А.Свитцов введение в мембранную технологию Учебное пособие. Строение молекул воды, их связи и свойства. Влияние внешних физических воздействий на молекулы воды

К.х.н. О.В. Мосин

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

Строение молекулы воды (рисунок справа)

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

Водородные связи между молекулами воды (рисунок ниже слева)

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. С давних пор известно, что лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости.

Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.

Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт.

Для других жидкостей зависимость обратная, и почти нигде не бывает, чтобы какой-то важный параметр вёл себя не монотонно, т.е. сначала рос, а после прохождения критического значения температуры или давления уменьшался. Возникло предположение, что на самом деле вода - это не единая жидкость, а смесь двух компонентов, которые различаются свойствами, например плотностью и вязкостью, а следовательно, и структурой. Такие идеи стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много данных об аномалиях воды.

Первым идею о том, что вода состоит из двух компонентов, высказал Уайтинг в 1884 году. Его авторство цитирует Э.Ф. Фрицман в монографии “Природа воды. Тяжёлая вода”, изданной в 1935 году. В 1891 году В. Ренгтен ввёл представление о двух состояниях воды, которые различаются плотностью. После неё появилось множество работ, в которых воду рассматривали как смесь ассоциатов разного состава (“гидролей”).

Когда в 20-е годы определили структуру льда, оказалось, что молекулы воды в кристаллическом состоянии образуют трёхмерную непрерывную сетку, в которой каждая молекула имеет четырёх ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного тетраэдра. В 1933 году Дж. Бернал и П. Фаулер предположили, что подобная сетка существует и в жидкой воде. Поскольку вода плотнее льда, они считали, что молекулы в ней расположены не так, как во льду, то есть подобно атомам кремния в минерале тридимите, а так, как атомы кремния в более плотной модификации кремнезёма - кварце. Увеличение плотности воды при нагревании от 0 до 4°C объяснялось присутствием при низкой температуре тридимитовой компоненты. Таким образом, модель Бернала - Фаулера сохранила элемент двухструктурности, но главное их достижение - идея непрерывной тетраэдрическои сетки. Тогда появился знаменитый афоризм И. Ленгмюра: „Океан - одна большая молекула“. Излишняя конкретизация модели не прибавила сторонников теории единой сетки.

Только в 1951 году Дж. Попл создал модель непрерывной сетки, которая была не так конкретна, как модель Бернала - Фаулера. Попл представлял воду как случайную тетраэдрическую сетку, связи между молекулами в которой искривлены и имеют различную длину. Модель Попла объясняет уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Когда в 60–70-е годы появились первые определения структуры льдов II и IX, стало ясно, как искривление связей может приводить к уплотнению структуры. Модель Попла не могла объяснить немонотонность зависимости свойств воды от температуры и давления так хорошо, как модели двух состояний. Поэтому идею двух состояний ещё долго разделяли многие учёные.

Но во второй половине XX века нельзя было так фантазировать о составе и строении „гидролей“, как это делали в начале века. Уже было известно, как устроен лёд и кристаллогидраты, и многое знали про водородную связь. Помимо „континуальных“ моделей (модель Попла), возникли две группы „смешанных“ моделей: кластерные и клатратные. В первой группе вода представала в виде кластеров из молекул, связанных водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих. Модели второй группы рассматривали воду как непрерывную сетку (обычно в этом контексте называемую каркасом) водородных связей, которая содержит пустоты; в них размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами каркаса. Нетрудно было подобрать такие свойства и концентрации двух микрофаз кластерных моделей или свойства каркаса и степень заполнения его пустот клатратных моделей, чтобы объяснить все свойства воды, в том числе и знаменитые аномалии.

Среди кластерных моделей наиболее яркой оказалась модель Г. Немети и Х. Шераги : предложенные ими картинки, изображающие кластеры связанных молекул, которые плавают в море несвязанных молекул, вошли во множество монографий.

Первую модель клатратного типа в 1946 году предложил О.Я. Самойлов: в воде сохраняется подобная гексагональному льду сетка водородных связей, полости которой частично заполнены мономерными молекулами. Л. Полинг в 1959 году создал другой вариант, предположив, что основой структуры может служить сетка связей, присущая некоторым кристаллогидратам.

В течение второй половины 60-х годов и начала 70-х наблюдается сближение всех этих взглядов. Появлялись варианты кластерных моделей, в которых в обеих микрофазах молекулы соединены водородными связями. Сторонники клатратных моделей стали допускать образование водородных связей между пустотными и каркасными молекулами. То есть фактически авторы этих моделей рассматривают воду как непрерывную сетку водородных связей. И речь идёт о том, насколько неоднородна эта сетка (например, по плотности). Представлениям о воде как о водородно-связанных кластерах, плавающих в море лишённых связей молекул воды, был положен конец в начале восьмидесятых годов, когда Г. Стэнли применил к модели воды теорию перколяции, описывающую фазовые переходы воды.

В 1999 г. известный российский исследователь воды С.В. Зенин защитил в Институте медико-биологических проблем РАН докторскую диссертацию, посвященную кластерной теории, которая явилась существенным этапом в продвижении этого направления исследований, сложность которых усиливается тем, что они находятся на стыке трех наук: физики, химии и биологии. Им на основании данных, полученных тремя физико-химическими методами: рефрактометрии (С.В. Зенин, Б.В. Тяглов, 1994), высокоэффективной жидкостной хроматографии (С.В. Зенин с соавт., 1998) и протонного магнитного резонанса (С.В. Зенин, 1993) построена и доказана геометрическая модель основного стабильного структурного образования из молекул воды (структурированная вода), а затем (С.В. Зенин, 2004) получено изображение с помощью контрастно-фазового микроскопа этих структур.

Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.

Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.

На рисунке (В.Л. Воейков) в качестве примера приведены схемы нескольких простейших кластерных структур.

Некоторые возможные структуры кластеров воды

Переносчиками информации могут быть физические поля самой различной природы. Так установлена возможность дистанционного информационного взаимодействия жидкокристаллической структуры воды с объектами различной природы при помощи электромагнитных, акустических и других полей. Воздействующим объектом может быть и человек.

Вода является источником сверхслабого и слабого переменного электромагнитного излучения. Наименее хаотичное электромагнитное излучение создаёт структурированная вода. В таком случае может произойти индукция соответствующего электромагнитного поля, изменяющего структурно-информационные характеристики биологических объектов.

В течение последних лет получены важные данные о свойствах переохлаждённой воды. Изучать воду при низкой температуре очень интересно, поскольку её удаётся сильнее переохладить, чем другие жидкости. Кристаллизация воды, как правило, начинается на каких-то неоднородностях - либо на стенках сосуда, либо на плавающих частичках твердых примесей. Поэтому найти температуру, при которой бы переохлаждённая вода самопроизвольно закристаллизовалась нелегко. Но учёным удалось это сделать, и сейчас температура так называемой гомогенной нуклеации, когда образование кристаллов льдов идёт одновременно по всему объёму, известна для давлений вплоть до 0,3 ГПа, то есть захватывая области существования льда II.

От атмосферного давления до границы, разделяющей льды I и II, эта температура падает от 231 до 180 К, а потом слегка увеличивается - до 190К. Ниже этой критической температуры жидкая вода невозможна в принципе.

Структура льда (рисунок справа)

Однако с этой температурой связана одна загадка. В середине восьмидесятых годов была открыта новая модификация аморфного льда - лёд высокой плотности, и это помогло возрождению представлений о воде как о смеси двух состояний. В качестве прототипов рассматривались не кристаллические структуры, а структуры аморфных льдов разной плотности. В наиболее внятном виде эту концепцию сформулировали Е.Г. Понятовский и В.В. Синицин, которые в 1999 году написали: „Вода рассматривается как регулярный раствор двух компонентов, локальные конфигурации в которых соответствуют ближнему порядку модификаций аморфного льда“. Более того, изучая ближний порядок в переохлаждённой воде при высоком давлении методами дифракции нейтронов, учёным удалось найти компоненты, соответствующие этим структурам.

Следствием полиморфизма аморфных льдов стали также предположения о расслоении воды на два несмешивающихся компонента при температуре ниже гипотетической низкотемпературной критической точки. К сожалению, по оценке исследователей, эта температура при давлении 0,017 ГПа равна 230К - ниже температуры нуклеации, поэтому наблюдать расслоение жидкой воды никому ещё не удалось. Так возрождение модели двух состояний поставило вопрос о неоднородности сетки водородных связей в жидкой воде. Разобраться в этой неоднородности можно только с помощью компьютерного моделирования.

Говоря о кристаллической структуре воды, следует отметить, что известно 14 модификаций льда, большинство из которых не встречаются в природе, в которых молекулы воды и сохраняют свою индивидуальность, и соединены водородными связями. С другой стороны существует множество вариантов сетки водородных связей в клатратных гидратах. Энергии этих сеток (льдов высокого давления и клатратных гидратов) ненамного выше энергий кубического и гексагонального льдов. Поэтому фрагменты таких структур также могут появляться в жидкой воде. Можно сконструировать бесчисленное множество различных непериодических фрагментов, молекулы в которых имеют по четыре ближайших соседа, расположенных приблизительно по вершинам тетраэдра, но при этом их структура не соответствует структурам известных модификаций льда. Как показали многочисленные расчёты, энергии взаимодействия молекул в таких фрагментах будут близки друг к другу, и нет оснований говорить, что какая-то структура должна преобладать в жидкой воде.

Структурные исследования воды можно изучать разными методами; спектроскопией протонного магнитного резонанса, инфракрасной спекроскопии, дифракцией рентгеновских лучей и др. Например, дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов в воде изучали много раз. Однако подробных сведений о структуре эти эксперименты дать не могут. Неоднородности, различающиеся по плотности, можно было бы увидеть по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов под малыми углами, однако такие неоднородности должны быть большими, состоящими из сотен молекул воды. Можно было бы их увидеть, и исследуя рассеяние света. Однако вода - исключительно прозрачная жидкость. Единственный же результат дифракционных экспериментов - функции радиального распределения, то есть расстояния между атомами кислорода, водорода и кислорода-водорода. Из них видно, что никакого дальнего порядка в расположении молекул воды нет. Эти функции для воды затухают гораздо быстрее, чем для большинства других жидкостей. Например, распределение расстояний между атомами кислорода при температуре, близкой к комнатной, даёт только три максимума, на 2,8, 4,5 и 6,7 Å. Первый максимум соответствует расстоянию до ближайших соседей, и его значение примерно равно длине водородной связи. Второй максимум близок к средней длине ребра тетраэдра - вспомним, что молекулы воды в гексагональном льду располагаются по вершинам тетраэдра, описанного вокруг центральной молекулы. А третий максимум, выраженный весьма слабо, соответствует расстоянию до третьих и более далёких соседей по водородной сетке. Этот максимум и сам не очень ярок, а про дальнейшие пики и говорить не приходится. Были попытки получить из этих распределений более детальную информацию. Так в 1969 году И.С. Андрианов и И.З. Фишер нашли расстояния вплоть до восьмого соседа, при этом до пятого соседа оно оказалось равным 3 Å, а до шестого - 3,1 Å. Это позволяет делать данные о дальнем окружении молекул воды.

Другой метод исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Однако из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у разных атомов не столь сильно, метод изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже приблизительно установлена другими методами. Затем для этого кристалла измеряют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в ходе которого используют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры известно. Затем на полученной таким образом фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с гораздо большими весами, чем на карте электронной плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, например, определить положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).

Возможна разновидность этого метода, которая состоит в том, что кристалл образовавшийся в воде, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В этом случае нейтронная дифракция не только позволяет установить, где расположены атомы водорода, но и выявляет те из них, способные обмениваться на дейтерий, что особенно важно при изучение изотопного (H-D)-обмена. Подобная информация помогает подтвердить правильность установления структуры.

Другие методы также позволяют изучать динамику молекул воды. Это эксперименты по квазиупругому рассеянию нейтронов, сверхбыстрой ИК-спектроскопии и изучение диффузии воды с помощью ЯМР или меченых атомов дейтерия. Метод ЯМР-спектроскопии основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент - спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким образом, информацию о структуре молекулы.

В результате экспериментов по квазиупругому рассеянию нейтронов в кристаллах воды был измерен важнейший параметр - коэффициент самодиффузии при различных давлениях и температурах. Чтобы судить о коэффициенте самодиффузии по квазиупругому рассеянию нейтронов, необходимо сделать предположение о характере движения молекул. Если они движутся в соответствии с моделью Я.И. Френкеля (известного отечественного физика-теоретика, автора „Кинетической теории жидкостей“ - классической книги, переведённой на многие языки), называемой также моделью „прыжок-ожидание“, тогда время „осёдлой“ жизни (время между прыжками) молекулы составляет 3,2 пикосекунды. Новейшие методы фемтосекундной лазерной спектроскопии позволили оценить время жизни разорванной водородной связи: протону требуется 200 фс для того, чтобы найти себе партнёра. Однако всё это средние величины. Изучить детали строения и характера движения молекул воды можно только при помощи компьютерного моделирования, называемого иногда численным экспериментом.

Так выглядит структура воды по результатам компьютерного моделирования (по данным д.х.н. Г. Г. Маленкова). Общую беспорядочную структуру можно разбить на два типа областей (показаны тёмными и светлыми шариками), которые различаются по своему строению, например по объёму многогранника Вороного (а), степени тетраэдричности ближайшего окружения (б), значению потенциальной энергии (в), а также по наличию четырёх водородных связей у каждой молекулы (г). Впрочем, эти области буквально через мгновение, спустя несколько пикосекунд, изменят свое расположение.

Моделирование проводится так. Берётся структура льда и, нагревается до расплавления. Затем после некоторого времени, чтобы вода "забыла" о кристаллическом происхождении, снимаются мгновенные микрофотографии.

Для анализа структуры воды выбираются три параметра:
- степень отклонения локального окружения молекулы от вершин правильного тетраэдра;
-потенциальная энергия молекул;
-объём так называемого многогранника Вороного.

Чтобы построить этот многогранник, берут ребро от данной молекулы до ближайшей, делят его пополам и через эту точку проводят плоскость, перпендикулярную ребру. Получается объём, приходящийся на одну молекулу. Объём полиэдра - это плотность, тетраэдричность - степень искажения водородных связей, энергия - степень устойчивости конфигурации молекул. Молекулы с близкими значениями каждого из этих параметров стремятся сгруппироваться вместе в отдельные кластеры. Области как с низкой, так и с высокой плотностью обладают разными значениями энергии, но могут иметь и одинаковые значения. Эксперименты показали, что области с разным строением кластеры возникают спонтанно и спонтанно распадаются. Вся структура воды живёт и постоянно меняется, причём время, за которое происходят эти изменения, очень маленькое. Исследователи следили за перемещениями молекул и выяснили, что они совершают нерегулярные колебания с частотой около 0,5 пс и амплитудой 1 ангстрем. Наблюдались также и редкие медленные скачки на ангстремы, которые длятся пикосекунды. В общем, за 30 пс молекула может сместиться на 8-10 ангстрем. Время жизни локального окружения тоже невелико. Области, составленные из молекул с близкими значениями объёма многогранника Вороного, могут распасться за 0,5 пс, а могут жить и несколько пикосекунд. А вот распределение времён жизни водородных связей очень велико. Но это время не превышает 40 пс, а среднее значение - несколько пс.

