Як виглядають молекули льоду. Кристалічна решітка льоду і води

кандидат технічних наукВ. Белянин, провідний науковий співробітник РНЦ "Курчатовський інститут", Е. РОМАНОВА, студентка МАДИ (ГТУ).

Співвідношення золотий пропорції дослідники знаходять в морфологічної структурі рослин, птахів, тварин, людини. Закономірності золотої пропорції виявляються і в організації неживої природи. У даній статті на підставі аналізу молекули води в різних агрегатних станах висловлена ​​гіпотеза, що її структура в стані талої води практично відповідає трикутнику золотий пропорції.

Наука і життя // Ілюстрації

Теплоємність води досягає мінімального значення при температурі близько 37 ^проС.

Наука і життя // Ілюстрації

Іл. 1. Щільність води при зниженні температури спочатку зростає, досягає максимуму при 4 ^проЗ і починає зменшуватися.

Наука і життя // Ілюстрації

У момент плавлення обсяг свинцю миттєво збільшується від 1 до 1,003, а обсяг води стрибком зменшується від 1,1 до 1,0.

Наука і життя // Ілюстрації

Вода має аномально високі температури кипіння і замерзання в порівнянні з іншими трехатомного сполуками водню.

Наука і життя // Ілюстрації

У рідкої воді молекули H ₂ O можуть об'єднуватися в складні освіти - кластери, за структурою нагадують лід.

Наука і життя // Ілюстрації

Схематичне зображення молекули води на площині.

Розподіл відрізка в крайньому і середньому відношенні, або золота пропорція. Відрізок розділений на дві частини так, що CB: AC = AC: AB.

"Золотий трикутник". Співвідношення його сторін OA: AB = OB: AB ≈ 0,618,

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Таблиця 1.

Таблиця 2.

Воді була дана чарівна влада стати соком життя на Землі.
Леонардо Да Вінчі

Вода - одне з найбільш унікальних і загадкових речовин на Землі. Природа цієї речовини до кінця ще не зрозуміла. Зовні вода здається досить простий, в зв'язку з чим довгий час вважалася неподільним елементом. Лише в 1766 році Г. Кавендіш (Англія) і потім в 1783 році А. Лавуазьє (Франція) показали, що вода не простий хімічний елемент, а з'єднання водню і кисню в певній пропорції. Після цього відкриття хімічний елемент, що позначається як Н, отримав назву "водень" (Hydrogen - від грец. Hydro genes), яке можна витлумачити як "породжує воду".

Подальші дослідження показали, що за невигадливою хімічною формулоюН 2 О ховається речовина, що володіє унікальною структурою і не менш унікальними властивостями. Дослідники, які намагалися протягом двох з гаком століть розкрити секрети води, часто заходили в глухий кут. Та й зараз вчені розуміють, що вода залишається важким об'єктом для досліджень, її властивості до цих пір не завжди до кінця прогнозовані.

Загадкова магія води.Чому рідка вода має незвичайні властивості? Традиційна відповідь може бути наступним: через властивостей атомів кисню і водню, через їх структурного розташування в молекулі, через певної поведінки електронів в молекулі і т.п.

Так в чому ж полягають загадкові, незвичайні властивості звичної всім рідкої води? Перш за все, в тому, що практично всі властивості води аномальні, а багато хто з них не підкоряються логіці тих законів фізики, які керують іншими речовинами. Коротко згадаємо ті з них, які обумовлюють існування життя на Землі.

Спочатку про трьох особливостях теплових властивостей води.

Перша особливість: вода - єдина речовина на Землі (крім ртуті), для якого залежність питомої теплоємностівід температури має мінімум.

Через те, що питома теплоємність води має мінімум близько 37 о С, нормальна температура людського тіла, що складається на дві третини з води, знаходиться в діапазоні температур 36-38 о С ( внутрішні органимають більш високу температуру, ніж зовнішні).

Друга особливість: теплоємність води аномально висока. Щоб нагріти певне її кількість на один градус, необхідно затратити більше енергії, ніж при нагріванні інших рідин, - принаймні вдвічі по відношенню до простих речовин. З цього випливає унікальна здатність води зберігати тепло. Переважна більшість інших речовин такою властивістю не володіють. Ця виняткова особливість води сприяє тому, що у людини нормальна температура тіла підтримується на одному рівні і жарким днем, і прохолодною вночі.

Таким чином, вода відіграє чільну роль в процесах регулювання теплообміну людини і дозволяє йому підтримувати комфортний стан при мінімумі енергетичних затрат. При нормальній температурі тіла людина знаходиться в найбільш вигідному енергетичному стані.

Температура інших теплокровних ссавців (32-39 о С) також добре співвідноситься з температурою мінімуму питомої теплоємності води.

Третя особливість: вода має високу питому теплотою плавлення, тобто воду дуже важко заморозити, а лід - розтопити. Завдяки цьому клімат на Землі в цілому досить стабільний і м'який.

Всі три особливості теплових властивостей води дозволяють людині оптимальним чином існувати в умовах сприятливого середовища.

Є особливості і в поведінці обсягу води. Щільність більшості речовин - рідин, кристалів і газів - при нагріванні зменшується і при охолодженні збільшується, аж до процесу кристалізації або конденсації. Щільність води при охолодженні від 100 до 4 о С (точніше, до 3,98 о С) зростає, як і у переважної більшості рідин. Однак, досягнувши максимального значення при температурі 4 ° С, щільність при подальшому охолодженні води починає зменшуватися. Іншими словами, максимальна щільність води спостерігається при температурі 4 ° С (одна з унікальних аномалій води), а не при температурі замерзання 0 оС

Замерзання води супроводжується стрибкоподібним (!) Зменшенням щільності більш ніж на 8%, тоді як у більшості інших речовин процес кристалізації супроводжується збільшенням щільності. У зв'язку з цим лід (тверда вода) займає більший обсяг, ніж рідка вода, і тримається на її поверхні.

Настільки незвичайна поведінка щільності води вкрай важливо для підтримки життя на Землі.

Покриваючи воду зверху, лід грає в природі роль свого роду плавучого ковдри, що захищає річки і водойми від подальшого замерзання і зберігає життя підводного світу. Якби щільність води збільшувалася при замерзанні, лід виявився б важче за воду і почав тонути, що призвело б до загибелі всіх живих істот в річках, озерах і океанах, які замерзли б цілком, перетворившись в брили льоду, а Земля стала крижаною пустелею, що неминуче призвело б до загибелі всього живого.

Відзначимо ще деякі особливості води.

Зовні вода рухається і податлива, і її можна зробити висновок в будь-яку посудину. Однак, проникаючи в тріщини гірських порід і розширюючись при замерзанні, вода розколює скельні породи будь-якої твердості, які поступово розпадаються на все більш дрібні частинки. Так починається повернення скам'янілих порід в життєвий цикл: на полях промерзання поверхневих шарів землі з її органічними компонентами допомагає утворенню родючого грунту.

Процес включення твердих речовин у великій круговорот живої природи прискорюється чудову властивість води їх розчиняти. Вода з розчиненими компонентами твердих речовин стає середовищем харчування і постачальником мікроелементів, необхідних для життя рослин, тварин і людини.

Вода сильніше інших рідин проявляє властивості універсального розчинника. Якщо їй дати достатньо часу, вона може розчинити практично будь-яке тверде речовина. Саме через унікальну розчинюючої здатності води нікому досі не вдалося отримати хімічно чисту воду - вона завжди містить розчинений матеріал судини. Вода абсолютно необхідна для всіх ключових систем життєзабезпечення людини. Вона міститься в людській крові (79%) і сприяє переносу по кровоносній системі в розчиненому стані тисяч необхідних для життя речовин. Вода міститься в лімфі (96%), яка розносить з кишечника живильні речовини з тканин живого організму (див. Таблицю 1).

Перераховані властивості і особлива роль води в забезпеченні життя на Землі не можуть залишити байдужим жоден допитливий розум, навіть якщо він вірить у щасливі випадковості. "Початок всього є вода", - справедливо зазначав Фалес з Мілета в VI столітті до н.е.

рідке диво. Припинимо перерахування дивних, але життєво необхідних властивостей води, яких можна набрати ще з десяток, і перемкнемо увагу на секрети незвичного будови її молекули. Саме аналіз будови молекули води дозволяє зрозуміти її винятковість в живій і неживій природі. Так що дорога до істини проходить через будову одиночної молекули води.

Перш за все зазначимо, що молекула води найменша серед подібних трьохатомних молекул (по відношенню до гомологів, тобто водневим з'єднанням типу Н 2 S, Н 2 Se, Н 2 Ті, з властивостями яких традиційно порівнюють властивості води). Такі молекули при нормальних умовах утворюють гази, а молекули води - рідина. Чому?

