, ուստի կծանոթանանք նրա հիմնական յուրահատկություններին: Երկրագնդի վրա կա մոտավորապես 16×109 կմ3 ջուր, որը կազմում է նրա զանգվածի 0,25 %-ը միայն: Երկրի մակերևույթին առկա ձյան և սառույցի քանակը մոտավորապես կազմում է նրա զանգ- - 189 - վածի 0,0004 % -ը, որն ամբողջությամբ հալվելու դեպքում համաշխարհային օվկիանոսի մակարդակը կբարձրացնի ընդամենը 64 մետրով: Ինչպես գիտենք, ջրի մոլեկուլում H-O-H կապի գոյացմանը մասնակցում են թթվածնի երկու 2p օրբիտալները և երկու ջրածինների 1s օրբիտալները: p օրբիտալների էլեկտրոնային ամպերի փոխուղղահայաց լինելու պատճառով, ջրի մոլեկուլի գոյացման մեկնաբանություններից մեկի` վալենտային կապերի մոտավորության համաձայն, H-O-H վալենտային անկյունը պետք է լինի 90o, այնինչ փորձնական տվյալները վկայում են, որ այն 104,5o է: Այդ մոտավորության համաձայն՝ H-O-H անկյան մեծացումը մեկնաբանվում է որպես ջրածնի՝ հավելորդային դրական լիցք կրող ատոմների փոխադարձ վանողության արդյունք, քանի որ O-H կապերից յուրաքանչյուրը բևեռացված կովալենտ կապ է, այսինքն` ջրածիններից յուրաքանչյուրի մոտ գոյացել է հավելորդային դրական լիցք, որոնց վանումով էլ հենց բացատրվում է վալենտային անկյան մեծացումը: Սակայն ժամանակակից պատկերացումների համաձայն՝ ջրի կառուցվածքի յուրահատկությունները թթվածնի ատոմի sp3 հիբրիդացման արդյունք են: Ընդ որում՝ հիբրիդացմանը մասնակցում են ոչ միայն կապակցող վալենտային էլեկտրոնները, այլ նաև թթվածնի կապին չմասնակցող զույգավորված վալենտային էլեկտրոնները: Հիբրիդացման վարկածը զգալիորեն հեշտացնում է ջրի մոլեկուլի կառուցվածքի և նրա հատկությունների մեկնաբանմանը առնչվող հիմնախնդիրները: Նկար 6.3-ում պատկերված են ջրի մոլեկուլի պարամետրերը (a), սխեմատիկ պատկերը (б) և հիբրիդացման սխեման (в): Նկ. 6.3. Ջրի մոլեկուլի պարամետրերը (a), սխեմատիկ պատկերը (б) և հիբրիդացման սխեման (в) - 190 - Ջրի մոլեկուլները բևեռներում դրական և բացասական լիցքեր պարունակող դիպոլներ են: Պատճառն այն է, որ քանի որ թթվածնի էլեկտաբացասականությունն ու զանգվածը շատ ավելի մեծ են, քան ջրածնինը, ուստի կովալենտ կապ գոյացնող էլեկտրոնային զույգի էլեկտրոնային ամպը շեղվում է դեպի թթվածնի ատոմը՝ ստեղծելով այնտեղ հավելորդային բացասական լիցք՝ դրանով իսկ մերկացնելով ջրածնի պրոտոնը և ստեղծելով այնտեղ հավելորդային դրական լիցք: Ուստի և ջրի մոլեկուլն ունի խիստ բևեռային կառուցվածք և մեծ դիէլեկտրիկական թափանցելիություն (81): Դրական և բացասական լիցքերի ծանրության կենտրոններն իրար միացնելու դեպքում կստատանք տետրաէդր: Այսպիսով` ջրի կառուցվածքը յուրահատուկ է: Ենթադրվում է, որ ջրին բնորոշ կառուցվածքային յուրահատկությունները պայմանավորված են նրա կողմից ջրածնային կապեր առաջացնելու ունակությամբ: Ջրածնային կապերը գոյանում և վերանում են շատ հեշտ, ուստի ջրի կառուցվածքը միանգամայն փոփոխական է: Հետաքրքիր է, որ ազատ, այսինքն` ջրածնային կապերի չմասնակցող ջրի մոլեկուլների քանակը ջրում շատ քիչ է, իսկ ջուրը հիմնականում մոլեկուլների անկանոն ասոցիատների, այսպես կոչված, ջրային բյուրեղիկների հանրույթ է: Ջրածնային կապերի առկայությամբ են պայմանավորված շատ նյութերի յուրօրինակ հատկությունները: Օրինակ՝ այն փաստը, որ ջրի խտությունն առավելագույնն է +40 C ջերմաստիճանում, մեծ մասամբ պայմանավորված է ջրի մոլեկուլների միջև ջրածնային կապերի գոյությամբ: Եթե ջերմաստիճանի նվազմանը զուգընթաց ջրի խտությունը աճեր, ապա սառույցի խտությանը ջրի խտությունից մեծ լինելու պատճառով ծովերն ու օվկիանոսները կսառչեին մինչև հատակը, ուստի կենդանի բնության գոյությունը անհնարին կդառնար: «Ջրածնային կապ» տերմինը ներմուծել են Լատիմերը և Ռոդեբուշը: - 191 - Միմյանց հետ համեմատելով H2O , H2S , H2Se և H2Te նույնատիպ միացությունների եռման ջերմաստիճանները՝ նրանք ուշադրություն դարձրին այն հանգամանքին, որ այդ շարքի առաջին անդամը` ջուրը, եռում է շատ ավելի բարձր ջերմաստիճանում, քան սպասվում էր՝ ելնելով այդ շարքի այլ անդամներին բնորոշ օրինաչափությունից: Այդ օրինաչափությունից հետևում էր, որ ջրի եռման ջերմաստիճանը պետք է դիտվող ջերմաստիճանից 200՛С–ով ավելի ցածր (-1000 C կարգի) լինի: Նկար 6.4-ում ներկայացված է քննարկված դատողությունների գրաֆիկական պատկերը: Նույն օինաչափությունն է նկատվում ամոնիակի դեպքում 3 3 NH HP , , 3 H As, H Sb 3 նույնատիպ միացությունների շարքում: Նրա եռման իրական ջերմաստիճանը -330 C, 80o -ով բարձր է ակնկալվող արժեքից: Եթե եռման ջերմաստիճանը անսպասելիորեն բարձր է, ապա դա վկայում է այն մասին, որ մոլեկուլները հարակցված են պահվում ինչ-որ լրացուցիչ ուժով: Տվյալ դեպքում դա ջրածնային կապն է: Նույն պատճառով է տեղի ունենում նաև սպիրտների եռման ջերմաստիճանի աճը: Ջրածնային կապերի առկայությունը հայտածվում է նաև նյութի բյուրեղացման, կամ հալման ջերմաստիճանի աճով: Նկար 6.5-ում պատկերված է ջրածնային կապերի գոյացման սխեման: Փորձը ցույց է տալիս, որ ջրի յուրաքանչյուր մոլեկուլ կարող է գոյացնել չորս ջրածնային կապեր, քանի որ պարունակում է ջրածնի երկու ատոմ և թթվածնի՝ կապին չմասնակցող էլեկտրոնՆկ. 6.4. Ջրի եռման ջերմաստիճանի անոմալ արժեքը - 192 - ների երկու զույգ: Բավականաչափ ցածր ջերմաստիճաններում կապերի նման ուղղորդումը գործնականում իրականանում է լիովին, որը թթվածնի ատոմներից յուրաքանչյուրի համար ապահովում է տետրաէդրիկ կառուցվածքով շրջապատ: Բնականաբար, ջրածնային կապերի թիվն աճում է ջրի ջերմաստիճանի նվազմանը զուգընթաց: Ջրի բյուրեղում յուրաքանչյուր մոլեկուլ մասնակցում է 4 ջրածնային կապերի գոյացման, որոնք ուղղված են դեպի տետրաէդրի 4 գագաթները: Այդ տետրաէդրի կենտրոնում գտնվում է թթվածնի ատոմը, իսկ երկու գագաթներում` մեկական ջրածիններ, որոնց էլեկտրոնները կովալենտ կապ են գոյացնում թթվածնի ատոմի հետ: Մյուս երկու գագաթները զբաղեցված են թթվածնի՝ կապին չմասնակցող հակազուգահեռ սպիններով էլեկտրոնների զույգերով (նկար 6.6 և 6.7): Սառույցի հալվելը կարելի է մեկնաբանել այդ կապերի մի մասի քանդմամբ: Ընդ որում՝ հետազոտությունները վկայում են, որ սենյակային ջերմաստիճաններում այդ կապերի գրեթե կեսը դեռևս մնուն է չխզված: Մնացած կապերի խզումը կատարվում է հեղուկ փուլից գազայինին անցնելու ժամանակ: Ջրածնային կապերի առկայությամբ է պայմանավորված նաև ջրի անոմալ մեծ գոլորշիացման թաքնված ջերմությունը: