Свойства и структура воды (стр. 2 из 5)
Хотя вода в целом в химическом отношении инертна, наличие ионов Н+ и ОН- делает ее чрезвычайно активной.
В воде могут находиться и отрицательно заряженные ионы кислорода (О-). Более того, в природе могут встречаться и другие соединения водорода с кислородом. К таким соединениям в первую очередь принадлежит широко распространенный отрицательно заряженный гидрооксоний Н3О+. Он встречается в растворах галита (NaСl) при высоких температурах и давлениях. Гидрооксоний находится в узлах решетки льда (вместе с гидроксильным ином ОН-) в количестве (при 0° С) 0,27*10-9 частей, а также в связанном состоянии во многих минералах.
Н3О+ и ОН- в глубоких недрах являются переносчиками многих соединений (особенно в процессе гранитизации). К другим соединениям водорода с кислородом относятся перекись водорода (Н2О2), перигидроксил (НО2), гидроксил-моногидрат (Н3О2) и т. п. Все они неустойчивы в условиях земной поверхности, однако при некоторых темературах и давлениях могут находиться в природе длительное время, а главное – превращаться в молекулу воды, о чем будет сказано ниже. Н3О2- обнаружен в облаках ионосферы на высоте более 100 км над уровнем моря.
Как уже было отмечено выше, молекула воды, как правило, нейтральна. Однако при вырывании из нее электрона бета-лучами (быстрыми электронами) может образоваться заряженная «молекула» воды – положительный ион H2O+. При взаимодействии воды с этим ионом возникает радикал ОН- по схеме:
H2O+ + H2O = Н3О+ + ОН-.
При рекомбинации гидрооксония Н3О+ с электроном выделяется энергия, равная 196 ккал/моль, достаточная для расщепления Н2О на Н и ОН. Свободные радикалы играют весьма важную роль в астрофизике и в физике земной атмосферы. На Солнце был обнаружен радикал ОН, причем в пятнах в повышенном количестве. Он же обнаружен в звездах и в головной части комет.
Итак, рассматривая воду только как вещество, состоящее из атомов, молекул и ионов водорода и кислорода, и не принимая во внимание все другие элементы периодической системы и их неорганические и органические соединения, которые могут находиться воде в виде растворов, взвесей, эмульсий и примесей, газообразном, жидком и твердом состояниях, можно выделить 36 соединений – разновидностей водорода и кислорода, входящих в состав воды. В табл. 1 приведено девять изотопических разновидностей воды.
Некоторые изотопические разновидности воды с сравнении с содержанием отдельных элементов в морской воде
Формулы молекул воды | Содержание, % | Соответствует содержанию в морской воде |
| H1O16 | 99,73 | - |
| H1O18 | 0,20 | Магния |
| H12O17 | 0,04 | Кальция |
| H1H2O16 | 0,032 | Калия |
| H1H2O18 | 0,00006 | Азота |
| H1H2O17 | 0,00001 | Алюминия |
| H22O16 | 0,000003 | Фосфора |
| H22018 | 0,000000009 | Ртути |
| H22O17 | 0,000000001 | Золота |
Как видим, кроме Н2О, других изотопических разновидностей обычно не так уж много, всего около 0,3%. Тритий (Н3, или Т) слабо радиоактивен, и его полураспад длится 12,3 года, в таблице он не помещен, так же как и другие радиоактивные изотопы водорода с атомным весом 4 (Н4) и 5 (Н5) с исключительно коротким периодом полураспада. Например, Н4 всего 4/100000000000сек. или 4*10-11 сек.
Помимо указанных выше четырех изотопов водорода имеются еще три радиоактивных изотопа кислорода: О14, О15, О16, но и они в природной воде большого значения иметь не могут, так как их периоды полураспада очень малы и оцениваются десятками секунд. Но это еще далеко не все, если говорить о разновидностях чистой воды.
До сих пор мы рассматривали только атомы, молекулы и ионы водорода и кислорода и их соединения, составляющие то, что мы называем чистой водой. В 1 см3 жидкой воды при 0° С содержится 3,35*1022 молекул.
Оказывается, частицы воды располагаются далеко не произвольно, а образуют во всех трех фазах воды определенную структуру, которая изменяется в зависимости от температуры и давления. Мы подошли к наиболее трудной для понимания, загадочной и далеко не разрешенной проблеме воды – ее структуре.