Хаотичне співтовариство газоподібних молекул води при конденсації, тобто при утворенні рідкої фази, формує рідка речовина дивовижною складності. В першу чергу це пов'язано з тим, що молекули води мають унікальну властивість об'єднуватися в кластери (групи) (Н 2 О) x. Під кластером зазвичай розуміють групу атомів або молекул, об'єднаних фізичним взаємодією в єдиний ансамбль, але зберігають всередині нього індивідуальну поведінку. Можливості прямого спостереження кластерів обмежені, і тому експериментатори компенсують апаратурні недоліки інтуїцією і теоретичних побудов.

при кімнатній температуріступінь асоціації Xдля води становить, за сучасними даними, від 3 до 6. Це означає, що формула води не просто Н 2 О, а середнє між Н 6 О 3 і Н 12 О 6. Іншими словами, вода - складна рідина, "складена" з повторюваних груп, що містять від трьох до шести одиночних молекул. Внаслідок цього вода має аномальні значення температури замерзання і кипіння в порівнянні з гомологами. Якби вода підпорядковувалася загальним правилам, вона повинна була замерзати при температурі близько -100 ° С і закипати при температурі близько +10 о С.

Якби вода при випаровуванні залишалася у вигляді Н 6 О 3, Н 8 О 4 або Н 12 О 6, то водяна пара був би набагато важчий за повітря, в якому домінують молекули азоту і кисню. В цьому випадку поверхню всієї Землі була б покрита вічним шаром туману. Уявити собі життя на такій планеті практично неможливо.

Людям дуже пощастило: кластери води при випаровуванні розпадаються, і вода перетворюється практично в простій газ з хімічною формулою Н 2 О (виявлене в Останнім часомв парі незначна кількість димарів Н 4 О 2 погоди не робить). Щільність газоподібного води менше щільності повітря, і тому вода здатна насичувати своїми молекулами земну атмосферу, створюючи комфортні для людини погодні умови.

На Землі немає інших речовин, наділених здатністю бути рідиною при температурах існування людини і при цьому утворювати газ не тільки легший за повітря, але і здатний повертатися до її поверхні у вигляді опадів.

чудова геометрія. Отже, яка ж найменша серед трьохатомних молекул? Молекула води має симетричну V-подібну форму, так як два невеликих атома водню розташовуються з одного боку від порівняно великого атома кисню. Це сильно відрізняє молекулу води від лінійних молекул, наприклад Н 2 Ве, в якій всі атоми розташовуються ланцюжком. Саме таке дивне розташування атомів в молекулі води і дозволяє їй мати безліч незвичайних властивостей.

Якщо уважно розглянути геометричні параметри молекули води, то в ній можна знайти певна гармонія. Щоб побачити її, побудуємо трикутник Н-О-Н з протонами в підставі і киснем в вершині. Такий трикутник схематично копіює структуру молекули води, проекція якої на площину умовно зображена на малюнку.

Довжини сторін цього трикутника і валентний кут між двома зв'язками О-Н змінюються при зміні агрегатного стану води. Наведемо ці параметри (див. Таблицю 2).

Прокоментуємо дані, що характеризують різні стани води.

Параметри молекули води в пароподібному стані отримані на основі обробки спектрів її поглинання. Результати неодноразово уточнювалися, але по суті правильно оцінюють довжини зв'язків і валентний кут в молекулі води в стані пара.

Кристалічна структура льоду при нормальному тискудосить пухка з химерною павутиною зв'язків між молекулами води. Схематично кристалічну решітку звичайного льоду можна побудувати з атомів кисню, кожен з яких бере участь з сусідніми атомами в чотирьох водневих зв'язках, спрямованих приблизно до вершин правильного тетраедра.

Нагадаємо, що водневої називається зв'язок між атомами в молекулі або між сусідніми молекулами, яка здійснюється через атом водню. Воднева зв'язок відіграє надзвичайно важливу роль в структурі не тільки води, але і більшості біологічних молекул - вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот і т. П.

Якщо кристалічний лід добре впорядкований по кисню, то цього не можна сказати про водень: в розташуванні іонів водню (протонів) наявний значний безлад. Їхнє становище чітко не визначено, і тому лід можна вважати разупорядоченності за воднем.

Лід володіє багатьма дивними особливостями, з яких відзначимо дві.

По-перше, він завжди дуже чистий хімічно. У структурі льоду практично не буває домішок: при замерзанні вони витісняються в рідину. Саме тому сніжинки завжди білі, а крижинки на поверхні брудної калюжі практично прозорі. Взагалі кажучи, будь-який зростаючий кристал прагне створити ідеальну кристалічну решітку і витісняє сторонні речовини. Але в планетарному масштабі саме чудовий феномен замерзання і танення води відіграє роль гігантського очисного процесу - вода на Землі постійно очищає сама себе.

По-друге, лід і особливо сніг володіють дуже високою відбивною здатністю. Завдяки цьому сонячне випромінювання не викликає помітного нагрівання полярних областей, і, як наслідок цього, наша планета позбавлена ​​від сезонних повеней і підвищень рівня Світового океану.

Експериментальне визначення параметрів одиночної молекули води в рідкій фазі досі зустрічає нездоланні труднощі, оскільки рідка вода - це суміш структурних елементів, тобто різних кластерів, що знаходяться в динамічній рівновазі між собою. Повної ясності щодо їх взаємодій досі немає, а розділити таку суміш на окремі компоненти неможливо: "проста" рідина Н 2 О не поспішає розкривати свої внутрішні секрети.

Повернемося до малюнка, на якому в загальних рисахпредставлена ​​структура молекули води. У ній є симетрія, яка відіграє основну роль в спробах всебічного пояснення фізичного світу, і асиметрія, що наділяє цю молекулу можливістю руху і зв'язком із золотою пропорцією. Тому коротко нагадаємо про те, що в математиці називають золотою пропорцією.

Золота пропорція . Це поняття виникає при вирішенні геометричній завдання про знаходження на відрізку АВтакої точки З, Щоб виконувалося співвідношення СВ:АС = АС:АВ.

Вирішення цього завдання призводить до відношенню СВ:АС= (-1 + √5) / 2, яке називають золотою пропорцією, а відповідне геометричне розподіл відрізка АВточкою Зназивають золотим перетином. Якщо прийняти весь відрізок за одиницю, то АС= 0,618033 ... і СВ = 0,381966....

Час показав, що золота пропорція втілює досконалі і гармонійні відносини двох величин. У геометричній інтерпретації вона призводить до пропорційних та привабливому співвідношенню між двома нерівними відрізками.

Дослідники золотий пропорції з античних часів до наших днів завжди захоплювалися і продовжують захоплюватися її властивостями, які проявляються в будові різних елементів фізичного і біологічного світу. Золота пропорція виявляється скрізь, де дотримані принципи гармонії.

Що ж об'єднує золоту пропорцію з молекулою води? Щоб відповісти на це питання, розглянемо двовимірний образ золотої пропорції у вигляді трикутника.

У золотому трикутнику відношення ОА: АВ = ОВ:АВприблизно дорівнює 0,618, кут α = 108,0 о. Для льоду відношення довжин зв'язків О-Ндо Н-Н одно 0,100: 0,163 = 0,613 і кут α = 109,5 о, для пара - відповідно 0,631 і 104,5 о. Чи не розпізнати в золотому трикутнику прообраз структури молекули води просто неможливо! Дивно, що до цих пір так мало уваги звертали на можливість подібної інтерпретації її будови.

І дійсно, помістивши в трикутнику АОВв точки Аі Ватоми водню, а в точку О - атом кисню, отримаємо в першому наближенні молекулу рідкої води, сконструйовану на основі золотої пропорції. Подібна елегантність молекули зачаровує і захоплює. Так що роль молекули води в природі і житті не може бути правильно оцінена без урахування краси її форми.

виняткова гармонія. Переконаємося, що молекула рідкої води - єдине трехатомного речовина, що має пропорційності, властиві золотий пропорції.

У трьохатомних молекулах-гомологах, близьких по хімічним складомдо молекули води (Н 2 S, H 2 Se і Н 2 Ті), валентний кут приблизно дорівнює 90 о. Наприклад, молекула Н 2 S має наступні геометричні параметри:

довжина зв'язку S-Н, нм ......................... 0,1345

довжина зв'язку Н-Н, Нм ........................... 0,1938

валентний кут Н-S-Н, град .............. 92,2

відношення довжин зв'язків S-Ндо Н-Н одно 0,694, що далеко від золотої пропорції. Квантово-хімічні розрахунки показують, що якби вода була подібна родинним їй речовин, то валентний кут у її молекули повинен був бути приблизно таким же, як у Н 2 S, або більше максимум на 5 о.

Але вода, як з'ясовується, не любить подібності, вона завжди герой іншого роману. Якби валентний кут у води був близько 90-95 о, про золотий пропорції довелося б забути і вода виявилася б в одному співдружності з іншими водневими сполуками.

Але вода унікальна, її молекула має практично вивіреними естетичними якостями, і тому її властивості необхідно іноді інтерпретувати, виходячи за рамки традиційної наукової парадигми. І тоді деякі загадки води зможуть бути пояснені таким "ненауковим" поняттям, як гармонія.

На наведені міркування можна заперечити: експериментальні вимірювання геометричних параметрів молекули води мають певну похибку, і тому співвідношення золотий пропорції може строго не виконуватися. Але навіть якщо в експериментальні вимірювання внести ще більшу погрішність, молекула води все одно залишиться єдиним з трьохатомних речовин, які мають практично "золоті" гармонійні пропорції.

У зв'язку з цим звернемо увагу на загадку талої води, яка, по широко поширеній думці, володіє відмінним від звичайної води фізіологічним впливом.

Дивовижна тала вода. Вона народжується при таненні льоду і зберігає температуру 0 ° С, поки весь лід не розтане. Специфіка міжмолекулярних взаємодій, характерна для структури льоду, зберігається і в талій воді, так як при плавленні кристала руйнується тільки 15% всіх водневих зв'язків. Тому притаманна льоду зв'язок кожної молекули води з чотирма сусідніми ( "ближній порядок") в значній мірі не порушується, хоча і спостерігається більша розмитість кисневої каркасної решітки.

Таким чином, тала вода відрізняється від звичайної достатком багатомолекулярних кластерів, в яких протягом деякого часу зберігаються пухкі льодоподібною структури. Після танення всього льоду температура води підвищується і водневі зв'язки всередині кластерів перестають протистояти зростаючим тепловим коливанням атомів. Розміри кластерів змінюються, і тому починають змінюватися властивості талої води: діелектрична проникність приходить до свого рівноважного стану через 15-20 хвилин, в'язкість - через 3-6 доби. Біологічна активність талої води спадає, за одними даними, приблизно за 12-16 годин, по іншим - за добу.

Отже, фізико-хімічні властивості талої води мимовільно змінюються в часі, наближаючись до властивостей звичайної води: вона поступово як би "забуває" про те, що ще недавно була льодом.

Лід і пар - різні агрегатні стани води, і тому логічно припустити, що в рідкій проміжній фазі валентний кут окремої молекули води лежить в діапазоні між значеннями в твердій фазі і в парі. У кристалі льоду валентний кут молекули води близький до 109,5 о. При таненні льоду міжмолекулярні водневі зв'язки слабшають, відстань Н-Ндещо скорочується, валентний кут зменшується. При нагріванні рідкої води відбувається розупорядкування кластерної структури, і цей кут продовжує зменшуватися. У пароподібному стані валентний кут молекули води становить вже 104,5 о.

Значить, для звичайної рідкої води валентний кут цілком може мати деякий середнє значення між 109,5 і 104,5 о, тобто приблизно 107,0 о. Але так як тала вода за своєю внутрішньою структурою близька до льоду, то і валентний кут її молекули повинен бути ближче до 109,5 о, швидше за все, близько 108,0 о.

Сказане вище можна сформулювати у вигляді гіпотези: в силу того, що тала вода значно більш структурована, ніж звичайна вода, Її молекула з великою часткою ймовірності має структуру, максимально наближену до гармонійного трикутнику золотий пропорції з валентним кутом, близьким до 108 о, і зі ставленням довжин зв'язків приблизно 0,618-0,619.

Експериментального підтвердження цієї гіпотези у авторів немає, як немає і будь-якої теорії її обгрунтування. Є тільки здогад, висловлена ​​на цих сторінках, яка може, природно, оскаржуватися.

Таємнича сила талої води. Людині з незапам'ятних часів відомі дивовижні властивості талої води. Давно помічено, що поблизу танучих джерел рослинність альпійських лугів завжди пишніше, а у кромки танучого льоду в арктичних морях бурхливо цвіте життя. Полив талою водою підвищує врожайність сільськогосподарських культур, прискорює проростання насіння. При вживанні талої води стійко підвищуються прирости в тваринництві, прискорюється розвиток курчат. Відомо, з якою жадібністю тварини п'ють навесні талу воду, а птиці буквально купаються в перших калюжках підталого снігу.

Тала вода, на відміну від звичайної, за своєю структурою дуже схожа на рідину, що міститься в клітинах рослинних і живих організмів. Саме тому для людини більш підходить "крижана" структура талої води, в якій молекули об'єднані в ажурні кластери. Це унікальна властивість талої води сприяє її легкому засвоєнню організмом, вона біологічно активна. Ось чому так корисні овочі і фрукти - вони доставляють в організм воду, що має аналогічну структуру.

При питво талої води відбувається підживлення організму самим гармонійним з усіх речовин на Землі. Вона покращує обмін речовин і підсилює кровообіг, знижує кількість холестерину в крові і заспокоює болі в серці, підвищує адаптаційні можливості організму і сприяє продовженню життя. Ковток чистої талої води тонізує краще пастеризованого соку, в ній є заряд енергії, бадьорості і легкості.

Один з авторів цієї роботи постійно п'є талу з плаваючими крижинками воду і вважає, що саме тому за три роки жодного разу не застудився. Тала вода освіжає і молодить шкіру, яка перестає мати потребу в кремах і лосьйонах.

Теоретичне вивчення властивостей талої води знаходиться поки на рівні гіпотез. Немає загальноприйнятої думки про причини, що викликають незвичайні ефекти при її застосуванні. Є певні проблеми і з доказовою стороною біологічної активності талої води. Дослідження в цьому напрямку викликають часом запеклі дискусії. Складність проблеми, відсутність ясності - все це повинно не відлякувати, а притягувати і сприяти появі нових ідей, гіпотез, теорій. Такий часто тернистий шлях розвитку науки.

Підкреслимо: наведена гіпотеза не претендує на розшифровку загадки талої води. Вона лише дозволяє вийти за рамки традиційного мислення і подивитися на взаємну любов життя і води з незвичайного боку - з боку гармонії і краси, з боку особливих властивостей талої води, додають її витонченої молекулі риси, якими не володіють інші молекули.

ЛІТЕРАТУРА

Ауербах Ф. Сім аномалій води. - СПб., 1919.

Габуда С. П. Пов'язана вода. Факти і гіпотези. - Новосибірськ: Наука, 1982.

Зацепіна Г. Н. Фізичні властивості і структура води. - М .: МГУ, 1998..

Сінюков В. В. Вода відома і невідома. - М .: Знание, 1987.

Белянин В. С., Романова Е. Золота пропорція. Новий погляд // Наука і життя, 2003 № 6.

Вода: структура, стан, сольватізація. досягнення останніх років. - М .: Наука, 2003.

Підписи до ілюстрацій

Іл. 1. Щільність льоду майже на 10% менше, ніж у води, а питома обсяг на стільки ж більше. Тому лід плаває, а вода, замерзаючи в тріщинах гірських порід, розколює їх.

властивості води

Чому вода - вода?

Серед неозорого безлічі речовин вода з її фізико-хімічними властивостями займає особливе, виняткове місце. І це треба розуміти буквально.

Майже всі фізико-хімічні властивості води - виняток в природі. Вона дійсно найдивніше речовина на світлі. Вода дивовижна не тільки різноманіттям ізотопних форм молекули і не тільки надіями, які пов'язані з нею як з невичерпним джерелом енергії майбутнього. Крім того, вона дивовижна і своїми - самими звичайними властивостями.

Як побудована молекула води?

Як побудована одна молекула води, тепер відомо дуже точно. Вона побудована ось так.

Добре вивчено і виміряно взаємне розташування ядер атомів водню і кисню і відстань між ними. Виявилося, що молекула води нелінійна. Разом з електронними оболонками атомів молекулу води, якщо на неї поглянути «збоку», можна було б зобразити ось так:

т. е. геометрично взаємне розташування зарядів в молекулі можна зобразити як простий тетраедр. Всі молекули води з будь-яким ізотопним складом побудовані зовсім однаково.

Скільки молекул води в океані?

Одна. І ця відповідь не зовсім жарт. Звичайно, кожен може, подивившись в довідник і дізнавшись, скільки в Світовому океані води, легко порахувати, скільки всього в ньому міститься молекул Н2О. Але така відповідь буде не цілком вірним. Вода - речовина особливе. Завдяки своєрідному будовою окремі молекули взаємодіють між собою. виникає особлива хімічний зв'язоквнаслідок того, що кожен з атомів водню однієї молекули відтягує до себе електрони атомів кисню в сусідніх молекулах. За рахунок такої водневої зв'язку кожна молекула води виявляється досить міцно пов'язаної з чотирма іншими сусідніми молекулами, подібно до того як це зображено на схемі. Правда, ця схема надто спрощено - вона плоска, інакше не змалюєш на малюнку. Уявімо собі кілька більш вірну картину. Для цього потрібно врахувати, що площина, в якій розташовані водневі зв'язку (вони позначені пунктиром), в молекулі води направлена ​​перпендикулярно до площини розташування водневих атомів.

