img-503161453

С войства,	единицы изм ерения				Величина
Вязкость при 20° С, спз					1	,0 0	5
П оверхностное натяж ение на границе		с	воздухом при		7 2	,7 5
20° С, дин/см
П оказатель преломления	при 20° С				1	,3 3	3 0
В природе вода	находится	в	трех	состояниях — газообразном,
жидком и твердом.				одно из	наиболее		важных
Вода — самое распространенное и

веществ в природе. Она является главной составной частью жи­ вой материи и окружающей нас среды.

В зависимости от способа взаимосвязи с различными веще­ ствами воду в природе можно подразделять на пять видов.

Конституционная вода — вода, входящая в состав вещества как неотъемлемая часть, молекулы которой входят в анион или катион комплексов, например: гидроокись кальция, гидроокиси метал­ лов и т. д.

^Кристаллизационная вода (кристаллогидрат) —• вода, опреде­ ленное число молекул которой входит в состав некоторых без­ водных веществ. Вода может выделяться при нагревании, но вновь

присоединяется к	безводному	веществу,	если	его приблизить
к воде (сода, медный купорос и многие соли).
Структурно-свободная вода — вода,			которая располагается
в пустотах некоторых структур		(цеолиты,	опал	и др.), не	входя
в их состав.	вода — вода,	поглощенная		твердыми	веще­
4Адсорбционная
ствами, имеющими	большое число пор и		развитую поверхность,

и находящаяся на поверхности ртути, кварца и в полостях пемзы вследствие большой силы сцепления и прилипания (адгезии).

В тканях животных и растений вода находится в связанном со­ стоянии, составляя 50—99% их массы (у медузы 99%, у взрос­ лого человека 65—70%, у огурцов 95%, у спор бактерий 50%

ит. д.).

'Вода находится в почве, на поверхности земли в виде пресной воды, льда, минерализованной воды (морские и подземные воды),

ватмосфере в виде водяного пара и имеет очень важное значение

вразнообразных процессах и явлениях живой и неживой природы, а также в практической деятельности человека.

Втечение долгого времени считали, что вода — простое вещество.\уРазвитие науки изменило это представление. Было уста­

новлено, что вода является одним из самых сложных веществ как с химической, так и с физической стороны. Однако и до на­ стоящего времени вода как физическое тело таит в себе много загадок для ученых и имеет ряд особенностей, резко отличающих ее от всех других жидкостей. \f

Отличие воды от других жидкостей проявляется в довольно значительных аномалиях свойств, важнейшие из которых сле­ дующие.

И

1. Наибольшая плотность воды наблюдается при 4° С и с даль­ нейшим понижением температуры до замерзания или повышением до кипения уменьшается.

2.При замерзании объем воды увеличивается скачкообразно почти на 10%. Только немногие вещества (висмут, галлий, герма­ ний и др.) имеют такую же аномалию, при которой твердая фаза легче жидкой.

3.Удельная теплоемкость воды выше, чем у большинства ве­ ществ (кроме водорода и аммиака).

Плавление льда сопровождается увеличением удельной тепло­ емкости почти вдвое. С повышением температуры теплоемкость

воды уменьшается и только после достижения 40° С начинает уве­ личиваться вновь.

4. Вода обладает исключительно большой теплотой плавления льда — 79,7 кал/г, т. е. вода и лед при температуре 0° отличаются по содержанию скрытой энергии почти на 80 кал.

5. Температура замерзания воды понижается при увеличении давления примерно на 1°С на каждые 130 атм и достигает мини­ мума (—22° С) при давлении 2115 атм. При дальнейшем увеличе­ нии давления температура замерзания увеличивается и может стать больше 0° (при очень большом давлении).

6. Температура кипения воды равна 100°С, но учитывая, что водород кипит при —253° С, а кислород при — 180° С, вода должна

кипеть в пределах от — 100 до — 150° G.	кал/г при
7. Теплота испарения у воды наибольшая — 539
100° С.	при 20° С.
8. Диэлектрическая проницаемость воды (е) 81,0

У большинства других тел она находится в пределах 2—3, за ис­ ключением ряда кислот (муравьиная — 58, ацетон — 21) и циани­ стого водорода, у которого диэлектрическая проницаемость 107.