Модели структуры воды.
Известно несколько моделей структуры чистой воды, начиная с простейших ассоциатов, льдоподобной модели и желеподобными массами, свойственными полипептидам и полинуклеотидам, – бесконечно и беспорядочно разветвленный гель с быстро возникающими и и исчезающими водородными связями. Выбор определенной модели жидкой воды зависит от изучаемых свойств. Каждая модель передает те или иные характерные особенности ее структуры, но не может претендовать как на единственно правильную.
Большему количеству экспериментальных данных отвечает льдоподобная - модель О. Я. Самойлова. Согласно этой модели, ближняя упорядоченность расположения молекул, свойственная воде, представляет собой нарушенный тепловым движением льдоподобный тетраэдрический каркас, пустоты которого частично заполнены молекулами воды. При этом молекулы воды, находящиеся в пустотах льдоподобного каркаса, имеют иную энергию, чем молекулы воды в его узлах. Для структуры воды характерно тетраэдрическое окружение ее молекул. Три соседа каждой молекулы в жидкой воде расположены в одном слое и находятся на большем от нее расстоянии (0,294 нм), чем четвертая молекула из соседнего слоя (0,276 нм). Каждая молекула воды в ставе льдоподобного каркаса образует одну зеркальносимметричную (прочную) и три центральносимметричных (менее прочных) связи. Первая относится к связи между молекулами воды данного слоя и соседних слоев, остальные - к связям между молекулами воды одного слоя. Поэтому четвертая часть всех связей - зеркальносимметричные, а три четверти центральносимметричные.
Представления о тетраэдрическом окружении молекул воды привели к выводу о высокой ажурности ее строения и наличии в ней пустот, размеры которых равны или превышают размеры молекул воды.Рис 3. Элементы структуры жидкой воды.
а - элементарный водный тетраэдр (светлые кружки - атомы кислорода, черные половинки - возможные положения протонов на водородной связи);
б - зеркальносимметричное расположение тетраэдров;
в - центральносимметричное расположение; г - расположение кислородных центров в структуре обычного льда.
Жидкая вода характеризуется значительными силами межмолекулярного взаимодействия за счет водородных связей, которые образуют пространственную сетку. Водородная связь обусловлена способностью атома водорода, соединенного с электроотрицательным элементом, образовывать дополнительную связь с электроотрицательным атомом другой молекулы. Водородная связь относительно прочна и составляет несколько килоджоулей на моль. По прочности она занимает промежуточное место между энергией Ван-дер-Ваальса и энергией типично ионной связи.
В молекуле воды энергия химической связи H-O составляет 456 кДж/моль, а энергия водородной связи H…O 21 кДж/моль.
Рис 4. Схема водородной связи между молекулами воды
Свойства воды
Обратимся к общей характеристике свойств воды, делающих ее самым удивительным веществом на Земле.
И первое, самое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на нашей планете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невидимый глазу пар).
Как хорошо известно, вода принята за образец меры – эталон для всех других веществ. Казалось бы, за эталон для физических констант следовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себя самым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.
Вода – самое аномальное вещество в природе.
Прежде всего, вода обладает исключительно высокой теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердыми телами. Если теплоемкость воды принята за единицу, то, например, для спирта и глицерина она составит только 0,3; для песка каменной соли – 0,2; для ртути и платины – 0,03; для дерева (дуб, ель, сосна) – 0,6; для железа – 0,1 и т.д.
Таким образом, вода в озере при одинаковой температуре воздуха и одинаковом получаемом ею солнечном тепле нагреется в 5 раз меньше, чем сухая песчаная почва вокруг озера, но во столько же раз вода будет больше сохранять полученное тепло, чем почва.
Другая аномалия воды – это необычайно высокие скрытая теплота испарения и скрытая теплота плавления, т. е. то количество тепла, которое необходимо, чтобы превратить жидкость в пар и лед в жидкость (иными словами, количество поглощаемой или высвобождаемой теплоты). Например, чтобы превратить 1 г льда в жидкость, необходимо закатить около 80 кал, в то время как само вещество лед – вода ни на долю градуса не повысит свою температуру. Как известно, температура тающего льда неизменно одинакова и равна 0° С. В то же время вода тающего льда из окружающей среды должна поглощать относительно громадное количество тепла (80 кал/г).