Всі окремі молекули Н2О в воді виявляються пов'язаними в єдину суцільну просторову сітку - в одну гігантську молекулу. Тому цілком виправдано твердження деяких вчених фізико-хіміків, що весь океан - це одна молекула. Але не слід розуміти це твердження занадто буквально. Хоча всі молекули води в воді і зв'язуються між собою водневими зв'язками, вони в той же тягар знаходяться в дуже складному рухомому рівновазі, зберігаючи індивідуальні властивості і одиничних молекул і утворюючи складні агрегати. Подібне уявлення застосовні не тільки до води: шматок алмазу теж одна молекула.

Як побудована молекула льоду?

Ніяких особливих молекул льоду немає. Молекули води завдяки своєму чудовому будовою з'єднані в шматку льоду один з одним так, що кожна з них пов'язана і оточена чотирма іншими молекулами. Це призводить до виникнення дуже пухкої структури льоду, в якій залишається дуже багато вільного об'єму. правильне кристалічну будовульоду виражається в дивовижному витонченість сніжинок і в красі морозних візерунків на замерзлих шибках.

Як же все-таки побудовані молекули води в воді?

На жаль, це дуже важливе питання вивчений ще недостатньо. Будова молекул в рідкій воді дуже складно. Коли лід плавиться, його сітчаста структура частково зберігається в утворюється воді. Молекули в талій воді складаються з багатьох простих молекул - з агрегатів, які зберігали властивості льоду. При підвищенні температури частина їх розпадається, їх розміри стають менше.

Взаємне тяжіння веде до того, що середній розмір складної молекули води в рідкій воді значно перевищує розміри однієї молекули води. Таке надзвичайне молекулярну будову води обумовлює її надзвичайні фізико-хімічні властивості.

Яка повинна бути щільність води?

Правда, дуже дивне запитання? Згадайте, як було встановлено одиниця маси - один грам. Це маса одного кубічного сантиметра води. Значить, не може бути ніякого сумніву в тому, що щільність води повинна бути тільки такою, яка вона є. Чи можна в цьому сумніватися? Можна, можливо. Теоретики підрахували, що якби вода не зберігала пухку, льодоподібну структуру в рідкому стані і її молекули були б упаковані щільно, то і щільність води була б набагато вище. При 25 ° С вона була б однаково не 1,0, а 1,8 г / см3.

При якій температурі вода повинна кипіти?

Це питання теж, звичайно, дивний. Адже вода кипить при ста градусах. Це знає кожен. Більше того, всім відомо, що саме температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску і обрана в якості однієї з опорних точок температурної шкали, умовно позначеної 100 ° С.

Однак питання поставлене інакше: при якій температурі вода повинна кипіти? Адже температури кипіння різних речовинне випадкові. Вони залежать від положення елементів, що входять до складу їх молекул, в періодичній системі Менделєєва.

Якщо порівнювати між собою однакові за складом хімічні сполуки різних елементів, що належать до однієї і тієї ж групи таблиці Менделєєва, то легко помітити, що чим менше атомний номер елемента, чим менше його атомна вага, тим нижче температура кипіння його сполук. Вода за хімічним складом може бути названа гидридом кисню. Н2Те, H2Se і H2S - хімічні аналоги води. Якщо простежити за температурами їх кипіння і зіставити, як змінюються температури кипіння гідридів в інших групах періодичної системи, То можна досить точно визначити температуру кипіння будь-якого гідриду, так неї як і будь-якого іншого з'єднання. Сам Менделєєв таким способом зміг передбачити властивості хімічних сполук ще не відкритих елементів.

Якщо ж визначити температуру кипіння гідриду кисню по положенню його в періодичної таблиці, То виявиться, що вода повинна кипіти при -80 ° С. Отже, вода кипить приблизно на сто вісімдесят градусів вище , ніж повинна кипіти. Температура кипіння води - це найбільш звичайне її властивість - виявляється надзвичайним і дивним.

Властивості будь-якого хімічної сполуки залежать від природи утворюють його елементів і, отже, від їх положення в періодичній системі хімічних елементів Менделєєва. На цих графіках наведено залежності температур кипіння і плавлення водневих з'єднань IV і VI групи періодичної системи. Вода є вражаючим винятком. Завдяки дуже малому радіусу протона сили взаємодії між її молекулами настільки великі, що розділити їх дуже важко, тому вода кипить і плавиться при аномально високих температурах.

Графік А. Нормальна залежність температури кипіння гідридів елементів IV групи від їхнього економічного становища в таблиці Менделєєва.

Графік Б. Серед гідридів елементів VI групи вода володіє аномальними властивостями: вода повинна була б кипіти при мінус 80 - мінус 90 ° С, а кипить при плюс 100 ° С.

Графік В. Нормальна залежність температури плавлення гідридів елементів IV групи від їхнього економічного становища в таблиці Менделєєва.

Графік Г. Серед гідридів елементів VI групи вода порушує порядок: мала б плавитися при мінус 100 ° С, а крижані бурульки тануть при 0 ° С.

При якій температурі вода замерзає?

Чи не правда, питання не менш дивний, ніж попередні? Ну хто ж не знає, що вода замерзає при нулі градусів? Це друга опорна точка термометра. Це звичайнісіньке властивість води. Але ж і в цьому випадку можна запитати: при якій температурі вода повинна замерзати відповідно до своєї хімічної природою? Виявляється, гідрид кисню на підставі егс положення в таблиці Менделєєва мав би укріпляти при ста градусах нижче нуля.

Скільки існує рідких станів води?

На таке питання не так просто відповісти. Звичайно, теж одне - звична нам усім рідка вода. Але вода в рідкому стані володіє такими незвичайними властивостями, що доводиться задуматися: чи правильний такий простий, здавалося б, не викликає

ніяких сумнівів відповідь? Вода - єдине в світі речовина, яке після плавлення спочатку стискається, а потім у міру підвищення температури починає розширюватися. Приблизно при 4 ° С у води найбільша щільність. Цю рідкісну аномалію в властивості води пояснюють тим, що в дійсності рідка вода являє собою складний розчин абсолютно надзвичайного складу: це розчин води в воді.

При плавленні льоду спочатку утворюються великі складні молекули води. Вони зберігають залишки пухкої кристалічної структури льоду і розчинені в звичайної низькомолекулярної воді. Тому спочатку щільність води низька, але з підвищенням температури ці великі молекули руйнуються, і тому щільність води зростає, поки не почне переважати звичайне теплове розширення, при якому щільність води знову падає. Якщо це вірно, то можливі декілька станів води, тільки їх ніхто не вміє розділити. І поки невідомо, чи вдасться коли-небудь це зробити. Таке надзвичайне властивість води має величезне значення для життя. У водоймах перед настанням зими поступово прохолоджується вода опускається вниз, поки температура всього водойми не досягне 4 ° С. При подальшому охолодженні більш холодна вода залишається зверху і всяке перемішування припиняється. В результаті створюється надзвичайне становище: тонкий шар холодної води стає як би «теплою ковдрою» для всіх мешканців підводного світу. При 4 ° С вони відчувають себе явно непогано.

Що повинно бути легше - вода або лід?

Хто ж цього не знає ... Адже лід плаває на воді. В океані плавають гігантські айсберги. Озера взимку покриті плаваючим суцільним шаром льоду. Звичайно, лід легше води.

Але чому «звичайно»? Хіба це так ясно? Навпаки, обсяг всіх твердих тіл при плавленні збільшується, і вони тонуть у своєму власному розплаві. А ось лід плаває у воді. Це властивість води - аномалія в природі, виняток, і до того ж абсолютно чудове виняток.

Позитивні заряди в молекулі води пов'язані з атомами водню. Негативні заряди - це валентні електрони кисню. Їх взаємне розташування в молекулі води можна зобразити у вигляді простого тетраедра.

Спробуємо уявити, як виглядав би світ, якби вода мала нормальними властивостями і лід був би, як і годиться будь-якій нормальній речовини, щільніше рідкої води. Взимку намерзає зверху більш щільний лід тонув би в воді, безперервно опускаючись на дно водойми. Влітку лід, захищений товщею холодної води, не міг би розтанути. Поступово все озера, ставки, річки, струмки промерзли б без остачі, перетворившись в гігантські крижані брили. Нарешті, промерзли б моря, а за ними і океани. Наш прекрасний квітучий зелений світ став би суцільний крижаною пустелею, подекуди покритою тонким шаром талої води.