9. Коэффициент преломления света в воде /2= 1,3, в то время

как по волновой теории света (п = Уе) он должен быть равен 9. Многие из этих аномалий объясняются строением молекулы

иособенностями структуры воды.

Впоследние годы учеными открыты новые виды и свойства

воды.

В 30-х годах советские		физики Б ерлага и Горский заметили, что		при обра­
ботке пересыщенных	растворов магнитным		полем зам етно меняется процесс вы ­
падения кристаллов.	Затем	итальянскому	ученому П иккарди удалось	доказать

влияние магнитного поля Земли на скорость некоторых реакций в водных рас­

творах. Бы ли	получены	удивительные результаты .
Вода, испы тавш ая		действие магнитного поля,— «магнитная»						вода — не		обра­
зует накипи в котлах,		улучш ает извлечение	м еталлов		из	руд		(свинец,		м едь),
ускоряет затвердевание цемента и упрочняет бетрн^-
Интересно, что «магнитная» вода сохраняет приобретенные при магнитной
обработке свойства довольно длительное время				(до 3	суток)		д аж е после			того,
как магнитное поле снято.
К андидат	геолого-минералогических наук		Ф.	Л етников		и	кан дидат		химиче­
ских наук Т.	К ащ еева	проводят эксперименты	с	водой,	названной ими				«активи­
рованной».

12

В обычной дистиллированной воде после воздействия высоких								(200—500° С)
температур	и давлений			появляю тся	новые физические и химические свойства.
Д етальны е	исследования			показали ,	что повысилась		растворяю щ ая	способность
активированной		воды,	увеличилась		ее	кислотность.	А ктивированная	вода после
охлаж дения	до	25° С	«помнит» о тех			высоких тем пературах и давлениях, при

которых недавно находилась. С течением времени активированная вода теряет

свою «память» и	постепенно приближ ается по			свойствам к		обычной	дистилли­
рованной воде.,-
Американские	ученые	сообщили	о новом	виде	воды,	которая	образуется
в результате соединения		большого	числа молекул		обычной	воды. «Поливода»,

как назвали ее ученые, имеет целый р яд совершенно новых физических свойств,

	кипит		при температуре в 4— 5		раз	более	высокой,		чем обычная.
		Не	менее удивительными		свойствами		обладаю т		талая,	стимулирую щ ая рост
	вода, «сверхтекучая»,			«резиновая», . . .
		По-видимому, о воде предстоит узнать еще много необычного.
			Вопросы для обучения и самоконтроля
					Карточка № 1
					Свойства воды
			Вопросы						Э лем енты ответов
							1 )	свойствами
							2 )	бесцветная ж идкость
	1 . К аковы физические свойства				воды ?		3 )	физическими
							4)	не имеет
							5)	причем по объему
	2.	К аков состав воды ?					6 )	германий
							7)	11,19%
							8 )	прозрачная
	3 .	Чем	вода резко отличается от всех д р у ­				9)	аномалии
		гих ж идкостей ?					1 0 )	водорода
							1 1 )	вода
	4.	Н азовите вещ ества,		у которых		твердая	1 2 )	запаха
							13)	галлий
		ф аза легче ж идкой
							14)	аммиака
							15)	в 2,00285		р аза больше
	5.	У каких вещ еств		теплоемкость		выше,	16)	висмут
							17)	вкуса и		определенной формы
		чем у воды?
							18)	88,81%
							19)	имеющими наибольш ие
							2 0 )	кислорода

13

Карточка № 2

Свойства воды

В опросы Э лем енты ответов

								1 ) образуется тонкая пленка
	1. Почему в глубоких слоях земной коры							2 )	в 1 0	раз
		вода	находится в		ж идком		состоянии	3)	котла	и радиаторов
		д аж е при		высоких	(300° С )		тем перату­	4)	давления
		рах ?						5) температур (а)
	2.	П очему	на	больших	глубинах		М ирового	6 )	воды
		океана	вода не зам ерзает при отрица­					7)	во время
		тельных температурах?						8 )	повыш ается
								9)	пониж ается
	3.	Н а чем	основан принцип действия водя ­					1 0 )	резко увеличивается
								1 1 )	высокого
		ного отопления с естественной циркуля­
		цией воды?						1 2 )	парообразования
								13)	лезвия конька
								14)	на изменении
	4.	Почему	при зам ерзании			вода	разры вает	15)	служ ащ ая смазкой
		трубы,	бочки, скалы		и т.	п.?		16)	зам ерзания
								17)	объем
	5.	П очему	коньки по льду скользят, а по					18)	разности
								19)	вследствие
		стеклу нет?
								2 0 )	плотности

