ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Вода как химическое соединение из "Химия и микробиология воды" Природные, сточные и другие виды вод представляют собой сложные системы, основу которых составляет химическое соединение, имеющее простую формулу Н2О. На первый взгляд, за этой формулой стоит ничем не примечательное соединение. При более глубоком ознакомлении со строением молекулы и свойствами воды выясняется, что она обладает рядом удивительных свойств. [c.7] Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. [c.7] Для состава воды характерно следующее массовое содержание элементов (%) водорода 11,19 и кислорода 88,81. Ядра атомов в молекуле воды расположены по углам равнобедренного треугольника, в верщине которого находится ядро атома кислорода. Молекула воды — плоская угловая. В невозбужденных молекулах воды угол НОН, образованный направлениями связей кислород — водород, составляет 104°27 (для парообразного состояния) и 104°ЗГ (для жидкого) (рис. 1). [c.7] Межъядерное расстояние О—Н в молекулах воды равно 0,09568 нм (в газовой фазе), 0,09572 нм (в жидкой) и 0,099 нм (в фазе льда). Колебательное, вращательное и электронное возбуждение молекул воды вызывает изменение размеров и формы молекулы Н2О. Причем энергетически выгодной является одновременная деформация угла и длины связи О—П. [c.7] Таким образом, электронное облако молекулы воды имеет вид четырех лепестков, направленных к верщинам неправильного тетраэдра. В двух вершинах одной грани находятся электронные пары, осуществляющие связь О—Н, а в двух вершинах противоположной грани находятся неподеленные электронные пары атома кислорода (рис. 2). Электронное облако в молекуле воды смещается к атому кислорода, так как он имеет большую электроотрицательность. Вследствие этого вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда. Поэтому молекула воды поляр-на. Полярные молекулы характеризуются электрическим моментом диполя, который влияет на свойства веществ, состоящих из таких молекул. Электрический момент диполя представляет собой произведение одного из зарядов на расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда I. Для воды электрический момент диполя р = е1 равен Кл-м. Благодаря большому значению электрического момента диполя между молекулами воды проявляется сильное взаимодействие за счет образования водородных связей между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой. [c.8] Рассмотрим структуру воды в различных агрегатных состояниях. При 0°С (273,15 К) жидкая вода превращается в лед. Средняя величина электрического момента диполя у молекулы воды в упорядоченной структуре льда составляет 8,58-Плотность льда при 0°С 0,9168 г/см . [c.9] Для воды характерно существование нескольких полиморфных форм льда. В зависимости от температуры и давления, при которых происходит формирование кристаллической фазы, различают 13 видов льда. При обычных условиях устойчивым является лед, имеющий гексагональную структуру. Данными рентгеноструктурного анализа подтверждено, что в кристалле льда, имеющем молекулярную кристаллическую решетку, каждая молекула воды тетраэдрически окружена четырьмя другими молекулами, образующими с ней водородные связи (рис. 3). Подобное соединение молекул воды друг с другом способствует образованию пустот в кристаллической решетке льда. Такой рыхлой структурой объясняется аномально малая плотность воды в твердом состоянии. Свободные полости в структуре льда способствуют образованию клатратных соединений включения клеточного типа. Подобные образования могут давать молекулы таких газов, как С , НзЗ, метан и др. [c.9] Лед обладает электропроводностью около 10 Ом -см при температуре —10° С, Электропроводность льда Бьеррум объясняет существованием ионизационных дефектов в кристалле льда. Ионы могут образоваться при переходе протона от одной молекулы воды к другой по схеме 2Н20=е Нз0+-[-0Н-. [c.9] Многие ученые придерживаются теории строения жидкой воды и водных растворов, в основе которой лежит положение о сохранении ажурной рещетки льда в жидкой воде и частичном заполнении пустот одиночными молекулами воды. По этой теории ближняя упорядоченность молекул воды, т. е. взаимное расположение соседних молекул воды, аналогично кристаллическому каркасу льда, слегка нарушенному тепловым движением молекул, в пустотах которого находятся одиночные молекулы воды. [c.10] Самойловым разработана теория трансляционного движения частиц в воде, согласно которой молекулы воды льдоподобного каркаса, выйдя из состояния равновесия, совершают активированный скачок в пустоты, находятся там некоторое время, а затем вновь приходят в трансляционное движение. Молекулы воды, попавшие в пустоты, энергетически не соответствуют молекулам каркаса. Время перехода молекул воды из одного состояния в другое составляет порядка 10 с. [c.10] Существуют и другие представления о структуре жидкой воды, исходящие из однородности ее структуры. Сущность их заключается в том, что в жидкой воде сохраняются неизменными водородные связи кристаллической решетки льда, но происходит их