Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27′).
ЭФ>1) как так выходит/получается (почему не 180 градусов, например, не 103, и не 106);
Посмотри на вид электронных орбиталей при sp², sp³-гибридизации.
Напиши уравнение совместной волновой функции трёх атомов и реши его.
Микро-хинт: в случае замены, например, водорода на дейтерий угол изменится, примерно на пол-градуса.
ЭФ>2) для чего это практически используется/применяется.
Есть много гипотез об устойчивости водородных связей в воде или льде и какой сложности структуры они могут образовывать.
Часть из них базировалась на очень слабых предпосылках.
Здравствуйте, netch80, Вы писали:
N>Здравствуйте, Эйнсток Файр, Вы писали:
ЭФ>>
Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27′).
ЭФ>>1) как так выходит/получается (почему не 180 градусов, например, не 103, и не 106);
N>Посмотри на вид электронных орбиталей при sp², sp³-гибридизации. N>Напиши уравнение совместной волновой функции трёх атомов и реши его. N>Микро-хинт: в случае замены, например, водорода на дейтерий угол изменится, примерно на пол-градуса.
Такой ответ скорее всего ничего не говорит ТС, кроме того электронная гибридизация, как я понимаю, это скорее абстрактная модель, которая когда-то работает, а когда-то нет. Хотя у меня качественного ответа на пальцах тоже нет, и нагуглить его я сходу не смог. Можно отвечать примерно так. У атома кислорода восемь электронов, их них два находятся в остове (внутренняя "орбита" атома, экранированная внешними орбитами в плане электромагнитного взаимодействия) и спарены друг с другом; из остальных шести электронов два спарены с электронами от атомов водорода (у каждого по одному), т.е. образуют ковалентную с ними, остальные две пары спарены друг с другом. Итого имеем четыре пары спаренных электронов, это и называется sp³-гибридные орбитали, и это можно нарисовать как четыре электронных облака, соприкасающихся с центральным атомом кислорода (точнее его ядром). Эти четыре электронных облака отталкиваются друг от друга, поэтому в пространстве они располагаются как тетраэдр. В правильном тетраэдре угол между лучами от центра равен 109 градусов, а в молекуле воды этот угол искажается и получается 104 градуса, поскольку из этих четырёх электронных пар есть две одного типа и две другого типа.
В то же время молекула Li2O линейная, как пишет Википедия; наверно, это можно объяснить так, что на атоме лития много электронов в остове, поэтому два атома лития этими электронами отталкиваются друг от друга, поэтому отталкивание между атомами лития перевешивает отталкивание между неподелёнными электронными парами. Я не нагуглил какая структура у Na2O, Ka2O и т.д., тут я не в курсе — может быть эти молекулы вообще нестабильны в газовой фазе.
Такое объяснение меня самого не очень устраивает, поскольку выражение "электроны в молекуле" некорректно. Для квантового химика понятно что такое ядра в молекуле, обычно они описываются как точки с каким-то зарядом, а электроны существуют только в изолированном виде, а в молекуле все электроны образуют единую волновую функцию с размерностью, пропорциональной количеству электронов. Так что, если кто-то поможет сформулировать более точный и при этом философский ответ на вопрос ТС, я смогу принять в этом участие, например порисовать своей программой картинки молекулярных орбиталей или натуральных орбиталей.
"Ты должен сделать добро из зла, потому что его больше не из чего сделать". АБ Стругацкие.
Можно подумать, кто-то там транспортиром их мерял, углы эти. Насчитали в каких-нибудь трёхэтажных формулах чего-то и всё, а сколько там в реальности — никто не знает.
vsb> Можно подумать, кто-то там транспортиром их мерял, углы эти. Насчитали в каких-нибудь трёхэтажных формулах чего-то и всё, а сколько там в реальности — никто не знает.
Вот это интересно.
Так-то вообще говоря, отдельные атомы видно под электронным микроскопом.
Но проверяли ли конкретно у воды?
«Существуют три вида древних электронных микроскопов.
В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ),
в 1950-х годах — растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а
в 1980-х годах — растровый туннельный микроскоп (РТМ).
в 90-х годах прошлого века был создан сканирующий зондовый микроскоп, более мощный чем электронный,
способный проводить исследования на уровне атомов.
Атомно-силовая микроскопия была разработана Г. Биннигом и Г. Рорером,
которым за эти исследования в 1986 была присуждена Нобелевская премия.»
Разрешающая способность атомно-силового микроскопа
составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.
«с помощью сканирующего туннельного микроскопа на металлической пластине удалось наблюдать кластеры воды -гексамеры — шесть соединенных между собой молекул воды. (при температуре 5 градусов Кельвина)»
Шесть молекул — это 18 атомов. И атомы-то на этой картинке не видно...