	§ 2. Особенности строения молекулы воды.
	Структура воды
I	Наличие аномалий у воды указывает на сложность ее внутрен-
	него строения, обусловленного несимметричным расположением
i	атомов и перегруппировками молекул воды при изменении тем-

Vпературы.

^Молекула воды состоит из трех атомов: одного атома кисло­

рода (отрицательный ион кислорода) и двух атомов водорода (два положительных иона водорода). Молекула образуется стя­ жением атомов путем взаимодействия между электронами, нахо­ дящимися на их внешних орбитах, и является сложной системой,

несущей одновременно положительные и отрицательные					заряды.
В молекуле воды ядра атомов		располагаются		по вершинам
равнобедренного треугольника,	у	которого	две стороны		равны,
а угол при вершине, в котором	находится		атомное	ядро	кисло­
рода, составляет в молекуле водяного пара			104° 27',	а в молекуле
льда 109° 30' (рис. 1).

14

Атомы окружены электронной оболочкой (электронное об­ лако), в которой по определенным орбитам вращаются с громад­ ной скоростью (близкой к скорости света) электроны.

Рис. 1.

Строение

молекулы воды.

Такое

располож ение атомов создает

наибольш ую

устойчивость.

Электриче­

ские

связи,

удерж иваю щ ие

составные части

молекулы ,

очень

велики,

и необхо­

дим а

очень

больш ая

энергия,

чтобы

наруш ить связь

м еж ду

атомами.

Д ействи ­

тельно, зам етная диссоциация

молекулы

водяного пара

на кислород

и

водород

начинается

только при температуре

свыше

1000° С,

но д а ж е при температуре

2000° С разруш ается

всего

1,8%, а

при

температуре

3092° С

только

13%

всех

молекул. П ри

нормальной

тем пературе из 10 000 000

молекул

воды только

одна

распадается на

ионы.

В результате такого строения положительные и отрицательные заряды молекулы воды распределены неравномерно и их электро­ статические центры не совпадают. Молекула имеет два полюса — положительный и отрицательный, которые создают вокруг силовое поле. Такие молекулы называют полярными или диполями.

Полярность молекулы определяется дипольным моментом:

\х.=1е,

где |л— дипольный момент; I — расстояние между электрическими центрами тяжести в см; е — величина заряда в абсолютных элек­ тростатических единицах.

Вода обладает довольно высоким, в сравнении с другими жид­ костями, дипольным моментом— (1,84-4-1,86) • 10-18 (табл. 2).

Высокий дипольный момент воды при сравнительно незна­ чительном молекулярном объеме обусловливает в электрическом поле особенно сильную поляризацию, которая характеризуется большой диэлектрической проницаемостью (е = 81). Таким обра­ зом, из всех обычных растворителей (кроме цианистого водо­ рода) вода обладает наивысшей диэлектрической проницаемо­ стью, а это и объясняет наличие у воды особых свойств, в част­ ности способность растворять все вещества.

Дипольные моменты ц и диэлектрическая проницаемость г				Таблица 2
В ещ ество	Ф орм ула	t °c	(Л-10-18	E
Сероуглерод	c s2	2 0	0	2 ,6 5
В одород сернистый	H2s	-	0 ,9 3	—
В одород хлористый	НС1	—	1,03	—
Аммиак	N H 3	25	1,46	17
Сернистый ангидрид	so2	18	1.61	13,8
Вода	H2o	2 0	1 .8 4 - 1 ,8 6	81
В одород цианистый	H C N	25	2 ,9	107
Ацетон	C H 3 C O C H 3	2 0	2 ,9 5	21,45

Еще совсем недавно предполагали, что вода представляет со­ бой аморфное тело, молекулы которого двигаются в полном бес­ порядке. Но уже в 1933 г. Бернал и Фаулер предложили структур­ ную теорию воды, которая впоследствии легла в основу всех совре­ менных теорий строения воды.