Скільки існує льодів?

У природі на нашій Землі - один: звичайний лід. Лід - гірська порода з надзвичайними властивостями. Він твердий, але тече, як рідина, і існують величезні крижані річки, повільно стікають з високих гір. Лід мінливий - він безупинно зникає і утворюється знову. Лід надзвичайно міцний і довговічний - десятки тисячоліть зберігає він в собі без змін тіла мамонтів, випадково загиблих в льодовикових тріщинах. У своїх лабораторіях людина зуміла відкрити ще, принаймні, шість різних, не менше дивовижних льодів. У природі їх знайти не можна. Вони можуть існувати тільки при дуже високому тиску. Звичайний лід зберігається до тиску 208 МПа (мегапаскалей), але при цьому тиску він плавиться при - 22 ° С. Якщо тиск вищий, ніж 208 МПа, виникає щільний лід - лід-Ш. Він важче води і тоне в ній. При більш низькій температурі і більшому тиску - до 300 МПа - утворюється ще більш щільний лід-П. Тиск понад 500 МПа перетворює лід в лід-V. Цей лід можна нагріти майже до 0 ° С, і він не розтане, хоча і знаходиться під величезним тиском. При тиску близько 2ГПа (гігапаскалів) виникає лід-VI. Це буквально гарячий лід - він витримує, що не плавлячи, температуру 80 ° С. Лід-VII, знайдений при тиску ЗГПа, мабуть, можна назвати розпеченим льодом. Це самий щільний і тугоплавкий з відомих льодів. Він плавиться тільки при 190 ° вище нуля.

Лід-VII володіє надзвичайно високою твердістю. Цей лід може стати навіть причиною раптових катастроф. У підшипниках, в яких обертаються вали потужних турбін електростанцій, розвивається величезний тиск. Якщо в мастило потрапить хоча б трохи води, вона замерзне, не дивлячись на те що температура підшипників дуже висока. Утворилися частки льоду-VII, що володіють величезною твердістю, почнуть руйнувати вал і підшипник і швидко виведуть їх з ладу.

Може бути, лід і в космосі є?

Начебто є, і при цьому дуже дивний. Але відкрили його вчені на Землі, хоча такий лід на нашій планеті існувати не може. Щільність всіх відомих в даний час льодів навіть при дуже високому тиску, лише дуже небагато перевищує 1 г / см3. Щільність гексагональної і кубічної модифікації льоду при дуже низьких тисках і температурах, навіть близьких до абсолютного нуля, трохи менше одиниці. Їх щільність дорівнює 0,94 г / см3.

Але виявилося, що в вакуумі, при незначних тисках і при температурах нижче -170 ° С, при умовах, коли утворення льоду відбувається при його конденсації з пари на охолоджувальної твердої поверхні, виникає абсолютно дивовижний лід. Його щільність ... 2,3 г / см3. Всі відомі досі льоди кристалічні, а цей новий лід, мабуть, аморфний, він характеризується безладним відносним розташуванням окремих молекул води; певна кристалічна структура у нього відсутня. З цієї причини його іноді називають скляним льодом. Вчені впевнені, що цей дивовижний лід повинен виникати в космічних умовах і відігравати велику роль у фізиці планет і комет. Відкриття такого надщільного льоду було для фізиків несподіваним.

Що потрібно, щоб лід розтанув?

Дуже багато тепла. Набагато більше, ніж для плавлення такого леї кількості будь-якого іншого речовини. Виключно велика теплота плавлення -80 кал (335 Дж) на грам льоду - Такла аномальне властивість води. При замерзанні води таке неї кількість тепла знову виділяється.

Коли настає зима, утворюється лід, випадає сніг і вода віддає назад тепло, підігріває землю і повітря. Вони протистоять холоду і пом'якшують перехід до суворої зими. Завдяки цьому чудовому властивості води на нашій планеті існує осінь і весна.

Скільки тепла потрібно, щоб нагріти воду?

Дуже багато. Більше, ніж для нагрівання рівної кількості будь-якого іншого речовини. Щоб нагріти грам води на один градус, необхідна одна калорія (4,2 Дж). Це більше ніж удвічі перевищує теплоємність будь-якого хімічної сполуки.

Вода - речовина, надзвичайне далі в самих повсякденних для нас властивості. Звичайно, ця здатність води має дуже велике значення не тільки при варінні обіду на кухні. Вода - це великий розподільник тепла по Землі. Нагріта Сонцем під екватором, вона переносить тепло в Світовому океані гігантськими потоками морських течійв далекі полярні області, де життя можливе тільки завдяки цій дивовижній особливості води.

Чому в морі вода солона?

Це, мабуть, одне з найважливіших наслідків одного з найдивовижніших властивостей води. В її молекулі центри позитивних і негативних зарядів сильно зміщено щодо одне одного. Тому вода володіє виключно високим, аномальним значенням діелектричної проникності. Для води е = 80, а для повітря і вакууму е = 1. Це означає, що два будь-яких різнойменних заряду у воді взаємно притягуються один до одного з силою, в 80 разів меншою, ніж у повітрі. Адже за законом Кулона:

Але все ж міжмолекулярні зв'язки у всіх тілах, що визначають міцність тіла, обумовлені взаємодією між позитивними зарядами атомних ядер і негативними електронами. На поверхні тіла, зануреного в воду, сили, що діють між молекулами або атомами, слабшають під впливом води майже в сотню разів. Якщо залишилася міцність зв'язку між молекулами стає недостатньою, щоб протистояти дії теплового руху, молекули або атоми тіла починають відриватися від його поверхні і переходять в воду. Тіло починає розчинятися, розпадаючись або на окремі молекули, як цукор в склянці чаю, або на заряджені частинки - іони, як кухонна сіль.

Саме завдяки аномально високою діелектричної проникності вода - один з найсильніших розчинників. Вона навіть здатна розчинити будь-яку гірську породу на земної поверхні. Повільно й неминуче вона руйнує навіть граніти, вищелачівая з них легкорозчинні складові частини.

Струмки, річки і річки зносять розчинені водою домішки в океан. Вода з океану випаровується і знову повертається на землю, щоб знову і знову продовжувати свою вічну роботу. А розчинені солі залишаються в морях і океанах.

Не думайте, що вода розчиняє і зносить в море тільки те, що легко розчиняється, і що в морській воді міститься тільки звичайна сіль, яка стоїть на обідньому столі. Ні, морська вода містить в собі майже всі елементи, що існують в природі. У ній є і магній, і кальцій, і сірка, і бром, і йод, і фтор. В меншій кількості в ній знайдені залізо, мідь, нікель, олово, уран, кобальт, навіть срібло і золото. Понад шістдесят елементів знайшли хіміки у морській воді. Напевно, будуть знайдені і все осталь ні. Найбільше в морській воді кухонної солі. Тому вода в морі солона.

Чи можна бігати по поверхні води?

Можна, можливо. Щоб в цьому переконатися, подивіться влітку на поверхню будь-якого ставка або озера. По воді не тільки ходить, а й бігає чимало живого і швидкого народом. Якщо врахувати, що площа опори лапок у цих комах дуже мала, то неважко зрозуміти, що, незважаючи на їх невелику вагу, поверхню води витримай-кість, що не прориваючись, значний тиск.

Чи може вода текти вгору?

Да може. Це відбувається завжди і повсюдно. Сама піднімається вода вгору в грунті, змочуючи всю товщу землі від рівня грунтових вод. Сама піднімається вода вгору по капілярних судинах дерева і допомагає рослині доставляти розчинені живильні речовини на велику висоту - від глибоко прихованих в землі коренів до листя і плодів. Сама рухається вода вгору в порах промокальним папери, коли вам доводиться висушувати пляму, або в тканини рушники, коли витираєте особа. У дуже тонких трубочках - в капілярах - вода може піднятися на висоту до декількох метрів.

Чим це пояснюється?

Ще однією чудовою особливістю води - її виключно великим поверхневий натяг. Молекули води на її поверхні відчувають дію сил міжмолекулярної тяжіння тільки з одного боку, а у води це взаємодія аномально велике. Тому кожна молекула на її поверхні втягується всередину рідини. В результаті виникає сила, стягуюча поверхню рідини, Біля води вона особливо велика: її поверхневий натяг становить 72 мН / м (мілліньютона на метр).

Чи може вода пам'ятати?

Таке питання звучить, треба визнати, дуже незвично, але він цілком серйозний і дуже важливий. Він стосується великий фізико-хімічної проблеми, яка в своїй найбільш важливої ​​частини ще не досліджена. Це питання тільки поставлений в науці, але відповіді на нього вона ще не знайшла.