В заключение следует подчеркнуть, что теория кластерного строения воды имеет много подводных камней. Например, Зенин предполагает, что основной структурный элемент воды - кластер из 57 молекул, образованный слиянием четырёх додекаэдров. Они имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. То, что молекулы воды могут располагаться по вершинам пентагонального додекаэдра, известно давно; такой додекаэдр - основа газовых гидратов. Поэтому ничего удивительного в предположении о существовании таких структур в воде нет, хотя уже говорилось, что никакая конкретная структура не может быть преобладающей и существовать долго. Поэтому странно, что этот элемент предполагается главным и что в него входит ровно 57 молекул. Из шариков, например, можно собирать такие же структуры, которые состоят из примыкающих друг к другу додекаэдров и содержат 200 молекул. Зенин же утверждает, что процесс трёхмерной полимеризации воды останавливается на 57 молекулах. Более крупных ассоциатов, по его мнению, быть не должно. Однако если бы это было так, из водяного пара не могли бы осаждаться кристаллы гексагонального льда, которые содержат огромное число молекул, связанных воедино водородными связями. Совершенно неясно, почему рост кластера Зенина остановился на 57 молекулах. Чтобы уйти от противоречий, Зенин и упаковывает кластеры в более сложные образования - ромбоэдры - из почти тысячи молекул, причём исходные кластеры друг с другом водородных связей не образуют. Почему? Чем молекулы на их поверхности отличаются от тех, что внутри? По мнению Зенина, узор гидроксильных групп на поверхности ромбоэдров и обеспечивает память воды. Следовательно, молекулы воды в этих крупных комплексах жёстко фиксированы, и сами комплексы представляют собой твёрдые тела. Такая вода не будет течь, а температура её плавления, которая связана с молекулярной массой, должна быть весьма высокой.

Какие свойства воды объясняет модель Зенина? Поскольку в основе модели лежат тетраэдрические постройки, её можно в той или иной степени согласовать с данными по дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Однако вряд ли модель может объяснить уменьшение плотности при плавлении - упаковка додекаэдров менее плотная, чем лёд. Но труднее всего согласуется модель с динамическими свойствами - текучестью, большим значением коэффициента самодиффузии, малыми временами корреляции и диэлектрической релаксации, которые измеряются пикосекундами.

К.х.н. О.В. Мосин

Cписок литературы:
Г.Г. Маленков. Успехи физической химии, 2001
С.В.Зенин, Б.М. Полануер, Б.В. Тяглов. Экспериментальное доказательство наличия фракций воды. Ж. Гомеопатическая медицина и акупунктура. 1997.№2.С.42-46.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.№4.С.636-641.
С.В. Зенин Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса. Докл.РАН.1993.Т.332.№3.С.328-329.
С.В.Зенин, Б.В.Тяглов. Природа гидрофобного взаимодействия. Возникновение ориентационных полей в водных растворах. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.№3.С.500-503.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов, Г.Б.Сергеев, З.А. Шабарова. Исследование внутримолекулярных взаимодействий в нуклеотидамидах методом ЯМР. Материалы 2-й Всесоюзной конф. По динамич. Стереохимии. Одесса.1975.с.53.
С.В. Зенин. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем. Диссертация. Доктор биологических наук. Государственный научный Центр «Институт медико-биологических проблем» (ГНЦ «ИМБП»). Защищена 1999. 05. 27. УДК 577.32:57.089.001.66.207 с.
В.И. Слесарев. Отчет о выполнении НИР

Самое важное, уникальное по свойствам и составу вещество нашей планеты - это, конечно, вода. Ведь именно благодаря ей на Земле жизнь есть, в то время как на других известных сегодня объектах Солнечной системы ее нет. Твердая, жидкая, в виде пара - она нужна и важна любая. Вода и ее свойства составляют предмет изучения целой научной дисциплины - гидрологии.

Количество воды на планете

Если рассматривать показатель количества данного оксида во всех агрегатных состояниях, то его на планете около 75% от общей массы. При этом следует учитывать связанную воду в органических соединениях, живых существах, минералах и прочих элементах.

Если учитывать только жидкое и твердое состояние воды, показатель падет до 70,8%. Рассмотрим, как распределяются эти проценты, где содержится рассматриваемое вещество.

1. Соленой воды в океанах и морях, солончаковых озерах на Земле 360 млн км 2 .
2. Пресная вода распределена неравномерно: ее в ледниках Гренландии, Арктики, Антарктиды заковано во льды 16,3 млн км 2 .
3. В пресных реках, болотах и озерах сосредоточено 5,3 млн км 2 оксида водорода.
4. Подземные воды составляют 100 млн м 3 .

Именно поэтому космонавтам из далекого космического пространства видно Землю в форме шара голубого цвета с редкими вкраплениями суши. Вода и ее свойства, знание особенностей строения являются важными элементами науки. К тому же, в последнее время человечество начинает испытывать явную нехватку пресной воды. Может быть, такие знания помогут в решении данной проблемы.

Состав воды и строение молекулы

Если рассмотреть эти показатели, то сразу станут понятны и свойства, которые проявляет это удивительное вещество. Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому имеет эмпирическую формулу Н 2 О. Кроме того, при построении самой молекулы большую роль играют электроны обоих элементов. Посмотрим, что собой представляют структура воды и ее свойства.

Очевидно, что каждая молекула ориентирована вокруг другой, и все вместе они формируют общую кристаллическую решетку. Интересно то, что оксид построен в форме тетраэдра - атом кислорода в центре, а две пары электронов его и два атома водорода вокруг асимметрично. Если провести через центры ядер атомов линии и соединить их, то получится именно тетраэдрическая геометрическая форма.

Угол между центром атома кислорода и ядрами водородов составляет 104,5 0 С. Длина связи О-Н = 0,0957 нм. Наличие электронных пар кислорода, а также его большее в сравнении с водородами сродство к электрону обеспечивают формирование в молекуле отрицательно заряженного поля. В противовес ему ядра водородов образуют положительно заряженную часть соединения. Таким образом, выходит, что молекула воды - диполь. Это определяет то, какой может быть вода, и ее физические свойства также зависят от строения молекулы. Для живых существ эти особенности играют жизненно важную роль.

Основные физические свойства

К таковым принято относить кристаллическую решетку, температуры кипения и плавления, особенные индивидуальные характеристики. Все их и рассмотрим.

1. Строение кристаллической решетки оксида водорода зависит от агрегатного состояния. Оно может быть твердым - лед, жидким - основная вода при обычных условиях, газообразным - пар при повышении температуры воды свыше 100 0 С. Красивые узорные кристаллы формирует лед. Решетка в целом рыхлая, но соединение очень прочное, плотность низкая. Видеть ее можно на примере снежинок или морозных узоров на стеклах. У обычной воды решетка не имеет постоянной формы, она изменяется и переходит из одного состояния в другое.
2. Молекула воды в космическом пространстве имеет правильную форму шара. Однако под действием земной силы тяжести она искажается и в жидком состоянии принимает форму сосуда.
3. То, что по структуре оксид водорода - диполь, обуславливает следующие свойства: высокая теплопроводность и теплоемкость, которая прослеживается в быстром нагревании и долгом остывании вещества, способность ориентировать вокруг себя как ионы, так и отдельные электроны, соединения. Это делает воду универсальным растворителем (как полярным, так и нейтральным).
4. Состав воды и строение молекулы объясняют способность этого соединения образовывать множественные водородные связи, в том числе с другими соединениями, имеющими неподеленные электронные пары (аммиак, спирт и прочие).
5. Температура кипения жидкой воды - 100 0 С, кристаллизация наступает при +4 0 С. Ниже этого показателя - лед. Если же увеличивать давление, то температура кипения воды резко возрастет. Так, при высоких атмосферах в ней можно растопить свинец, но она при этом даже не закипит (свыше 300 0 С).
6. Свойства воды весьма значимы для живых существ. Например, одно из самых важных - поверхностное натяжение. Это формирование тончайшей защитной пленки на поверхности оксида водорода. Речь идет о воде в жидком состоянии. Эту пленку разорвать механическим воздействием очень сложно. Учеными установлено, что понадобится сила, равная весу в 100 тонн. Как ее заметить? Пленка очевидна, когда вода капает из крана медленно. Видно, что она словно в какой-то оболочке, которая растягивается до определенного предела и веса и отрывается в виде круглой капельки, слегка искаженной силой тяжести. Благодаря поверхностному натяжению многие предметы могут находиться на поверхности воды. Насекомые, имеющие особые приспособления, могут свободно передвигаться по ней.
7. Вода и ее свойства аномальны и уникальны. По органолептическим показателям данное соединение - бесцветная жидкость без вкуса и запаха. То, что мы называем вкусом воды, - это растворенные в ней минералы и другие компоненты.
8. Электропроводность оксида водорода в жидком состоянии зависит от того, сколько и каких солей в нем растворены. Дистиллированная вода, не содержащая никаких примесей, электрический ток не проводит.