Согласно этим теориям, молекулы воды благодаря высокому дипольному моменту обладают способностью ассоциировать, соз­ давая кристаллическую решетку в виде тетраэдра из перекрещи­ вающихся цепочек молекул воды, связанных между собой водо­ родными связями.

Структура льда характерна правильным расположением мо­ лекул, где каждая молекула связана с четырьмя соседями водо­ родными связями и находится на пересечении двух цепочек (рис. 2). С изменением температуры воды происходит перестройка структуры. При повышении температуры от 0 до 4° С часть водо­ родных связей, объединяющих соседние молекулы, рвется и неко­

торые молекулы, приобретая	большую	свободу,	размещаются
в полостях, которыми так богата ажурная		структура		льда.	Наи­
большего уплотнения структура	достигает	при 4° С,	и	только	при

дальнейшем нагревании вследствие усиливающегося теплового движения взаимное отталкивание молекул берет верх над уплот­ нением: разрыв водородных связей увеличивается, вода начинает расширяться.

Согласно двухструктурной теории воды, разработанной совет­ скими учеными О. Я- Самойловым, В. М. Вдовенко и Ю. В. Гуриковым, вода представляет собой смесь участков двух родов: одни участки являются обломками сравнительно правильной структуры льда, другие — это разрушенная структура льда, в которой боль­ шинство связей порвано. Наряду с такими высокомолекулярными группами в воде находятся и беспорядочно расположенные моле­

кулы вида (НгО)ь	(Н20 ) 2		и др., количество которых	зависит
от температуры воды	(рис.	3) и определяет изменение плотности.
Ассоциацией молекул		и	структурным изменением	решетки

можно объяснить не только уменьшение плотности с понижением

16

температуры от 4 до 0° С, но и многие другие аномалии (большая теплоемкость, теплота плавления и испарения), связанные с за­ тратой энергии на ассоциацию или диссоциацию молекул и пре­ одоление электрических моментов при перестройке их в соответ­ ствующую структуру.

Рис. 2. С труктура воды.

1 — те т р а и д а л ь н о е р а с п о л о ж е н и е м о л е к у л в о д ы , 2 — с т р у к ту р а л ь д а .

Однако невозможно объяснить все аномалии, не учитывая на­ личия в воде изотопов кислорода и водорода.

Как и большинство химических элементов, водород и кисло­ род встречаются в виде изотопов различной атомной массы. Так, имеется изотоп водорода ’Н с массой 1, 2Н с массой 2 (дейтерий, обозначается D), 3Н с массой 3 (тритий, обозначается Т) и др.

Известны и изотопы кислорода 140, 150, 160, 170 и др.

2 Заказ № 364

17

В настоящее время известны пять изотопов водорода и шесть изотопов кислорода, комбинации которых создают 36 изотопных разновидностей воды, из которых только 9 содержатся в природ­ ных водах (табл. 3).

Рис, 3, Относительное содерж ание молекулярных агрегатов воды (по А. Э укену).

Наличие, изотопов кислорода и водорода приводит к тому, что природная вода представляет собой смесь всех изотопных соеди­ нений кислорода и водорода. В противоположность «легкой воде» ‘Нг^О смесь всех видов воды называют «тяжелой водой», так как она отличается от обычной воды более высоким удельным весом. На практике под термином «тяжелая вода» подразумевают окись

			Таблица 3
	Компоненты воды (по Г. Дитриху)
М олекула воды	% общ его объем а	% объема тяжелой	С оответствует концентра­
	воды	воды	ции в морской воде
'Н ^О	99,73	—	__
‘н'8о	0,20	73,5	М агния
^ " 0	0,04	14,7	Кальция
'Н2Н]60	0,032	11,8	К алия
1Н2Н180	0,00006	0,022	Н атрия
’н2н17о	0,00001	0,003	Алюминия
2н'6о	0,000003	0,001	Ф осфора
2Н^80	0,000000006	0,000002	Ртути
2Н>70	0,000000001	0,0000003	Золота

18

дейтерия 2H 160 (D 20 ). Тяжелая вода в сильной степени отличается от обычной воды.