Питання в тому: чи впливає чи ні попередня історія води на її фізико-хімічні властивості і чи можливо, досліджуючи властивості води, дізнатися, що відбувалося з нею раніше, - змусити саму воду «згадати» і розповісти нам про це. Так, можливо, хоч і здається дивним. Найпростіше це можна зрозуміти на простому, але дуже цікавому і незвичайному прикладі - на пам'яті льоду.

Лід - це ж вода. Коли вода випаровується - змінюється ізотопний склад води і пари. Легка вода випаровується хоча і в незначній мірі, але швидше важкою.

При випаровуванні природної води склад змінюється з ізотопного змістом не тільки дейтерію, а й важкого кисню. Ці зміни ізотопного складу пара дуже добре вивчені, і так само добре досліджена їх залежність від температури.

Нещодавно вчені поставили чудовий досвід. В Арктиці, в товщі величезного льодовика на півночі Гренландії, була закладена свердловина і висвердлите і витягнутий гігантський крижаний керн довжиною майже півтора кілометри. На ньому були чітко помітні річні шари наростаючого льоду. По всій довжині керна ці шари були піддані ізотопного аналізу, і за відносним вмістом важких ізотопів водо роду і кисню - дейтерію і 18О були визначені температури освіти річних шарів льоду на кожній дільниці керна. Дата освіти річного шару визначалася прямим відліком. Таким чином була відновлена ​​кліматична обстановка на Землі протягом тисячоліть. Вода все це зуміла запам'ятати і записати в глибинних шарах гренландського льодовика.

В результаті ізотопних аналізів шарів льоду була побудована вченими крива зміни клімату на Землі. Виявилося, середня температура у нас схильна до віковим коливанням. Було дуже холодно в XV в., В кінці XVII ст. і на початку XIX. Найзапекліші роки були 1550 і 1930.

Тоді в чому ж полягає загадка «пам'яті» води?

Справа в тому, що за останні роки в науці поступово накопичилося багато вражаючих і абсолютно незрозумілих фактів. Одні з них встановлені твердо, інші вимагають кількісного надійного підтвердження, і всі вони ще чекають свого пояснення.

Наприклад, ще ніхто не знає, що відбувається з водою, що протікає крізь сильне магнітне поле. Фізики-теоретики зовсім впевнені, що нічого з нею при цьому відбуватися не може і не відбувається, підкріплюючи свою переконаність цілком достовірними теоретичними розрахунками, з яких випливає, що після припинення дії магнітного поля вода повинна миттєво повернутися до свого попереднього стану і залишитися такою, якою була . А досвід показує, що вона змінюється і стає іншою.

Чи велика різниця? Судіть самі. Зі звичайної води в паровому котлі розчинені солі, виділяючись, відкладаються щільним і твердим, як камінь, шаром на стінках котельних труб, а з омагниченной води (так її тепер стали називати в техніці) випадають у вигляді пухкого осаду, зваженого у воді. Начебто різниця невелика. Але це залежить від точки зору. На думку працівників теплових електростанцій, ця різниця виключно Валена, так як омагніченная вода забезпечує нормальну і безперебійну роботу гігантських електростанцій: чи не заростають стіни труб парових котлів, вище теплопередача, більше вироблення електроенергії. На багатьох теплових станціях давно встановлена ​​магнітна підготовка води, а як і чому вона працює, не знають ні інженери, ні вчені. Крім того, на досвіді помічено, що після магнітної обробки води в ній прискорюються процеси кристалізації, розчинення, адсорбції, змінюється змочування ... правда, у всіх випадках ефекти невеликі і важко відтворювані.

Дія магнітного поля на воду (обов'язково швидкоплинну) триває малі частки секунди, а «пам'ятає» вода про це десятки годин. Чому - невідомо. У цьому питанні практика далеко випередила науку. Адже далі невідомо, на що саме діє магнітна обробка - на воду або на що містяться в ній домішки. Чистої-то води не буває.

«Пам'ять» води не обмежується тільки збереженням наслідків магнітного впливу. У науці існують і поступово накопичуються багато фактів і спостереження, які показують, що вода нібито «пам'ятає» і про те, що вона раніше була заморожена.

Тала вода, недавно вийшла при таненні шматка льоду, як ніби-то теж відрізняється від тієї води, з якої цей шматок льоду утворився. У талій воді швидше і краще проростають насіння, швидше розвиваються паростки; далі як ніби-то швидше ростуть і розвиваються курчата, які отримують талу воду. Крім дивовижних властивостей талої води, встановлених біологами, відомі і чисто фізико-хімічні відмінності, наприклад тала вода відрізняється по в'язкості, за значенням діелектричної проникності. В'язкість талої води приймає своє звичайне для води значення тільки через 3-6 діб після плавлення. Чому це так (якщо це так), толее ніхто не знає.

Більшість дослідників називають цю область явищ «структурної пам'яттю» води, вважаючи, що всі ці дивні прояви впливу попередньої історії води на її властивості пояснюються зміною тонкої структури її молекулярного стану. Може бути, це і так, але ... назвати - це ще не означає пояснити. Як і раніше в науці існує важлива проблема: чому і як вода «пам'ятає», що з нею було.

Звідки на Землі взялася вода?

Вічно в усіх напрямках Всесвіт пронизують потоки космічних променів - потоки частинок з величезною енергією. Найбільше в них протонів - ядер атомів водню. У своєму русі в космосі наша планета безперервно піддається «протонному обстрілу». Пронизуючи верхні шари земної атмосфери, протони захоплюють електрони, перетворюються в атоми водню і негайно вступають в реакцію з киснем, утворюючи воду. Розрахунок показує, що щорічно майже півтори тонни такої «космічної» води народжується в стратосфері. На великій висоті при низькій температурі пружність водяної пари дуже мала і молекули води, поступово накопичуючись, конденсуються на частках космічного пилу, утворюючи таємничі сріблясті хмари. Вчені припускають, що вони складаються з найдрібніших крижаних кристалів, що виникли з такої «космічної» води. Підрахунок показав, що води, що з'явилася таким чином на Землі за всю її історію, як раз вистачило б, щоб народилися всі океани нашої планети. Значить, вода прийшла на Землю з космосу? Але ...

Геохіміки не вважають воду небесної гостею. Вони переконані, що у неї земне походження. Породи, що складають земну мантію, яка лежить між центральним ядром Землі і земною корою, під впливом накопичується тепла радіоактивного розпаду ізотопів місцями розплавлялися. З них виділялися летючі складові частини: азот, хлор, сполуки вуглецю, сірки, найбільше виділялося водяної пари.

Яке ж кількість могли викинути при виверженнях все вулкани за весь час існування нашої планети?

Вчені підрахували і це. Виявилося, що такий виверженої «геологічної» води теж якраз вистачило б, щоб заповнити всі океани.

У центральних частинах нашої планети, що утворюють її ядро, води, напевно, немає. Навряд чи вона там може існувати. Одні вчені вважають, що далі якщо і присутні там і кисень і водень, то вони повинні разом з іншими елементами утворювати нові для науки, невідомі металлоподобниє форми сполук, що володіють високою щільністю, стійких при тих величезних тисках і температурах, що панують в центрі земної кулі .

Інші дослідники впевнені, що ядро ​​земної кулі складається з заліза. Що насправді знаходиться не так вже далеко від нас, у нас під ногами, на глибинах, що перевищують 3 тис. Км, поки ще нікому не відомо, але води там, напевно, немає.

Найбільше води в надрах Землі знаходиться в її мантії - шарах, розташованих під земною корою і тягнуться приблизно на глибину до 3 тис. Км. Геологи вважають, що в мантії зосереджено не менше 13 млрд. Куб. км води.

самий верхній шарземної оболонки - земна кора містить ще приблизно 1,5 млрд. куб. км води. Майже вся вода в цих шарах знаходиться в зв'язаному стані - вона входить до складу гірських порід і мінералів, утворюючи гідрати. У цій воді не викуповує і її не вип'єш.

Гідросферу - водну оболонку земної кулі утворюють ще приблизно 1,5 млрд. Куб. км води. Майже вся ця кількість міститься в Світовому океані. Він займає близько 70% всієї земної поверхні, його площа - понад 360 млн. Кв. км. З космосу наша планета виглядає зовсім не як земну кулю, а, скоріше, як водяний шар.

Середня глибина Океану - близько 4 км. Якщо порівняти цю «бездонну глибину» з розмірами самого земної кулі, середній діаметр якого равенкм, то тоді, навпаки, доведеться визнати, що ми живемо на мокрій планеті, вона тільки злегка змочена водою, та й то не по всій поверхні. Вода в океанах і морях солона - пити її не можна.