Лед - это особое состояние воды. В структуре этого ее состояния молекулы связаны друг с другом водородными связями и формируют красивую кристаллическую решетку. Но она достаточно неустойчива и легко может расколоться, растаять, то есть деформироваться. Между молекулами сохраняется множество пустот, размеры которых превышают размеры самих частиц. Благодаря этому плотность льда меньше, чем жидкого оксида водорода.

Это имеет большое значение для рек, озер и прочих пресных водоемов. Ведь в зимний период вода в них не замерзает полностью, а лишь покрывается плотной коркой более легкого льда, всплывающего наверх. Если бы данное свойство не было характерно для твердого состояния оксида водорода, то водоемы промерзали бы насквозь. Жизнь под водой была бы невозможна.

Кроме того, твердое состояние воды имеет большое значение как источник огромного количества питьевых пресных запасов. Это ледники.

Особенным свойством воды можно назвать явление тройной точки. Это такое состояние, при котором лед, пар и жидкость могут существовать одновременно. Для этого требуются такие условия, как:

• высокое давление - 610 Па;
• температура 0,01 0 С.

Показатель прозрачности воды варьируется в зависимости от посторонних примесей. Жидкость может быть полностью прозрачной, опалесцентной, мутной. Поглощаются волны желтого и красного цветов, глубоко проникают лучи фиолетовые.

Химические свойства

Вода и ее свойства - важный инструмент в понимании многих процессов жизнедеятельности. Поэтому они изучены очень хорошо. Так, гидрохимию интересуют вода и ее химические свойства. Среди них можно назвать следующие:

1. Жесткость. Это такое свойство, которое объясняется наличием солей кальция и магния, их ионов в растворе. Подразделяется на постоянную (соли названных металлов: хлоридов, сульфатов, сульфитов, нитратов), временную (гидрокарбонаты), которая устраняется кипячением. В России воду перед использованием смягчают химическим путем для лучшего качества.
2. Минерализация. Свойство, основанное на дипольном моменте оксида водорода. Благодаря его наличию молекулы способны присоединять к себе множество других веществ, ионов и удерживать их. Так формируются ассоциаты, клатраты и прочие объединения.
3. Окислительно-восстановительные свойства. Как универсальный растворитель, катализатор, ассоциат, вода способна взаимодействовать с множеством простых и сложных соединений. С одними она выступает в роли окислителя, с другими - наоборот. Как восстановитель реагирует с галогенами, солями, некоторыми менее активными металлами, с многими органическими веществами. Последние превращения изучает органическая химия. Вода и ее свойства, в частности, химические, показывают, насколько она универсальна и уникальна. Как окислитель она вступает в реакции с активными металлами, некоторыми бинарными солями, многими органическими соединениями, углеродом, метаном. Вообще химические реакции с участием данного вещества нуждаются в подборе определенных условий. Именно от них и будет зависеть исход реакции.
4. Биохимические свойства. Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой.
5. Взаимодействие с газами с образованием клатратов. Обычная жидкая вода может поглощать даже неактивные химически газы и располагать их внутри полостей между молекулами внутренней структуры. Такие соединения принято называть клатратами.
6. Со многими металлами оксид водорода формирует кристаллогидраты, в которые он включен в неизменном виде. Например, медный купорос (CuSO 4 *5H 2 O), а также обычные гидраты (NaOH*H 2 O и другие).
7. Для воды характерны реакции соединения, при которых происходит образование новых классов веществ (кислот, щелочей, оснований). Они не являются окислительно-восстановительными.
8. Электролиз. Под действием электрического тока молекула разлагается на составные газы - водород и кислород. Один из способов получения их в лаборатории и промышленности.

С точки зрения теории Льюиса вода - это слабая кислота и слабое основание одновременно (амфолит). То есть можно сказать о некоей амфотерности в химических свойствах.

Вода и ее полезные свойства для живых существ

Сложно переоценить то значение, которое имеет оксид водорода для всего живого. Ведь вода и есть сам источник жизни. Известно, что без нее человек не смог бы прожить и недели. Вода, ее свойства и значение просто колоссальны.

1. Это универсальный, то есть способный растворять и органические, и неорганические соединения, растворитель, действующий в живых системах. Именно поэтому вода - источник и среда для протекания всех каталитических биохимических преобразований, с формированием сложных жизненно важных комплексных соединений.
2. Способность образовывать водородные связи делает данное вещество универсальным в выдерживании температур без изменения агрегатного состояния. Если бы это было не так, то при малейшем снижении градусов она превращалась бы в лед внутри живых существ, вызывая гибель клеток.
3. Для человека вода - источник всех основных бытовых благ и нужд: приготовление пищи, стирка, уборка, принятие ванны, купание и плавание и прочее.
4. Промышленные заводы (химические, текстильные, машиностроительные, пищевые, нефтеперерабатывающие и другие) не сумели бы осуществлять свою работу без участия оксида водорода.
5. Издревле считалось, что вода - это источник здоровья. Она применялась и применяется сегодня как лечебное вещество.
6. Растения используют ее как основной источник питания, за счет чего они продуцируют кислород - газ, благодаря которому существует жизнь на нашей планете.

Можно назвать еще десятки причин того, почему вода - это самое широко распространенное, важное и необходимое вещество для всех живых и искусственно созданных человеком объектов. Мы привели только самые очевидные, главные.

Гидрологический цикл воды

Иными словами, это ее круговорот в природе. Очень важный процесс, позволяющий постоянно пополнять исчезающие запасы воды. Как он происходит?

Основных участников трое: подземные (или грунтовые) воды, поверхностные воды и Мировой океан. Важна также и атмосфера, конденсирующая и выдающая осадки. Также активными участниками процесса являются растения (в основном деревья), способные поглощать огромное количество воды в сутки.

Итак, процесс происходит следующим образом. Грунтовые воды заполняют подземные капилляры и стекаются к поверхности и Мировому океану. Затем поверхностные воды поглощаются растениями и транспирируются в окружающую среду. Также происходит испарение с огромных площадей океанов, морей, рек, озер и прочих водоемов. Попав в атмосферу, вода что делает? Конденсируется и проливается обратно в виде осадков (дождь, снег, град).

Если бы не происходили эти процессы, то запасы воды, особенно пресной, давно бы уже закончились. Именно поэтому охране и нормальному гидрологическому циклу уделяется людьми большое внимание.

Понятие о тяжелой воде

В природе оксид водорода существует в виде смеси изотопологов. Это связано с тем, что водород формирует три вида изотопа: протий 1 Н, дейтерий 2 Н, тритий 3 Н. Кислород, в свою очередь, также не отстает и образует три устойчивые формы: 16 О, 17 О, 18 О. Именно благодаря этому существует не просто обычная протиевая вода состава Н 2 О (1 Н и 16 О), но еще и дейтериевая, и тритиевая.

При этом устойчива по структуре и форме именно дейтериевая (2 Н), которая включается в состав практически всех природных вод, но в малом количестве. Именно ее называют тяжелой. Она несколько отличается от обычной или легкой по всем показателям.

Тяжелая вода и ее свойства характеризуются несколькими пунктами.

1. Кристаллизуется при температуре 3,82 0 С.
2. Кипение наблюдается при 101,42 0 С.
3. Плотность составляет 1,1059 г/см 3 .
4. Как растворитель в несколько раз хуже легкой воды.
5. Имеет химическую формулу D 2 O.

При проведении опытов, показывающих влияние подобной воды на живые системы, было установлено, что жить в ней способны лишь некоторые виды бактерий. Для приспособления и акклиматизации колониям потребовалось время. Но, приспособившись, они полностью восстановили все жизненно важные функции (размножение, питание). Кроме того, стали очень устойчивы к воздействию радиоактивного излучения. Опыты на лягушках и рыбах положительного результата не дали.

Современные области применения дейтерия и образованной им тяжелой воды - атомная и ядерная энергетика. Получить в лабораторных условиях такую воду можно при помощи электролиза обычной - она образуется как побочный продукт. Сам дейтерий формируется при многократных перегонках водорода в специальных устройствах. Применение его основано на способности замедлять нейтронные синтезы и протонные реакции. Именно тяжелая вода и изотопы водорода - основа для создания ядерной и водородной бомбы.