деформация. [c.10] Сложные взаимодействия и изменения в структуре жидкой воды подтверждаются рядом температурных аномалий. Так, в интервале температуры от 30 до 40° С наблюдаются изменения в свойствах воды. При 35° С вода имеет наименьшую теплопроводность, а при температуре от О до 35° С наблюдается наиболее резкое падение электронной поляризуемости воды под действием внешнего поля. С этой аномалией воды связывают и ее биологическую активность по отношению к организмам, имеющим температурный оптимум, равный 37° С. Согласно теории Самойлова в этом интервале температур происходит разрушение структурной решетки воды. [c.10] Вторая температурная аномалия некоторых свойств жидкой воды наблюдается в интервале температур от 55 до 60° С. Так, при 55° С наблюдается минимум изменения электронной поляризуемости молекул воды под действием адиабатического сжатия, отмечается минимум изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от давления, значительно увеличивается звукопередача. [c.10] Аномалия плотности, заключающаяся в том, что плотность льда меньше, чем у жидкой воды, и максимум плотности около 4° С объясняются внутренней структурой воды. В твердом состоянии, вследствие образования тетраэдрических комплексов с рыхлой упаковкой, расположение молекул воды менее плотное, чем в жидкой фазе, т. е. они занимают больший объем. При замерзании воды происходит увеличение объема примерно на 10%. При плавлении льда нарушается его регулярная структура и часть комплексов разрушается. В воде наряду с участками, имеющими структуру, аналогичную кристаллической решетке льда, появляются одиночные молекулы. Нарушение регулярной структуры сопровождается повышением плотности и уменьшением объема, так как одиночные молекулы воды заполняют полости, сохранившиеся в участках с льдоподобной структурой. С повышением температуры проявляется действие двух факторов теплового расширения и нарушения регулярной структуры льда. Тепловое расширение, сопровождающееся незначительным увеличением объема, связано с уменьшением упорядоченности расположения молекул. При 4 С эти два фактора одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по направленности действия. При дальнейшем повышении температуры снижается действие второго фактора, сильнее проявляется действие теплового расширения и плотность воды уменьшается. [c.11] Тот факт, что лед легче воды, играет огромную роль в природе. С наступлением морозов поверхностный слой воды в водоеме охлаждается до температуры +4° С и как более тяжелый опускается на дно, вытесняя более теплые на поверхность. В результате замерзание воды начинается с поверхности, а не со дна. Этому же способствует и малая теплопроводность льда. Хорошей защитой водоемов является и снег, покрывающий слой льда. Теплопроводность снега при пл. 0,1 г/см соответствует теплопроводности шерсти, и при пл. 0,2 г/см — теплопроводности бумаги. [c.11] Молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, испытывают притяжение со стороны молекул, лежащих в более глубоких слоях и стремящихся втянуть их внутрь жидкости, что приводит к возникновению поверхностного натяжения. Из всех жидкостей, за исключением ртути, при обычной температуре вода имеет максимальное поверхностное натяжение. Данное свойство воды определяет поверхностные явления и играет важную роль в протекании биохимических процессов. [c.12] Вода — единственный на Земле минерал, который может находиться одновременно в трех агрегатных состояниях. В этом состоит еще одна аномалия воды. В жидком виде она прозрачна, аномально мало рассеивает видимый свет, поэтому бесцветна, по сильно поглощает лучистую энергию, особенно ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра. Это свойство воды тоже играет важную роль для протекания физических и биохимических процессов. [c.12] Способность многих веществ растворяться в воде и диссоциировать на ионы определяется ее высокой диэлектрической проницаемостью. У больщинства растворителей диэлектрическая проницаемость находится в пределах от 10 до 50. У воды величина диэлектрической проницаемости максимальна и равна 81. Эта особенность воды определяет самую большую растворяющую способность в отношении веществ с полярной и ионной структурой. Аномально и изменение вязкости воды при повышении давления. В интервале температур от О до 20—30° С вязкость воды с повышением давления уменьшается. [c.12] Ниже приведены физические константы, относящиеся лишь к одному виду воды Нз О. Но в природе встречаются и другие устойчивые изотопы водорода (дейтерий и тритий) и кислорода ( О, 0). Так, на 2500 атомов приходится один атом Ю и пять атомов 0. Только с учетом протия и дейтерия (тритий встречается в природе крайне редко) можно получить следующие виды молекул воды Нг Ю НО Ю Оз Ю Нз Ю HD Ю Ог Ю Нг Ю НО Ю Ог Ю. [c.12] Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды. Однородные системы, внутри которых не содержится поверхностей раздела, называются гомогенными. К ним относятся растворы твердых, газообразных, жидких веществ, смеси газов. [c.13] Вернуться к основной статье