Cтруктура воды и ее аномальные свойства.

С физико-химической точки зрения подземные воды представляют собой водные растворы, состоящие из растворителя – воды и растворенных веществ. Существует ряд различных представлений о структуре воды и водных растворов. С современных позиций форму молекулы воды

Перейдём теперь к рассмотрению структуры воды, т.е. к строению её молекулы и к взаимосвязи молекул в объёме воды. Хорошо известно, что физические свойства любого вещества зависят, прежде всего, от его структуры. Чем же так необычна структура воды?

Понимание свойств и особенностей воды и ее растворов невозможно без учета специфики составляющих ее элементов – водорода и кислорода. Водород – первый элемент периодической системы Менделеева, родоначальник эволюции химических элементов. В его структуре и свойствах в зародышевой форме заложены структуры и свойства всех элементов системы. Справедливость сказанного подчеркивается, прежде всего, спектром водорода, в котором заключены основные разновидности (типы) спектра, свойственные всему многообразию атомов. Атом водорода в зависимости от условий может находиться в весьма различных энергетических состояниях, характеризующихся определенными значениями потенциала, радиуса, химической активности и др.

Во многом это определяется высоким потенциалом ионизации водорода. Способность водорода варьировать от Н⁺ до Н^- позволяет ему выступать то в роли окислителя, то восстановителя и предопределяет его роль как партнера кислорода в воде. Атом водорода представляет собой протонное ядро, вокруг которого существует одна электронная оболочка с единственным электроном (см. рисунки в презентации). У кислорода вокруг ядра имеются две электронные оболочки: на внутренней — два электрона и на внешней — шесть

При образовании молекулы воды электроны водорода и кислорода обобществляются таким образом, что на внешней оболочке водорода их становится два, а на внешней оболочке кислорода — восемь. Химическая связь, обусловленная обобществлением электронов атомов, называется ковалентной. Это очень сильная связь, и именно поэтому молекула воды чрезвычайно устойчива.

На рисунке можно заметить два важных момента: 1) атомы водорода расположены несимметрично относительно атома кислорода (что связано с резко различными размерами атомов и сильной электроотрицательностью кислорода) и 2) в молекуле остаются на внешней оболочке кислорода 4 электрона или как их называют две неподелённые пары электронов [они не поделены между водородом и кислородом, в отличие от обобществлённых электронов].

Если перейти от плоскостной модели молекулы воды к объёмной, то, в свете современных представлений, молекула воды имеет вид электронного облака, в центре которого расположено ядро атома кислорода, а в противоположных углах нижней части грани условного куба находятся ядра водорода. Расстояние между кислородом и водородом 1 Å (стомиллионная доля метра). По четырём вытянутым эллиптическим орбиталям движутся электроны. С ядрами водорода связаны два полюса положительных электрических зарядов молекулы воды. А в противоположной части молекулы вытянуты орбитали, по которым движутся неподелённые пары электронов (о которых мы говорили), и к этим электронам приурочены два полюса отрицательных зарядов молекулы воды. Таким образом, молекулу воды можно представить в виде тетраэдра, два угла которого заряжены положительно, а два других — отрицательно.

Вследствие несимметричности расположения зарядов молекула воды полярна. Полярность воды, бόльшая чем у других веществ, обусловливает высокую диэлектрическую проницаемость воды, высокую растворяющую способность и высокую электролитическую диссоциацию (т.е. распад на ионы) в воде солей, кислот и оснований. Растворение в воде твёрдых веществ в упрощённом виде можно описать следующим образом: в твёрдом кристаллическом состоянии ионные соединения типа NаСl состоят из закономерно расположенных положительных и отрицательных ионов. При погружении в воду кристаллов галита (NаСl) положительно заряженный ион натрия будет притягиваться отрицательным полюсом молекулы воды; отрицательно заряженный ион хлора — положительным. Процесс растворения будет представлять собой растаскивание ионов кристаллической решётки молекулами воды.

Другой (кроме полярности) важнейшей особенностью структуры воды является способность молекулы воды соединяться с другими её молекулами посредством водородной связи. Каждая молекула воды взаимодействует с четырьмя соседними молекулами в вершинах электронных орбиталей (или в вершинах условного тетраэдра) путём электрического взаимодействия между водородом одной молекулы и неподелённой парой электронов — другой. Так возникает водородная связь между молекулами воды. Водородная связь разновидность ковалентной, но слабее ее. Длина ковалентной связи O – H составляет 1,00 Å, а водородной O — H — 1,76 Å. Водородные связи между молекулами воды и возникающие пространственные структуры молекул определяют межмолекулярную структуру воды. Существует целый ряд структурных моделей, предложенных Дж. Берналом и Р. Фаулером, Х.С. Френком и У.И. Вина, М. Аджено, российским физико–химиком О.Я. Самойловым.