2012-ый год, http://www.sciencemag.org/content/337/6100/1326
«учёные значительно увеличили разрешение атомно-силового микроскопа (АСМ), хотя работает он на прежнем принципе.
На конце чувствительной головки АСМ помещена отдельная молекула угарного газа (CO), которая раскачивается над сканируемой поверхностью.
При приближении к «чужим» атомам наша молекула испытывает силы притяжения и слегка меняет амплитуду покачиваний.
Замеряя изменения в амплитуде, АСМ рисует изображение сканируемой поверхности с разрешением
3 пикометра (3 × 10-12 м), что чуть больше 1/100 от диаметра атома углерода.»
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1603258
«"Ощупывая" эти хвосты при помощи жала микроскопа, физики смогли впервые сфотографировать водородные связи, понять, как они отличаются от ковалентных связей, измерить их силу – около 40 пиконьютонов, триллионных долей ньютона, и понять, на каком расстоянии они работают – примерно 300 пикометров.»
Здравствуйте, netch80, Вы писали:
N>Посмотри на вид электронных орбиталей при sp², sp³-гибридизации. N>Напиши уравнение совместной волновой функции трёх атомов и реши его.
Ага щас, только прочитает в википедии, что такое волновая функция.
Можно сказать проще — атомы водорода тоже притягиваются друг к другу.
Кроме ионного притяжения, когда отрицательный заряд притягивается к положительному, есть ковалентные, как в молекуле водорода.
Здравствуйте, Эйнсток Файр, Вы писали:
ЭФ>1) как так выходит/получается (почему не 180 градусов, например, не 103, и не 106);
Вопрос, это одна молекула воды в вакууме или это скопление сцеплённых молекул. Я так думаю не 180 градусов потому, что это не свободная молекула воды от влияния других молекул воды.
Здравствуйте, Эйнсток Файр, Вы писали:
ЭФ> для чего это практически используется/применяется.
1) Например, если захотите рассчитать теплоемкость "из первых принципов", то эти данные вам понадобятся.
(Не только угол, но и длины связей, упругости... )
У линейных и не-линейных молекул, теплоемкость (газов) в районе комнатной температуры отличается кардинально.
2) Если захотите узнать (электрический) дипольный момент молекулы, то этот угол снова понадобится...
А дипольный момент используется много где: это и электрические свойства (вода — идеальный диэлектрик для сверхмощных конденсаторов, кстати), и растворимость всего в воде, и свойства молекулы при попадании в плазму...
3) кристаллография (не только лед, но и комплексы с участием воды).
Там речь о водородной связи меж-молекулярного взаимодействия, насколько я понял. Т.е. о структуре льда и жидкой воды, а не отдельной молекулы т.е. газа.
Здравствуйте, graniar, Вы писали:
G>Здравствуйте, netch80, Вы писали:
N>>Посмотри на вид электронных орбиталей при sp², sp³-гибридизации. N>>Напиши уравнение совместной волновой функции трёх атомов и реши его.
G>Ага щас, только прочитает в википедии, что такое волновая функция.
Да, лучше подождать
G>Можно сказать проще — атомы водорода тоже притягиваются друг к другу.
А можно через силу этого притяжения вычислить точный угол?
Вы в своих картинках не учтёте ковалентные межмолекулярные связи и всё, картинка станет неправильной. Или, выше, про дейтерий писали, угол другой, а в вашей модели это никак не учитывается...
Здравствуйте, Эйнсток Файр, Вы писали:
ЭФ>Карта не территория.
ЭФ>Вы в своих картинках не учтёте ковалентные межмолекулярные связи и всё, картинка станет неправильной. Или, выше, про дейтерий писали, угол другой, а в вашей модели это никак не учитывается...
Межмолекулярные связи здесь не при чём. В разреженной газовой фазе их как бы нет, есть только изолированные молекулы, и эти изолированные молекулы можно моделировать методами квантовой химии. С дейтерием я пока не могу объяснить изменение угла, как я понимаю в обычных моделях квантовохимических расчётов это не получится воспроизвести, тут надо отказаться от приближения Борна-Оппенгеймера (нужно учитывать динамику движения ядер, и взаимодействие этого движения с движением электронов).
"Ты должен сделать добро из зла, потому что его больше не из чего сделать". АБ Стругацкие.
Здравствуйте, Khimik, Вы писали:
K>С дейтерием я пока не могу объяснить изменение угла, как я понимаю в обычных моделях квантовохимических расчётов это не получится воспроизвести, тут надо отказаться от приближения Борна-Оппенгеймера (нужно учитывать динамику движения ядер, и взаимодействие этого движения с движением электронов).
А может можно качественно объяснить уменьшением радиуса орбиты электрона в атоме дейтерия?