Основную массу воды (99,73%) составляют молекулы чистой воды 'Нг'Ю. Увеличение количества более тяжелых молекул при­ дает воде большую плотность. Воды различного происхождения имеют неодинаковый изотопный состав.

Исследования показали, что по сравнению с океанической во­ дой и водами суши наибольшее уплотнение наблюдается в кри­ сталлизационной воде и в воде, содержащейся в тканях живот­ ных и растений (табл. 4).

/			Таблица 4
V С редние величины распределения
	изотопов в природе
	(по О. А. Алекину)
		Величина уплотнения (а *10” °)
П роисхож дение	воды	стандарт —	стандарт —
		вода океана	вода суш и
Снег		- 3 , 8	- 2 , 3
Д ож дь		- 2 , 5	- 1 , 0
Воды суши		- 1 . 5	0
О кеан		0	+ 1 ,5
Ж ивотны е		- 0 , 3	+ 1 , 2
Растения		+ 0 , 2	+ 1 .7
М инералы		+ 0 ,9	+ 2 ,4

Одной из главных причин, создающих такую дифференциацию изотопов в природной среде, является процесс испарения. Упру­ гость паров тяжелой воды несколько ниже обычной воды, а так как процесс испарения является основным фактором в кругово­ роте, то обогащение природных вод изотопами в местах испаре­ ния и обеднение ими в местах конденсации может вызвать замет­

ную разницу в плотности воды.
	В тяжелой воде замедляются некоторые реакции и биологи­
ческие процессы; она (в частности					D30)	используется как замед­
литель нейтронов, а также в качестве						исходного	вещества для
получения соединений с меченым водородом.
			Вопросы для обучения и самоконтроля
				Карточка № 3
			Строение молекулы воды
		Вопросы				Э лем енты	ответов
1.	И з чего	состоит	м олекула	воды?	1 )	один
					2 )	неравномерно
2.	К аково	строение	молекулы	воды?	3)	несимметричное

2*

19

				В опросы					Э л ем ен ты	ответов
								4)	не совпадаю т
3.	К ак	располож ены			полож ительные		и от­	5)	2,95
								67))	соединены с
	рицательные заряды в молекуле воды?
									\х=1е
								8 )	Н 20
								9)	атом (а, ом)
4.	Что	определяет,			полярность	молекулы		1 0 )	электрические центры тяж ести
								П )	1,03
	воды?
								1 2 )	молекула
								13)	кислорода
								14)	СНзСОСНз
5.	Сравните дипольные моменты					воды, аце­		15)	дипольный момент
								16)	1,85
	тона	и соляной кислоты
								17)	два
								18)	НС1
								19)	под углом ~	105°
								2 0 )	водород (а)
						Карточка №		4
						Структура воды
				Вопросы					Э лем енты	ответов
1.	При	каких	условиях происходит распад					1)	свыше 1000° С
	молекулы воды на ионы кислорода и во­							2 )	перестройкой
	дорода?							3)	менее плотной
								4)	такж е
2.	Чем	объясняется			аномальное увеличение			5)	при температуре
	объема воды			при	замерзании?			6 )	невозможно
								7)	изотопов воды
								8 )	наличие
3.	Что	назы ваю т		«тяж елой водой»?				9)	более плотной
								10) 2 0 0 0 ° С
4.	Что	практически			подразум еваю т		под	1 1 )	кварцеобразной к
								1 2 )	учиты вать
	«тяж елой водой»?							13)	разруш ается
								14)	необходимо
5.	М ож но ли		ассоциацией молекул и				пере­	15)	смесь всех
								16)	окись дейтерия
	стройкой		их	кристаллической		решетки		17)	всего 1,8%
	объяснить		все	аномалии воды?				18)	структурной формы от
								19)	тридимитообразной
								2 0 )	но д аж е

§ 3. Растворимость твердых тел и газов

Раствором называется жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий

20