Опыты на применении дейтериевой воды людьми в небольших количествах показали, что задерживается она недолго - полный вывод наблюдается через две недели. Употреблять ее в качестве источника влаги для жизни нельзя, однако техническое значение просто огромно.

Талая вода и ее применение

Свойства такой воды издревле были определены людьми как целебные. Давно было замечено, что при таянии снега животные стараются напиться водой из образовавшихся лужиц. Позже были тщательно исследованы ее структура и биологическое воздействие на организм человека.

Талая вода, ее признаки и свойства находятся посередине между обычной легкой и льдом. Изнутри она образована не просто молекулами, а набором кластеров, сформированных кристаллами и газом. То есть внутри пустот между структурными частями кристалла находятся водород и кислород. По общему виду строение талой воды сходно со строением льда - сохраняется структурность. Физические свойства такого оксида водорода незначительно меняются в сравнении с обычным. Однако биологическое воздействие на организм отличное.

При замораживании воды первой фракцией превращается в лед более тяжелая часть - это дейтериевые изотопы, соли и примеси. Поэтому эту сердцевину следует удалять. А вот остальная часть - чистая, структурированная и полезная вода. Каково воздействие на организм? Учеными Донецкого НИИ были названы следующие виды улучшений:

1. Ускорение восстановительных процессов.
2. Укрепление иммунитета.
3. У детей после ингаляций такой водой происходит восстановление и излечение простудных заболеваний, проходит кашель, насморк и прочее.
4. Улучшается дыхание, состояние гортани и слизистых оболочек.
5. Общее самочувствие человека, активность повышаются.

Сегодня существует ряд сторонников лечения именно талой водой, которые пишут свои положительные отзывы. Однако есть ученые, в том числе медики, которые эти взгляды не поддерживают. Они считают, что вреда от такой воды не будет, но и пользы мало.

Энергетика

Почему свойства воды могут изменяться и восстанавливаться при переходе в разные агрегатные состояния? Ответ на этот вопрос следующий: у данного соединения существует своя информационная память, которая записывает все изменения и приводит к восстановлению структуры и свойств в нужное время. Биоэнергетическое поле, через которое проходит часть воды (та, что поступает из космоса), несет в себе мощный заряд энергии. Эту закономерность часто используют при лечении. Однако с медицинской точки зрения не каждая вода способна оказать благоприятный эффект, в том числе и информационный.

Структурированная вода - что это?

Это такая вода, которая имеет несколько иное строение молекул, расположение кристаллических решеток (такое, которое наблюдается у льда), но это все же жидкость (талая также относится к этому типу). В этом случае состав воды и ее свойства с научной точки зрения не отличаются от тех, что характерны для обычного оксида водорода. Поэтому структурированная вода не может иметь такого широкого лечебного эффекта, который ей приписывают эзотерики и сторонники нетрадиционной медицины.

Содержание: Необходимо различать, с одной стороны, воду и, с другой растворенные в ней вещества, обусловливающие химический, состав и минерализацию воды. Геологические судьбы раство­рителя и растворенного вещества могут идти своими, обособленными путями. Вода чаще всего попадает в земную кору и из атмосферы, а растворенное вещество заимствуется в основ­ном из горных пород и почв. Возьмем воду в чистом виде, без солей, и рассмотрим те ее особенности строения и свойства, от которых зависит растворяющая способность, воды.

Состав воды. Вода - химическое соединение кислорода и водорода, которое принято обозначать формулой Н 2 О. На самом деле во­да имеет более сложный состав. Обычный молекуляр­ный вес воды 18, но встречаются молекулы с молекулярным весом 19, 20, 21, 22. Эти молекулы состоят из более тяжелых атомов водорода и кислорода, имеющих атомные веса соот­ветственно более 1 и 16, У водорода два стабильных изотопа: протий (Н) и дейтерий (D); отношение Н: D =6800. Кроме того, известен тритий (Т) - радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12,5 лет. У кислорода три стабильных изотопа: О 16 , О 17 , О 18. Молекулы воды могут состоять из различных устойчивых изотопов Н 2 О 16 , НDO 16 , D 2 О 16 , Н 2 О 18 , НDO 18 , D 2 О 18 , Н 2 О 17 , НDO 18 , D 2 О 17 .

Изотопная разновидность воды, в которой протий замещен дейтерием, называется тяжелой водой. Однако в природе до сих пор не открыта ни собственно легкая, ни тяжелая вода. Тяжелую воду в настоящее время приготовляют искусст­венно в больших количествах для различных технических це­лей Тяжелая вода отличается от обычной не только физиче­скими свойствами, но и физиологическим воздействием на организм.

Особый геохимический и практический интерес представ­ляет дейтерии (D). Электронная оболочка атома дейтерия, так же как и протия, состоит из одного электрона, но ею яд­ро - дейтон- примерно вдвое тяжелее и состоит из двух частиц - протона и нейтрона. Дейтерий применяется в совре­менной ядерной технике как взрывчатое вещество. В будущем он будет использоваться как горючее в термоядерных энерге­тических установках. Запасы термоядерной энергии дейтерия, имеющиеся в воде земных океанов, примерно в сто миллио­нов превосходят запасы энергии ископаемого топлива (угля, нефти, газа, торфа).

Различные по генезису природные воды имеют неодина­ковый изотопный состав. Одной из главных причин, создающих дифференциацию изотопов в природных водах, является процесс испарения Уп­ругость паров тяжелой воды несколько ниже упругости паров обычной, а так как процесс испарения является основным фактором круговорота воды, то обогащение вод тяжелыми изотопами в местах испарения и обеднение ими в местах кон денсации может вызвать заметную разницу в плотности воды.

Установлена следующая зако­номерность распределения изотопов водорода в поверхностных и атмосферных водах:

1. Пресные поверхностные воды рек, озер и других водое­мов, наполняющихся главным образом за счет атмосферных осадков, содержат дейтерия меньше, чем океанические воды.

2 Изотопный состав пресных поверхностных вод определяется физико-географическими условиями их нахождения.

Строение воды. Еще в двадцатых годах нашего века на основе учения о полярной структуре молекул воды были разработаны простейшие представления об ассоциации молекул в жидкой воде как результате взаимодействия диполей. Эти представления заключаются в следующем.

Одной из особенностей строения молекулы воды является несимметричное расположение атомов водорода вокруг атома кислорода они расположены не по прямой, проведенной через центр атома кислорода, а под некоторым углом (рис 1). Центры ядер атомов водорода расположены на расстояние 0,95 А от центра атома кислорода. Угол между линиями, соединяющими центры атомов кислорода и водорода, равен 105 0 . Связь между атомами кислорода и водорода в молекуле во­ды осуществляется электронами . Вследствие несимметрично­сти распределения электрических зарядов молекула воды об­ладает полярностью, т.е. имеет два полюса - положитель­ный и отрицательный, которые так же, как и магнит, создают вокруг нее силовые ноля.

Таким образом, для молекул воды характерно дипольных: строение (диполи). Их изображают в виде овалов, полюса которых имеют противоположные по знаку электрические заря­ды. При достаточном сближении молекулы воды начинают действовать друг на друга своими силовыми нолями. При этом положительно заряженный полюс одной молекулы притягива­ет отрицательно заряженный полюс другой. В результате мо­гут получиться агрегаты из двух, трех и, по-видимому, более молекул (рис. 2).

Такие группировки молекул воды называются дигидролями (Н 2 О) 2 и тригидролями (Н 2 О) . Следовательно, в воде одновременно присутствуют одиночные (моногидроли), двой­ные я тройные молекулы. Содержание их меняется в зависи­мость от температуры. Во льдe доминируют тройные молеку­лы, обладающие наибольшим объемом . При повышении тем­пературы скорость молекул возрастает, и силы притяжения между молекулами оказываются недостаточными для удер­жания их друг около друга. В жидком состоянии вода пред­ставляет смесь дигидролей, тригдролей и моногпдролей. По мере увеличения температуры тройные и двойные молекулы распадаются, и при 10О°С вода состоит главным образом из моногидролей.

Химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее от других природных тел.

1. При нагревании воды от 0 до 4°С объем воды не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность ее достигается не в точке замерзания (0 0 С), а при 4 0 С (точнее 3,98 0).

2. Вода при замерзании расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается.

3. Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как этого следовало бы ожи­дать.

4. Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с теплоемкостью других тел.

5. Вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способ­ностью, чем другие жидкости.

6. Вода обладает самым большим поверхностным натя­жением из всех жидкостей - 75 эрг/см 2 (глицерин - 65, ам­миак - 42, а все остальные ниже 30 эрг/см 2), за исключени­ем ртути - 436 эрг/см 2 .

Поверхностное натяжение и плотность определяют высо­ту, на которую может подняться жидкость в капиллярной си­стеме при фильтровании через пористые среды.

Причина перечисленных аномальных свойств воды заключается в особенностях строения ее молекул.

Вода как растворитель. Если поместить воду во внешнее электрическое поле, то молекулы ее иод действием поля стремятся расположиться в пространстве так, как показано на

Это явление назы­вается ориентационной поляризацией, которой обладают вещества с полярными молекулами. Высокая полярность моле­кул воды является одной из важнейших причин ее высокой активности при многих химических взаимодействиях. Она же служит причиной и электролитической диссоциации в во­де, солей, кислот и основании. С нею связана также и раство­римость электролитов в воде.

Растворение есть не только физический, но и химический процесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя. Вода об­ладает способностью растворять многие вещества, т. е. да­вать с ними однородные физико-химические системы перемен­ного состава (растворы). Растворенные в природных водах, соли находятся: преимущественно в диссоциированном состоя­нии, в виде ионов. В твердом кристаллическом состоянии ион­ные соединения состоят из закономерно расположенных положительных и отрицательных ионов. Молекулы в этом слу­чае отсутствуют . Так, например, в галите, как эта определено рентгеновским структурным анализом, каждый ион Na + окружен шестью ионами С1 - , а каждый нон С1 - окружен шестью ионами натрия. Ионы взаимодействуют между собой, они притягивают друг друга (ионная связь).

В чем состоит механизм растворения? Молекулы воды в силу особенностей своего строения и возникающего из-за это­го вокруг них силового поля обладают способностью притяги­вать молекулы других веществ. Процесс растворения заклю­чается как раз во взаимодействии частиц растворяющегося вещества с частицами воды. При соприкосновении с водой какой-нибудь соли ноны, образующие ее кристаллическую ре­шетку, будут притягиваться противоположно заряженными частицами молекул воды. Например, при погружении в воду кристаллов галита ион натрия (катион) будет притягиваться, отрицательным полюсом, а ион хлора (анион) - положитель­ным полюсом молекулы воды (рис. 4). Чтобы ионы кристал­лической решетки оторвались друг от друга и перешли в ра­створ, необходимо преодолеть силу притяжения этой решетки. При растворении солей такой силой является притяжение ио­нов решетки молекулами воды, характеризумое так называе­мой энергией гидратации. Если при этом энергия гидратации будет по сравнению с энергией кристаллической решетки достаточно велика, ионы будут оторваны от последней и перейдут в раствор.

В зависимости от природы вещества при его растворении обычно происходит выделение или поглощение тепла. Ионы растворенного вещества притягивают и удерживают вокруг себя определенное число молекул воды, которые образуют оболочку, называемую гпдратной. Таким образом, в водном растворе ионы являются гидратированными, т. е. химически связанными с молекулами воды

При кристаллизации многих солей часть гидратной воды захватывается кристал­лическими решетками . Подобную кристаллизационную воду содержит гипс СаSO 4 *2H 2 O, мирабилит Na 2 SO 4 * 10H 2 O, бишофит MgCl 2 *6H 2 O, астраханит Na 2 SO 4 *MgSO 4 *4H 2 O, сода Na 2 СO 3 *10H2O. Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами.

Сильные электролиты при растворении в воде полностью диссоциируют на ионы. К ним относятся почти все соли, мно­гие минеральные кислоты, основания щелочных и щелочнозе­мельных металлов. Диссоциация сильного электролита, на­пример NаС1, изображается уравнением

NаС1 Nа + +С1 -

В кристалле галита нет молекул NаС1. При растворении кристаллическая структура разрушается, гидратированные ионы переходят в раствор. Молекулы в растворе отсутствуют. Поэтому лишь условно можно говорить о недиссоциированных молекулах растворов сильных электролитов. Это скорее будут ионные пары (Nа + +С1 -), т.е.

находящиеся близко друг около друга противоположно заряженные ионы (сбли­зившиеся до расстояния, равного сумме радиусов ионов). Это якобы недиссоциированные молекулы, или, как их называют, квазимолекулы.

Слабые электролиты при растворении в воде лишь ча­стично диссоциируют на ионы. К ним относятся почти все ор­ганические кислоты, некоторые минеральные кислоты, напри­мер Н 2 СО, Н 2 S, Н 2 SіО 3 , многие основания металлов. К сла­бым электролитам относится вода.

Кроме электролитов в растворе находятся и неэлектроли­ты, молекулы которых хотя и имеют гидратную оболочку, но "настолько прочны, что не распадаются на ионы (О 2 , N 2).

В зависимости от величины частиц растворенного всщества различают истинные и коллоидные растворы. Растворы называют истынними, когда растворенное вещество находится в них в ионизированном состоянии. В ионном растворе по принципу элктронейтральности всегда содержатся равные количества эквивалентов катионов и анионов. В природных условиях ионные растворы образуются при растворении простых солей.

Коллоидными называются такие растворы, в которых вещество находится не в ионизированном состоянии, а в виде групп молекул, так называемых «коллоидных частиц». Размеры частиц в коллоидных растворах лежат, примерно, в пределах от 10 до 2000 А В устойчивых коллоидных растворах частицы в большинстве случаев несут электрические заряды различные по величине, но одинаковые по знаку для всех частиц данной коллоидной системы. Коллоидные растворы называются золями. Золи способны переходить в гели, т.е. превращаться в студнеобразные массы в результате укрупнения коллоидных частиц (процесс коагуляции).

В природе коллоидные растворы могут быть органическими и неорганическими. Последние образуются преимущественно при гидролитическом расщеплении различных силикатов. Силикаты при гидролизе выделяют заключающиеся в них основания (щелочные и щелочноземельные металлы), дающие начало истинным растворам. Но, кроме того, при гидролизе в раствор переходят кремнй, железо, алюминий и другие металлы, образующие, большей частью, коллоидные растворы.

Многие вещества вступают с водой в реакцию обменного разложения, называемую гидролизом. При гидролизе имеет место сдвиг равновесия диссоциации воды Н О Н + ОН за счет связывания одного из ее ионов ионами растворенного вещества с образованием малодиссоциированного или труднорастворимого продукта. Следовательно, гидролиз – это химическое взаимодействие ионов растворенной соли с водой, сопровождающиеся изменением реакции среды. Ввиду обратимости гидролизаравновесие этого процесса зависит от всех тех фактров, которые вообще влияют на равновесие ионного обмена. В частности, оно сильно (иногда – практически нацело) сдвигается в сторону разложения соли, если продукты последнего (чаще всего в виде основных солей) труднорастворимые.

В природе явление гидролиза играют большую роль. Например, основной химической формой выветривания минералов магматических породявляется гидролиз.

Растворимость солей. В воде могут растворятся твердые, жидкие и газообразные вещества. По растворимости в воде все вещества делятся на три группы: 1) хорошо растворимые, 2) плохо растворимые и 3) практически не растворимые. Необходимо подчеркнуть, что абсолютно нерастворимых веществ нет.

Минерализацию природных вод создают обычно немногие простые соли: хлориды, сульфиды, гидрокарбонаты натрия, магния, кальция.

В кристале галита нет молекул NaCl. При растворении кристаллическая структура разрушается, гидратированные ионы переходят в раствор. Молекулы в растворе отсутствуют. Поэтому лишь условно можно говорить о недиссоциированных молекулах растворов сильных электролитов. Это скоее ионные пары (Na + Cl ), т.е. находящиеся близко друг около друга противоположно заряженные ионы. Это недиссоциированные молекулы, а квазимолекулы.