Благодаря эффекту приведенной массы,
электрон в водороде получается чуть "легче" электрона в дейтерии и дает чуть больший радиус орбиты.
Соответственно, в молекуле D2O для перекрытия дейтериевских (меньших чем водородных) орбит потребуется большее искажение кислородного тетраэдра.
Здравствуйте, netch80, Вы писали:
N>Посмотри на вид электронных орбиталей при sp², sp³-гибридизации. N>Напиши уравнение совместной волновой функции трёх атомов и реши его. N>Микро-хинт: в случае замены, например, водорода на дейтерий угол изменится, примерно на пол-градуса.
Можно решить геометрическую задачку: Высоты правильного тетраэдра с вершинами ABCD пересекаются в точке O. Найти угол AOB.
В реальной молекуле свободные пары электронов отталкиваются сильнее, чем связи OH. По-этому угол Н-О-Н будет меньше.
ЭФ>>2) для чего это практически используется/применяется. N>Кем?
Производителями крепких спиртных напитков. Когда появилась кластерная теория (см. ссылку на опровержение в стартовом сообщении), утверждалось, что после разведения спирта водой кластеры некоторое время сохраняются — "жёсткая водка". А при выдерживании они распадаются и получается "мягкая водка". Государев продукт был явно мягче разведённого водопроводной водой гидролизного спирта. Проверять теорию методом выдерживания во времена борьбы с пьянством и алкоголизмом никто не решился.
N>Есть много гипотез об устойчивости водородных связей в воде или льде и какой сложности структуры они могут образовывать. N>Часть из них базировалась на очень слабых предпосылках.
Если теории газа и твёрдого тела вполне работают, то единого объяснения что же такое жидкость не существует. Все версии разбиваются об воду: твёрдая фаза (лёд) легче жидкой!
«Национализм во мне столь естественный, что никогда никаким интернационалистам его из меня не вытравить»
Менделеев Д. И.
Здравствуйте, Khimik, Вы писали:
K>В то же время молекула Li2O линейная, как пишет Википедия;
Прочитал статью из педовикии аж 3 раза. Так и не нашёл ничего про линейность молекулы оксида лития. Или ты на рисунок кристаллической решётки посмотрел и пришёл к такому выводу? Так нет. Там вообще нарисовано что-то типа КР хлористого натрия или оксида кальция. (Поровну атомов обоих элементов).
«Национализм во мне столь естественный, что никогда никаким интернационалистам его из меня не вытравить»
Менделеев Д. И.
Здравствуйте, biochemist, Вы писали:
K>>В то же время молекула Li2O линейная, как пишет Википедия; B>Прочитал статью из педовикии аж 3 раза. Так и не нашёл ничего про линейность молекулы оксида лития. Или ты на рисунок кристаллической решётки посмотрел и пришёл к такому выводу? Так нет. Там вообще нарисовано что-то типа КР хлористого натрия или оксида кальция. (Поровну атомов обоих элементов).
The ground state gas phase Li2O molecule is linear with a bond length consistent with strong ionic bonding.[5][6] VSEPR theory would predict a bent shape similar to H2O.
VSEPR это теория отталкивания электронных пар, которую я кажется сформулировал в предыдущем посте. Хотя этот термин не слышал, может это ещё называется теория гибридизации или теория гибридных орбиталей?
"Ты должен сделать добро из зла, потому что его больше не из чего сделать". АБ Стругацкие.
The ground state gas phase Li2O molecule is linear with a bond length consistent with strong ionic bonding.[5][6] VSEPR theory would predict a bent shape similar to H2O.
В воде связь ковалентная, а в оксиде лития ионная.
Если температура плавления 14380С, то даже боюсь сказать, при каких условиях концентрация оного вещества в газовой фазе будет более-менее заметной.
K>VSEPR это теория отталкивания электронных пар, которую я кажется сформулировал в предыдущем посте. Хотя этот термин не слышал, может это ещё называется теория гибридизации или теория гибридных орбиталей?
Нет. Это подпункт теории гибридизации. Настолько мелкий, что в первый раз слышу об этом как об отдельной теории.
«Национализм во мне столь естественный, что никогда никаким интернационалистам его из меня не вытравить»
Менделеев Д. И.
Здравствуйте, Chorkov, Вы писали:
ЭФ>> для чего это практически используется/применяется.
C>1) Например, если захотите рассчитать теплоемкость "из первых принципов", то эти данные вам понадобятся. C>(Не только угол, но и длины связей, упругости... ) C>У линейных и не-линейных молекул, теплоемкость (газов) в районе комнатной температуры отличается кардинально.
