Историко-философские аспекты образования водородных связей в воде и жидкокристаллических системах

Работа построена на описании и сравнении водородной связи в воде и жидкокристаллических системах. Так как материал готовился к предмету "История химии" указаны исторические аспекты возникновения тех или иных определений, структур, межмолекулярных взаимодействий. ...

связи образованные внутри молекул реагента или между молекулами, резко изменяют энергию активации. Эти связи могут образоваться между молекулами реагента и растворителем, что также влияет на скорость, а иногда и на направление реакции.
Короче говоря, водородные связи играют очень большую роль в химии: их образование вызывает изменения как в структуре и свойствах вещества, так и в процессах его превращения.

Известно, что изучение истории предмета часто бывает подспорьем для тех, кто занимается его развитием. Поэтому в реферате сжато и кратко обозначены исторические аспекты развития наиболее значимых идей и теорий, а также имена известных ученых: Ян Дидерик Ван-дер-Ваальс, Михаил Ильинский, Альфред Вернер, Нильс Янниксен Бьеррум и др.

Водородная связь.Первоначальные идеи о водородных связях были высказаны Михаил Александровичем Ильинским (1(13) ноября 1887 – 18 ноября 1941) и Альфред Вернер (12 декабря 1866 – 15 ноября 1919)на основании общих суждений о дробных валентностях. Практическая же необходимость этого явления возникла в 1920 г., когда У. Латимер и У. Родебуш показали, что только с его помощью можно объяснить свойства плавиковой кислоты, которая во всех агрегатных состояниях представляет собою полимер (НF)n лишь с разными значениями n [4].Связь, которая образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы, называется водородной связью.Водородные связи служат причиной ассоциации молекул воды. Ассоциация (от лат. accosiare — соединять) — объединение простых молекул или ионов в более сложные, не вызывающие изменения химической природы вещества. Различают ассоциацию ионов и ассоциацию молекул.Посредством водородных связей ассоциируются спирты:Кислоты за счет этих связей образуют димеры и «полимеры»:Существует два вида водородной связи внутримолекулярная и межмолекулярная водородные связи. Если водородная связь объединяет части одной молекулы, то говорят о внутримолекулярной водородной связи. Это особенно характерно для многих органических соединений. Если же водородная связь образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом неметалла другой молекулы (межмолекулярная водородная связь), то молекулы образуют довольно прочные пары, цепочки, кольца [5].Рис. 2. Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связьВодородные связи образованные внутри молекул реагента или между молекулами, резко изменяют энергию активации. Эти связи могут образоваться между молекулами реагента и растворителем, что также влияет на скорость, а иногда и на направление реакции.Короче говоря, водородные связи играют очень большую роль в химии: их образование вызывает изменения как в структуре и свойствах вещества, так и в процессах его превращения.Раздел 2. Водородная связь в водеВсе аномальные свойства воды говорят о том, что молекулы 2Н и О в воде довольно прочно связаны между собой.Рис. 3. Тетраэдрическая структура водыТетраэдрическую модель молекулы воды впервые предложил Нильс Янниксен Бьеррум (11 марта 1879 г. – 30 сентября 1958 г)Возникающие между внешними парами образованными электронами кислорода и собственно протонами соседних с ними молекул воды, водородные связи, имеют очень важное значение в структурной организации всего объема воды в ее жидком состоянии. Каждая из молекул Н2О имеет возможность принять участие в формировании четырех подобных связей: двух - за счет притяжения пары протонов из данной молекулы к уже электронным парам кислородного атома двух соседних с ними частиц, а две оставшиеся получаются посредством притяжения протонов от соседних молекул к другим электронным парам атома кислорода настоящей частицы. То есть, молекула воды одновременно является и донором, и акцептором протона [6].Рис.4. Механизм образования водородной связиНаличием в воде водородных связей объясняется высокая степень упорядоченности ее молекул, что сближает воду с твердым телом. С другой стороны, вследствие таких связей возникают многочисленные полости, определяющие большую рыхлость структуры воды.Другое важное свойство водородной связи называется кооперативностью и означает, что образование одной водородной связи способствует возникновению рядом следующей связи, которая, в свою очередь, способствует образованию следующей, и т.д. Физико-химическая природа кооператнвности состоит в том, что две молекулы Н2О, образуя водородную связь, вступают в кислотно-щелочное взаимодействие, в результате которого одна молекула становится более кислой, а другая - более щелочной. Поэтому для образования этими же молекулами и других водородных связей требуется меньше энергии [7]. Рис. 5. Кооперативность водородной связиРаздел 3. Водородная связь в жидкокристаллических системахМезоморфное или жидкокристаллическое состояние вещества представляют собой агрегатное состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым, которое, тем не менее, является термодинамически устойчивым и имеет четко выраженный температурный интервал существования. Ограничение этой области фиксируется фазовыми переходами первого рода: кристалл – мезофаза и мезофаза – изотропная жидкость. ЖК, наряду со свойствами твердых тел (оптическая, диэлектрическая и магнитная анизотропия, двулучепреломление и др.), обладают многими свойствами изотропных жидкостей (не способны сохранять форму, обладают текучестью, могут образовывать каплю, характеризуются определенной величиной поверхностного натяжения) [8].