На суші води зовсім небагато: всього лише близько 90 млн. Куб. км. З них понад 60 млн. Куб. км знаходиться під землею, майже всі це солоні води. Близько 25 млн. Куб. км твердої води лежить в гірських і льодовикових районах, в Арктиці, в Гренландії, в Антарктиді. Ці запаси води на земній кулі заповідною.

У всіх озерах, болотах, створених людиною водосховищах і в грунті міститься ще 500 тис. Куб. км води.

Вода присутня і в атмосфері. У повітрі завжди, навіть в самих безводних пустелях, де немає ні краплі води і ніколи не йде дощ, і то знаходиться чимало водяної пари. Крім того, по небу завжди пливуть хмари, збираються хмари, йде сніг, ллють дощі, над землею стеляться тумани. Всі ці запаси води в атмосфері підраховані точно: всі вони, разом узяті, складають всього лише 14 тис. Куб. км.

Ідея древніх філософів про те, що все в природі утворюють чотири елементи (стихії): земля, повітря, вогонь і вода, проіснувала аж до Середніх століть. У 1781 Г.Кавендиш повідомив про отримання ним води при спалюванні водню, але не оцінив повною мірою важливості свого відкриття. Пізніше (1783)А.Лавуазье довів, що вода зовсім не елемент, а з'єднання водню і кисню. Й. Берцеліусом і П.Дюлонг (1819), а також Ж.Дюма і Ж.Стас (1842) встановили ваговій склад води, пропускаючи водень через оксид міді, взятий в строго певній кількості, і зважуючи утворилися мідь і воду. Виходячи з цих даних, вони визначили ставлення Н: О для води. Крім того, в 1820-х роках Ж.Гей-Люссак виміряв обсяги газоподібних водню і кисню, які при взаємодії давали воду: вони співвідносилися між собою як 2: 1, що, як ми тепер знаємо, відповідає формулі Н 2 О. поширеність. Вода покриває 3/4 поверхні Землі. Тіло людини складається з води приблизно на 70%, яйце на 74%, а деякі овочі це майже одна вода. Так, в кавуні її 92%, в стиглих томатах 95%.

Вода в природних резервуарах ніколи не буває однорідною за складом: вона проходить через гірські породи, стикається з грунтом і повітрям, а тому містить розчинені гази і мінеральні речовини. Чистішою є дистильована вода.

Морська вода . склад морської водирізниться в різних регіонах і залежить від припливу прісних вод, швидкості випаровування, кількості опадів, танення айсбергів і т.д.Див. такожОКЕАН.Мінеральна вода. Мінеральна водаутворюється при просочуванні звичайної води крізь породи, що містять сполуки заліза, літію, сірки та інших елементів.М'яка і жорстка вода. Жорстка вода містить у великих кількостях солі кальцію і магнію. Вони розчиняються у воді при протіканні по породам, складеним гіпсом (С aSO 4 ), Вапняком (СаСО 3 ) Або доломітом (карбонати Mg і Са). У м'якій воді цих солей мало. Якщо вода містить сульфат кальцію, то кажуть, що вона має постійну (некарбонатних) жорсткістю. Її можна пом'якшити додаванням карбонату натрію; це призведе до осадження кальцію у вигляді карбонату, а в розчині залишиться сульфат натрію. Солі натрію не вступають в реакцію з милом, і витрата його буде менше, ніж в присутності солей кальцію і магнію.

Вода, що володіє тимчасової (карбонатної) жорсткістю, містить бікарбонати кальцію і магнію; її можна пом'якшити кількома способами: 1) нагріванням, що призводить до розкладання бікарбонатів на нерозчинні карбонати; 2) додаванням вапняної води (гідроксиду кальцію), в результаті чого бікарбонати перетворюються в нерозчинні карбонати; 3) за допомогою обмінних реакцій.

молекулярна структура. Аналіз даних, отриманих з спектрів поглинання, показав, що три атома в молекулі води утворюють трикутник з двома атомами водню в підставі і киснем в вершині:Валентний кут НОН дорівнює 104,31° , Довжина зв'язку О Н становить 0,99Å (1 Å = 10 8 см), а відстань Н Н одно 1,515 Å . Атоми водню так глибоко «впроваджені» в атом кисню, що молекула виявляється майже сферичної; її радіус 1,38Å . ВОДА Фізичні властивості. Завдяки сильному тяжінню між молекулами у води високі температури плавлення (0° С) і кипіння (100 ° С). Товстий шар води має блакитний колір, що обумовлюється не тільки її фізичними властивостями, а й присутністю зважених часток домішок. Вода гірських річок зеленувата через що містяться в ній зважених часток карбонату кальцію. Чиста вода поганий провідник електрики, її питома електропровідність дорівнює 1,5Ч 10 8 Ом 1 Ч см 1 при 0 ° С. Стисливість води дуже мала: 43Ч 10 6 см 3 на мегабар при 20° С. Щільність води максимальна при 4° С; це пояснюється властивостями водневих зв'язків її молекул.Тиск пару. Якщо залишити воду у відкритій ємності, то вона поступово випарується все її молекули перейдуть в повітря. У той же час вода, що знаходиться в щільно закупореній посудині, випаровується лише частково, тобто при певному тиску водяної пари між водою і повітрям, що знаходиться над нею, встановлюється рівновага. Тиск пари в рівновазі залежить від температури і називається тиском насиченої пари (або його пружністю). Коли тиск насиченої пари порівнюється із зовнішнім тиском, вода закипає. При звичайному тиску 760 мм рт.ст. вода кипить при 100° С, а на висоті 2900 м над рівнем моря атмосферний тиск падає до 525 мм рт.ст. і температура кипіння виявляється рівною 90° С.

Випаровування відбувається навіть з поверхні снігу і льоду, саме тому висихає на морозі мокру білизну.

В'язкість води з ростом температури швидко зменшується і при 100

° З виявляється в 8 разів менше, ніж при 0° С. Хімічні властивості. каталітична дія. дуже багато хімічні реакціїпротікають тільки в присутності води. Так, окислення киснем не відбувається в сухих газах, метали не реагують з хлором і т.д.Гідрати. Багато з'єднання завжди містять певну кількість молекул води і називаються тому гідратами. Природа утворюються при цьому зв'язків може бути різною. Наприклад, в пентагідрат сульфату міді, або мідному купоросу CuSO 4 Ч 5H 2 O , Чотири молекули води утворюють координаційні зв'язки з іоном сульфату, що руйнуються при 125° С; п'ята ж молекула води пов'язана так міцно, що відривається лише при температурі 250° С. Ще один стабільний гідрат сірчана кислота; вона існує в двох гідратних формах, SO 3 Ч H 2 O і SO 2 (OH) 2 , Між якими встановлюється рівновага. Іони в водних розчинах теж часто бувають гідратованих. Так, Н + завжди знаходиться в вигляді іона гідроксонію Н 3 О + або Н 5 О 2 + ; іон літію у вигляді Li (H 2 O) 6 + і т.д. Елементи як такі рідко перебувають у гидратированной формі. Виняток становлять бром і хлор, які утворюють гідрати Br 2 Ч 10 H 2 O і Cl 2 Ч 6H 2 О. Деякі звичайні гідрати містять кристалізаційну воду, наприклад хлорид барію BaCl 2 Ч 2H 2 O , Англійська сіль (сульфат магнію) MgSO 4 Ч 7H 2 O , Питна сода (карбонат натрію) Na 2 CO 3 Ч 10 H 2 O, глауберової сіль (сульфат натрію) Na 2 SO 4 Ч 10 H 2 O. Солі можуть утворювати кілька гідратів; так, сульфат міді існує у вигляді CuSO 4 Ч 5H 2 O, CuSO 4 Ч 3H 2 O і CuSO 4 Ч H 2 O . Якщо тиск насиченої пари гідрату більше, ніж атмосферний тиск, то сіль буде втрачати воду. Цей процес називаєтьсявицвітанням (Вивітрюванням). Процес, при якому сіль поглинає воду, називаєтьсяраспливанія . Гідроліз. Гідроліз це реакція подвійного розкладання, в якій одним з реагентів є вода; трихлорид фосфору PCl 3 легко вступає в реакцію з водою: PCl 3 + 3H 2 O = P (OH) 3 + 3HCl Аналогічним чином гідролізуються жири з утворенням жирних кислот і гліцерину.Сольватація. Вода полярне з'єднання, а тому охоче вступає в електростатичне взаємодія з частками (іонами або молекулами) розчинених в ній речовин. Утворилися в результаті сольватації молекулярні групи називаються сольватамі. Шар молекул води, пов'язаний з центральною часткою сольвату силами тяжіння, становить сольватную оболонку. Вперше поняття сольватації було введено в 1891 І.А.Каблуковим.Важка вода. У 1931 Г. Юри показав, що при випаровуванні рідкого водню його останні фракції виявляються важче звичайного водню внаслідок вмісту в них в два рази більше важкого ізотопу. Цей ізотоп називається дейтерієм і позначається символом D . За своїми властивостями вода, що містить замість звичайного водню його важкий ізотоп, істотно відрізняється від звичайної води.