C>2) Если захотите узнать (электрический) дипольный момент молекулы, то этот угол снова понадобится... C>А дипольный момент используется много где: это и электрические свойства (вода — идеальный диэлектрик для сверхмощных конденсаторов, кстати), и растворимость всего в воде, и свойства молекулы при попадании в плазму...
Скорее не так. Чтобы рассчитать свойства вроде теплоёмкости или молекулярного дипольного момента, можно провести квантовохимический расчёт. В этом расчёте задаётся модель — например изолированная молекула H2O, и далее программа решает уравнение Шредингера и определяет свойства этой молекулы, в том числе этот угол. При решении уравнения Шредингера автоматом учитывается всё, что написано выше в этой теме, только на более точном уровне; и далее химик получает, например, картинки молекулярных орбиталей, картинки общей электронном плотности, и по этим картинкам он пытается рассуждать "вот тут электронные пары отталкиваются, поэтому угол получается такой". Но сама программа, проводящая квантовохимический расчёт, эти рассуждения не проводит, она просто решает уравнение Шредингера. И угол H-O-H для расчёта задавать не нужно — его программа находит сама.
"Ты должен сделать добро из зла, потому что его больше не из чего сделать". АБ Стругацкие.
Здравствуйте, Khimik, Вы писали:
K>Здравствуйте, Chorkov, Вы писали:
ЭФ>>> для чего это практически используется/применяется.
C>>1) Например, если захотите рассчитать теплоемкость "из первых принципов", то эти данные вам понадобятся. C>>(Не только угол, но и длины связей, упругости... ) C>>У линейных и не-линейных молекул, теплоемкость (газов) в районе комнатной температуры отличается кардинально.
C>>2) Если захотите узнать (электрический) дипольный момент молекулы, то этот угол снова понадобится... C>>А дипольный момент используется много где: это и электрические свойства (вода — идеальный диэлектрик для сверхмощных конденсаторов, кстати), и растворимость всего в воде, и свойства молекулы при попадании в плазму...
K> Скорее не так. Чтобы рассчитать свойства вроде теплоёмкости или молекулярного дипольного момента, можно провести квантовохимический расчёт. В этом расчёте задаётся модель — например изолированная молекула H2O, и далее программа решает уравнение Шредингера и определяет свойства этой молекулы, в том числе этот угол. При решении уравнения Шредингера автоматом учитывается всё, что написано выше в этой теме, только на более точном уровне; и далее химик получает, например, картинки молекулярных орбиталей, картинки общей электронном плотности, и по этим картинкам он пытается рассуждать "вот тут электронные пары отталкиваются, поэтому угол получается такой". Но сама программа, проводящая квантовохимический расчёт, эти рассуждения не проводит, она просто решает уравнение Шредингера. И угол H-O-H для расчёта задавать не нужно — его программа находит сама.
Сейчас так и делают, потому что вычислительное время ничего не стоит.
А в 70-х теплоемкость оценивали именно так: угол — из гибридизации, длины связей — из суммы условных радиусов атомов, упругости — уже не помню откуда, давно это было. +/- 5% для комнаты получалось без уравнения Шредингера.
Здравствуйте, biochemist, Вы писали:
N>>Есть много гипотез об устойчивости водородных связей в воде или льде и какой сложности структуры они могут образовывать. N>>Часть из них базировалась на очень слабых предпосылках. B>Если теории газа и твёрдого тела вполне работают, то единого объяснения что же такое жидкость не существует. Все версии разбиваются об воду: твёрдая фаза (лёд) легче жидкой!
А можно сейчас эффект высокой плотности жидкой воды воспроизвести в компьютерном моделировании — рассчитав воду методами молекулярной динамики или Монте-карло?
"Ты должен сделать добро из зла, потому что его больше не из чего сделать". АБ Стругацкие.
Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27′).
ЭФ>1) как так выходит/получается (почему не 180 градусов, например, не 103, и не 106);
При всех заполненных внешних орбиталях, т.е. 8 электронах, получается тетраэдр, у которого углы "связей" вершин с центром 109°28'.
(в 2D равноудалённой вершинами фигурой будет треугольник, в 3D тетраэдр)
(почему 8 электронов в заполненном валентном слое, а не 4 — потому что свободный электрон в несимметричной орбитали oO p- и d-гибридизации образует магнитный момент, который нейтрализуется встречным электроном)
При равном заряде всех вершин, например, как в метане СН4 или алмазе, получается угол идеального тетраэдра.
При неравных зарядах получаем отклонения.
(заряды ядер не целые, зависят от степени смещения электронных облаков)
ЭФ>2) для чего это практически используется/применяется.
Если бы эта наука была точной, то можно было бы предсказывать варианты пространственной упаковки молекул и св-ва получающихся веществ.
На деле же всё там экспериментальное. ))