Слабые электролиты при растворении в воде лиш частично диссоциируют на ионы. К ним относятся почти все органические кристаллы, некоторые минеральные кислоты, например Н СО, Н S, Н SiO , многие основания металлов. К слабым электролитам относится вода.

Кроме электролитов в растворе находятся и неэлектролиты, молекулы которых хотя и имеютгидратную оболочку, но настолько прочны, что не распадаются на ионы (О , N ).

В зависимости от величины частиц растворенного вещества различают истинные и коллоидные растворы. Растворы называют истинными, когда растворенное вещество находится в них ионизированном состоянии.

Растворимость твердых веществ в воде зависит не толь­ко от их химической природы, но и от температуры, давления и от наличия в ней газов и примесей.

Растворимость хлористого натрия мало меняется при повышении температуры от до 60°С (из­менение растворимости дано в г на 100 мг воды). Раствори­мость же карбоната и сульфата натрия сильно возрастает.

На растворимость кремнекислоты температура оказывает большое влияние. В системе кремнекислота - вода, изучен­ной в интервале от 0 до 200°, зависимость растворимости от температуры носит линейный характер. В обычных усло­виях растворимость кремнекислоты очень низкая.

К числу солей, понижающих свою растворимость с ростом температуры, относится Са SO 4 .

Как известно, растворимость данной соли уменьшается в присутствии другой соли, имеющей с ней одноименный ион, и, наоборот, повышается, если в растворе находятся неодноименные ионы. Например, пределы растворимости СаSO 4 в присутствии различных солеи сильно меняются. При наличии в растворе большого количества хлористого натрия (порядка 100 г/л) растворимость СаSO 4 , достигает 5-6 г/л

Из главнейших солей наинизшая растворимость у карбонатов щелочных земель, но она увеличивается в несколько раз, если вода содержит двуокись углерода (СО 2) Растворение идет по схеме:

СаСО 3 + Н 2 О + СО 2 Са(НСО 3) 2 Са ++ +2НСО 3 ;

MgСО 3 + Н 2 О + СО 2 Mg(НСО 3) 2 Mg ++ +2НСО 3 .

Реакции эти носят обратимый характер и протекают до наступления определенного равновесия. В результате указанных реакции в воде появляются гидрокарбонаты кальция и магния. Следует отметить, что ни гидрокарбонатов кальция, ни гидрокарбонатов магния в твердом виде не существует. Минерализация широко распространенных в природе гидро­карбонатных магниево-кальциевых вод обычно достигает 500-600 мг/л. В присутствии больших количеств СО 2 раство­римость Са(НСО 3) 2 и Mg(НСО 3) 2 может превосходить 1 г/л (углекислые минеральные воды).

При увеличении температуры растворимость гидрокарбонатов кальция н магния сильно уменьшается и при 100° падает до 0. При высокой температуре эти соли разлагаются с выделением СО 2 и выпадением карбонатов в осадок

Са(НСО 3) 2 →СаСО 3 +Н 2 О+СО 2 ;

Mg(НСО 3) 2 →MgСО 3 +Н 2 О+СО 2 ;

Отсюда следует, что гидрокарбонатные кальциевые и магниевые воды в глубинных условиях существовать не могут, а, стало быть, и не существуют такого состава термальные воды.

Обогащение вод солями совершается не только путем простого растворения. Природные растворы образуются так же при гидролитическом расщеплении некоторых минералов. К числу минералов, непосредственно в воде нерастворимых, но способных гидролитически расщепляться, относятся различные силикаты-алюмосиликаты, ферросиликаты и пр., - составляющие 75% всех минералов земной коры. Под влияни­ем воды и углекислоты при выветривании силикаты отдают в раствор основания Na + , K + , Ca ++ , Mg ++ . Указанные основания образуют, соединяясь с СО 2 , углекислые и двууглекислые соли или, при соответствующих условиях, сульфатные н хлоридные соли.

Основная литература: ОЛ 1 .

Дополнительная литература : ДЛ 5,7.

Контрольные вопросы:

1. Назовите природные основные изотопы?

2. Какие особые качества воды?

3. Как происходит процесс растворения галита?

4.Вещества по растворимости как подразделяются и называются?

Вода может находиться в трех агрегатных состояниях -- газообразном, жидком и твердом. В каждом из этих состояний структура воды неодинакова. В зависимости от состава находящихся в ней веществ вода приобретает новые свойства. Твердое состояние воды также бывает, по крайней мере, двух типов: кристаллическое -- лед и некристаллическое -- стеклообразное, аморфное (состояние витрификации). При мгновенном замораживании с помощью, например, жидкого азота молекулы не успевают построиться в кристаллическую решетку, и вода приобретает твердое стеклообразное состояние. Именно это свойство воды позволяет замораживать без повреждения живые организмы, такие, как одноклеточные водоросли, листочки мха Мпіuт, состоящие из двух слоев клеток. Замораживание же с образованием кристаллической воды приводит к повреждению клеток.

Для кристаллического состояния воды характерно большое разнообразие форм. Давно замечено, что кристаллические структуры воды напоминают радиолярии, листья папоротника, цисты. По этому поводу А. А. Любищев высказал предположение, что законы кристаллизации в чем-то сходны с законами образования живых структур.

Физические свойства воды. Вода -- самое аномальное вещество, хотя принята за эталон меры плотности и объема для других веществ.

Плотность. Все вещества увеличивают объём при нагревании, уменьшая при этом плотность. Однако при давлении 0,1013 МПа (1 атм.) у воды в интервале от 0 до 4 0 С при увеличении температуры объём уменьшается и максимальная плотность наблюдается (при этой температуре 1 см 3 воды имеем массу 1г). При замерзании объем воды резко возрастает на 11%, а при таянии льда при 0°С так же резко уменьшается. С увеличением давления температура замерзания воды понижается через каждые 13,17 МПа (130 атм.) на 1 0 С. Поэтому на больших глубинах при минусовых температурах вода в океане не замерзает. С увеличением температуры до 100 0 С плотность жидкой воды понижается на 4% (при 4°С плотность ее равна 1).

Точки кипения и замерзания (плавления). При давлении 0,1013 МПа (1 атм.) точки замерзания и кипения воды находятся при 0°С и 100°С, что резко отличает Н20 от соединений водорода с элементами VI группы периодической системы Менделеева. В ряду Н2Те, H2Se, H2S и т.д. с увеличением относительной молекулярной массы точки кипения и замерзания этих веществ повышаются. При соблюдении этого правила вода должна была бы иметь точки замерзания между -- 90 и -- 120°С, а кипения -- между 75 и 100 °С. Температура кипения воды возрастает с увеличением давления, а температура замерзания (плавления) -- падает (прил.1).

Теплота плавления. Скрытая теплота плавления льда очень высока -- около 335 Дж/г (для железа -- 25, для серы -- 40). Это свойство выражается, например, в том, что лед при нормальном давлении может иметь температуру от -- 1 до -- 7°С. Скрытая теплота парообразования воды (2,3 кДж/г) почти в 7 раз выше скрытой теплоты плавления.

Теплоемкость. Величина теплоемкости воды (т.е. количество теплоты, необходимое для повышения температуры на 1 °С) в 5 --30 раз выше, чем у других веществ. Лишь водород и аммиак обладают большей теплоемкостью. Кроме того, лишь у жидкой воды и ртути удельная теплоемкость с повышением температуры от 0 до 35°С падает (затем начинает возрастать). Удельная теплоемкость воды при 16°С условно принята за единицу, служа эталоном для других веществ. Поскольку теплоемкость песка в 5 раз меньше, чем у жидкой воды, то при одинаковом нагреве солнцем вода в водоеме нагревается в 5 раз слабее, чем песок на берегу, но во столько же раз дольше сохраняет теплоту. Высокая теплоемкость воды защищает растения от резкого повышения температуры при высокой температуре воздуха, а высокая теплота парообразования участвует в терморегуляции у растений.

Высокие температуры плавления и кипения, высокая теплоемкость свидетельствуют о сильном притяжении между соседними молекулами, вследствие чего жидкая вода обладает большим внутренним сцеплением.