Таким образом, вода, является едва ли не самым аномальным соединений по своим физическим свойствам среди химических соединений на Земле.

1. Аномальными являются уже главные физические параметры воды (температура кипения и плавления), если сравнивать их с соответствующими параметрами для гидридов элементов второй группы таблицы Менделеева: Н₂Тe, Н₂Se и Н₂S. Значения температур кипения и плавления для этих гидридов ложатся на одну прямую, и если эту прямую продолжить в сторону Н₂О, то окажется, что температура плавления льда или замерзания воды должна быть не выше –100°С, а температура кипения воды должна быть где–то между –70 и –10°С. А фактически температура замерзания чистой воды при нормальном давлении 0°С, а кипения — 400°С. [При повышении давления или при растворении в воде химических соединений температура кипения растёт, а температура замерзания падает.]

2. Общеизвестно, что все вещества при нагревании увеличивают свой объём и уменьшают плотность. У воды же в интервале от 0 до 4 °С с возрастанием температуры объём сокращается и максимальная плотность отмечается при 4 °С. Если бы вода не обладала этой аномалией, то водоёмы зимой промерзали бы до самого дна, что было бы катастрофой для всего живого. При снижении температуры от 4 до 0 °С объём воды постепенно увеличивается, а при замерзании возрастает резким скачком (примерно на 11 %). Именно этим объясняется разрушительная сила замерзающей воды в трещинам горных пород.

3. Очень высокая растворяющая способность воды, которая определяется её исключительно высокой диэлектрической проницаемостью (при комнатной температуре равна 80). Для сравнения у большинства других растворителей диэлектрическая проницаемость изменяется от 10 до 50. Это означает, что два противоположных электрических заряда в воде взаимно притягиваются с силой в 80 раз меньшей, чем в воздухе, то есть отделение ионов от кристаллов какой–либо соли ( что и составляет суть растворения) в воде в 80 раз легче; чем в воздухе.

4. Вода обладает самым большим поверхностным натяжением из всех жидкостей за исключением ртути. На поверхности воды могут лежать предметы, которые в 8 и более раз тяжелее воды.

5. Вода обладает самой высокой теплоёмкостью среди всех твёрдых и жидких веществ за исключением аммиака.

6. Теплопроводность воды самая высокая из всех жидкостей.

7. Возрастание давления приводит, как правило, к увеличению вязкости вещества, а у воды в интервале 0–30 °С вязкостъ с ростом давления убывает.

Вода существует в трех основных фазовых состояниях – пар, жидкое, твердое. Водяной пар состоит из мономерных молекул, т.е. одиночных, не связанных водородными связями. Во льду все молекулы воды связаны между собой водородными связями в молекулярные ассоциаты (рои или кластеры), поэтому структура льда представляется ажурным каркасом, состояшим из ассоциатов молекул воды с большим количеством пустот. В жидкой воде имеются и мономерные молекулы, и льдоподобные ассоциаты, в воде всё время происходит образование ассоциатов и распад их на одиночные молекулы (время жизни ассоциатов 10^–10–10^–11 сек) и структура жидкой воды в каждый данный момент определяется соотношением в ней льдоподобных ассоциатов с мономерными молекулами. Количество молекул, связанных в ассоциаты, и количество самих ассоциатов может быть различным и зависит от ряда факторов, в частности от температуры.

Процесс плавления льда состоит в распаде молекулярных ассоциатов. Освобождающиеся от водородных связей молекулы попадают в полости имеющихся в воде льдоподобных структур. При этом укладка молекул оказывается более компактной, плотность воды растёт, а объём падает. Эти процессы наиболее активно протекают до температуры 4 °С.

При приложении давления к воде, структура которой имеет большое количество пустот, её ажурные льдоподобные образования становятся менее устойчивыми. Они начинают разрушаться, становится больше мономерных молекул, которые более подвижны, чем льдоподобные ассоциаты. И вязкость воды уменьшается. Так, структурой объясняется аномальная зависимость вязкости от давления, присущая воде.

Структурой воды объясняются и другие аномальные свойства воды. Так, водородные связи обусловливают необычайную силу сцепления воды, проявляющуюся в её высоком поверхностном натяжении.

На структуру воды и свойства растворов влияют магнитное и электрическое поля, ультразвуковые воздействия, дозы радиоактивных излучений. Например, в магнитном поле наблюдаются: 1) ускорение коагуляции (оседания) взвешенных в воде твёрдых частиц; 2) образование кристаллов соли при выпаривании не на стенках, а в объёме; 3) ускорение растворения твёрдых тел; 4) изменение концентрации растворённых газов. Сущность изменений, происходящих в воде под влиянием внешних полей, пока мало ясна, а имеющиеся гипотезы противоречивы.