Вода как растворитель. Полярность молекулы воды обусловливает ее свойство растворять вещества лучше, чем другие жидкости. Растворение кристаллов неорганических солей осуществляется благодаря гидратации входящих в их состав ионов. Хорошо растворяются в воде органические вещества, с карбоксильными, гидроксильными. Карбонильными и с другими группами, которых вода образует водородные связи. (прил. 1)

Вода в растении находится как в свободном, так и в связанном состоянии (прил.2). Свободная вода - подвижна, она имеет практически все физико-химические свойства чистой воды, хорошо проникает через клеточные мембраны. Существуют специальные мембранные белки, образующие внутри мембраны каналы, проницаемые для воды (аквапорины). Свободная вода вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации, замерзает при низких температурах.

Связанная вода - имеет измененные физические свойства главным образом в результате взаимодействия с неводными компонентами. Условно принимают под связанной водой ту, которая не замерзает при понижении температуры до - 10°С.

Связанная вода в растениях бывает:

1) Осмотически - связанная

2) Коллоидно-связанная

3) Капиллярно-связанная

Осмотически-связанная вода - связана с ионами или низкомолекулярными веществами. Вода гидратирует растворенные вещества - ионы, молекулы. Вода электростатически связывается и образует мономолекулярный слой первичной гидратации. Вакуолярный сок содержит сахара, органические кислоты и их соли, неорганические катионы и анионы. Эти вещества удерживают воду осмотически.

Коллоидно-связанная вода - включает воду, которая находится внутри коллоидной системы и воду, которая находится на поверхности коллоидов и между ними, а также иммобилизованную воду. Иммобилизация представляет собой механический захват воды при конформационных изменениях макромолекул или их комплексов, при этом вода оказывается заключенной в замкнутом пространстве макромолекулы. Значительное количество коллоидно-связанной воды находится на поверхности фибрилл клеточной стенки, а также в биоколлоидах цитоплазмы и матриксе мембранных структур клетки.

Воду, гидратирующую коллоидные частицы (прежде всего белки), называют коллоидно-связанной, а растворенные вещества (минеральные соли, сахара, органические кислоты и др.) - осмотически-связанной. Некоторые исследователи считают, что вся вода в клетке в той или иной степени связана. Физиологи условно понимают под связанной водой ту, которая не замерзает при понижении температуры до-10 °С. Важно отметить, что всякое связывание молекул воды (добавление растворенных веществ, гидрофобные взаимодействия и др.) уменьшает их энергию. Именно это лежит в основе снижения водного потенциала клетки по сравнению с чистой водой.

Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93-95%, кукурузы -- 75-77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80-83%, в стеблях - 87-89%, в корнях -- 73-75%. Содержание воды, равное 6-11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены. Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, протоплазме. Вакуоли -- наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в протоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%.

Формы воды в разных частях растительной клетки также различны. В вакуолярном клеточном соке преобладает вода, удерживаемая сравнительно низкомолекулярными соединениями (осмотически-связанная) и свободная вода. В оболочке растительной клетки вода связана главным образом высокополимерными соединениями (целлюлозой, гемицеллюлозой, пектиновыми веществами), т. е. коллоидно-связанная вода. В самой цитоплазме имеется вода свободная, коллоидно- и осмотически-связанная. Вода, находящаяся на расстоянии до 1 нм от поверхности белковой молекулы, связана прочно и не имеет правильной гексагональной структуры (коллоидно-связанная вода). Кроме того, в протоплазме имеется определенное количество ионов, а, следовательно, часть воды осмотически связана.

Физиологическое значение свободной и связанной воды различно. Большинство исследователей полагает, что интенсивность физиологических процессов, в том числе и темпов роста, зависит в первую очередь от содержания свободной воды. Имеется прямая корреляция между содержанием связанной воды и устойчивостью растений против неблагоприятных внешних условий. Указанные физиологические корреляции наблюдаются не всегда.

Вода в нашей жизни – самое распространенное и самое обычное вещество. Человеческий организм состоит из воды на 70%, и окружающая нас природная среда тоже содержит 70% воды.

Из школьных учебников мы знаем, что молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, т.е. одна из самых маленьких и самых легких молекул. При всей обыденности и очевидности для нас тех свойств воды, которые мы постоянно используем, существуют парадоксы жидкой воды, определяющие даже формы жизни на Земле.

Жидкая вода имеет плотность большую, чем плотность льда. Поэтому при замерзании объем льда увеличивается, лед плавает на поверхности воды.

Плотность воды максимальна при 4 о С, а не в точке плавления, уменьшается и справа, и слева от этой температуры.

Вязкость воды уменьшается с повышением давления.

Температура кипения воды находится вне общей зависимости температуры кипения от молекулярной массы веществ (рис.1.1). Иначе она должна быть не выше 60 о С.

Теплоемкость воды как минимум вдвое выше, чем у любой другой жидкости.

Теплота парообразования (~ 2250 кдж/кг) как минимум втрое выше, чем у любой другой жидкости, в 8 раз больше, чем у этанола.

Рассмотрим это последнее свойство воды. Теплота испарения – это энергия, необходимая для разрыва связей между молекулами при переходе их из конденсированной фазы в газообразную. Значит, причина всех парадоксальных свойств – в природе межмолекулярных связей воды, а это, в свою очередь, определяется структурой молекулы воды.

Рис.1.1. Область соотношений молекулярной массы различных соединений и их температуры кипения.

1. Какая же она – молекула воды?

В 1780г. Лавуазье экспериментально установил, что вода состоит из кислорода и водорода, что два объема водорода взаимодействуют с одним объемом кислорода и что отношение масс водорода и кислорода в воде составляет 2:16. К 1840 году стало ясно, что молекулярная формула воды Н 2 О.

Три ядра в молекуле образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами в основании (рис.1.2). Электронная формула молекулы воды [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].

Рис.1.2. Образование системы связывающих м.о. из 2р-орбиталей атома кислорода и 1 s -орбиталей атома кислорода и 1 s -орбитали атомов водорода.

За счет участия двух электронов водорода 1sв связи с двумя электронами 2р кислорода возникаетspгибридизация и образуются гибридныеsp 3 орбитали с характерным углом между ними в 104,5 о, а также два полюса противоположных зарядов. Длина связи О-Н равна 0,95Å (0,095 нм), расстояние между протонами – 1,54Å (0,154 нм). На рис.1.3 представлена электронная модель молекулы воды.

Рис.1.3. Электронная модель молекулы Н 2 О.

Восемь электронов попарно вращаются по четырем орбиталям, расположенным в трех плоскостях (углы 90 о ), вписывающихся в куб. 1, 2 – неподеленные пары электронов.

Самое главное следствие из этого рассмотрения: несимметричность распределения зарядов превращает молекулу Н 2 О в диполь: на двух положительных концах размещены протоны, на двух отрицательных – неподеленные пары р-электронов кислорода.

Таким образом, молекулу воды можно рассматривать как треугольную пирамиду – тетраэдр, по углам которого размещены четыре заряда – два положительных и два отрицательных.

Эти заряды формируют свое ближайшее окружение, разворачивая соседние молекулы воды строго определенным образом – так, что между двумя атомами кислорода всегда находится только один атом водорода. Проще всего такую межмолекулярную структуру представить и изучать на воде в твердом состоянии. На рис.1.4 представлена структура льда.

Рис. 1.4. Гексагональная структура льда

Структура скреплена с помощью связей О-Н…О. Такое соединение двух атомов кислорода соседних молекул воды при посредничестве одного водородного атома называется водородной связью.

Водородная связь возникает по следующим причинам:

1 – у протона всего один электрон, поэтому электронное отталкивание двух атомов минимально. Протон просто погружается в электронную оболочку соседнего атома, сокращая расстояние между атомами на 20-30% (до 1 Å);

2 – соседний атом должен иметь большую величину электроотрицательности. В условных величинах (по Полингу) электроотрицательность F– 4,0; О – 3,5;N– 3,0;Cl– 3,0;C– 2,5;S– 2,5.

Молекула воды может иметь четыре водородные связи, в двух она выступает как донор электрона, в двух – как акцептор электрона. И связи эти могут возникать как с соседними молекулами воды, так и с другими веществами.

Итак, дипольный момент, угол Н-О-Н и водородная связь О-Н…О определяют уникальные свойства воды и играют главную роль в формировании окружающего нас мира.