У природі на кожні 5000 масових частин Н

2 Про доводиться одна частина D 2 O . Це співвідношення однакове для річковий, дощової, болотної води, підземних вод або кристалізаційної води. Важка вода використовується в якості мітки при дослідженні фізіологічних процесів. Так, в сечі людини співвідношення між Н і D теж дорівнює 5000: 1. Якщо дати пацієнту випити воду з великим вмістом D 2 O , То, послідовно вимірюючи частку цієї води в сечі, можна визначити швидкість виведення води з організму. Виявилося, що близько половини випитої води залишається в організмі навіть через 15 діб. Важка вода, вірніше, що входить до її складу дейтерій важливий учасник реакцій ядерного синтезу.

Третій ізотоп водню тритій, що позначається символом Т. На відміну від перших двох він радіоактивний і виявлений в природі лише в малих кількостях. У прісноводних озерах співвідношення між ним і звичайним воднем одно 1:10

18 , В поверхневих водах 1:10 19 , В глибинних водах він відсутній.Див. такожВодень. ЛІД Лід, тверда фаза води, використовується в основному як холодоагент. Він може знаходитися в рівновазі з рідкою і газоподібною фазами або тільки з газоподібної фазою. Товстий шар льоду має блакитний колір, що пов'язано з особливостями заломлення їм світла. Стисливість льоду дуже низька.

Лід при нормальному тиску існує тільки при температурі 0

° З або нижче і має меншу щільність, ніж холодна вода. Саме тому айсберги плавають у воді. При цьому, оскільки відношення щільності льоду і води при 0° З постійно, лід завжди виступає з води на певну частину, а саме на 1/5 свого об'єму.Див. такожАйсберг. ПАР Пар газоподібна фаза води. Всупереч загальноприйнятій думці, він невидимий. Той «пар», який виривається з киплячого чайника, це насправді безліч дрібних крапельок води. Пар має властивості, дуже важливими для підтримки життя на Землі. Добре відомо, наприклад, що під дією сонячного тепла вода з поверхні морів і океанів випаровується. Утворені водяні пари піднімаються в атмосферу і конденсуються, а потім випадають на землю у вигляді дощу і снігу. Без такого кругообігу води наша планета давно перетворилася б в пустелю.

Пар має безліч застосувань. З одними ми добре знайомі, про інші лише чули. Серед найбільш відомих пристроїв і механізмів, що працюють із застосуванням пара, праски, паровози, пароплави, парові котли. Пар обертає турбіни генераторів на теплових електростанціях.

Див. такожКОТЕЛ ПАРОВОЇ; ДВИГУН ТЕПЛОВОЇ;ТЕПЛОТА; ТЕРМОДИНАМІКА.ЛІТЕРАТУРА Ейзенберг Д., Кауцман В.Структура і властивості води . Л., 1975
Зацепіна Г.Н. Фізичні властивості і структура води . М., 1987

К.х.н. О.В. Мосін

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА ВОДИ У ТРЬОХ ЇЇ АГРЕГАТНИХ СТАНАХ

Вода, окис водню, H 2 0, найпростіше стійке в звичайних умовах хімічна сполука водню з киснем (11,19% водню і 88,81% кисню за масою). Вода - це безбарвна рідина без запаху і смаку (в товстих шарах має блакитний колір), якій належить найважливіша роль в геологічній історії Землі і виникнення життя, в формуванні фізичної та хімічної середовища, клімату і погоди на нашій планеті. Вода - обов'язковий компонент практично всіх технологічних процесів - як сільськогосподарського, так і промислового виробництва.

Вода входить до складу всіх живих організмів, причому в цілому в них міститься лише вдвічі менше води, ніж у всіх річках Землі. В живих організмах кількість води, за винятком насіння і спор, коливається між 60 і 99,7% по масі. За словами французького біолога Е. Дюбуа-Реймона, живий організм є l "eau animée (одушевлена ​​вода). Всі води Землі постійно взаємодіють між собою, а також з атмосферою, літосферою і біосферою.

Земна куля містить близько 16 млрд. Км3 води, що становить 0,25% маси всієї нашої планети. З цієї кількості на частку гідросфери Землі (океани, моря, озера, річки, льодовики і підземні води) припадає 1,386 млрд. Км3. Прісні поверхневі води (озера і річки) складають всього лише 0,2 млн. Км3, а водяна пара атмосфери - 13 тис. Км3.

Загальна маса розподілених по поверхні Землі снігу і льоду досягає приблизно 2,5-3,0 x 1016 т, що становить всього лише 0,0004% маси всієї нашої планети. Однак, такої кількості достатньо, щоб покрити всю поверхню земної кулі 53 метровим шаром, а якби вся ця маса раптом розтанула, перетворившись в воду, то рівень Світового Океану піднявся б у порівнянні з нинішнім приблизно на 64 метра.

Води Землі пронизують її, починаючи з найбільших висот стратосфери аж до великих глибин земної кори, досягаючи мантії, і утворюють безперервну оболонку планети - гідросферу, що включає в себе всю воду в рідкому, твердому, газоподібному, хімічно та біологічно зв'язковому стані.

Гідросфера - водна оболонка Землі, Що включає океани, моря, озера, водосховища, річки, підземні води, грунтову вологу, становить близько 1,4-1,5 млрд. Км 3, причому на частку води суші припадає лише близько 90 млн. Км 3. З них підземні води становлять 60, льодовики 29, озера 0,75, грунтова волога 0,075, річки 0,0012 млн. Км 3.

Гідросфера грала і відіграє основну роль в геологічній історії Землі, в формуванні фізичної та хімічної середовища, клімату і погоди, у виникненні життя на нашій планеті. Вона розвивалася разом і в тісній взаємодії з літосферою, атмосферою, а потім і живою природою.

В атмосферівода знаходиться у вигляді пари, туману і хмар, крапель дощу і кристалів снігу (всього близько 13-15 тис. км 3). Близько 10% поверхні суші постійно займають льодовики. На півночі і північному сході СРСР, на Алясці і Півночі Канади - загальною площею близько 16 млн. Км 2 завжди зберігається шар підгрунтя льоду (всього близько 0,5 млн. Км 3.

В земній корі- літосферіміститься, за різними оцінками, від 1 до 1,3 млрд. км3 води, що близько до змісту її в гідросфері. У земній корі значні кількості води знаходяться в зв'язаному стані, входячи до складу деяких мінералів і гірських порід (гіпс, гідратованих форми кремнезему, гідросилікати і ін.). величезні кількостіводи (13-15 млрд. км 3) зосереджені в більш глибоких надрах мантії Землі. Вихід води, що виділялася з мантії в процесі розігрівання Землі на ранніх стадіях її формування, і дав, за сучасними поглядами, початок гідросфері. Щорічне надходження води з мантії і магматичних вогнищ становить близько 1 км 3.

Є дані про те, що вода, хоча б частково, має «космічне» походження: протони, що прийшли в верхню атмосферу від Сонця, захопивши електрони, перетворюються в атоми водню, які, з'єднуючись з атомами кисню, дають H 2 O.

Вода зустрічається в природних умовах в трьох станах: твердому - у вигляді льоду і снігу, рідкому - у вигляді власне води, газоподібному - у вигляді водяної пари. Ці стану води називають агрегатними станами, або відповідно твердої, рідкої і парообразной фазами. Перехід води з однієї фази в іншу обумовлений зміною її температури і тиску. На рис. 1 приведена діаграма агрегатних станів води в залежності від температури t і тиску P. З рис.1. видно, що в області I вода знаходиться тільки в твердому вигляді, в області II - тільки в рідкому, в області III - тільки у вигляді водяної пари. Уздовж кривої AC вона знаходиться в стані рівноваги між твердою і рідкою фазами (плавлення льоду і кристалізація води); вздовж кривої AB - в стані рівноваги між рідкої і газоподібної фазами (випаровування води і конденсація пара); уздовж кривої AD - в рівновазі між твердою і газоподібної фазами (сублімація водяної пари і сублімація льоду).

Мал. 1. Діаграма агрегатних станів води в області потрійний точки А. I - лід. II - вода. III - водяна пара.

Рівновага фаз по рис.1 уздовж кривих AB, АС і AD треба розуміти як динамічну рівновагу, т. Е. Вздовж цих кривих число знову утворюються молекул однієї фази строго дорівнює числу знову утворюються молекул іншої фази. Якщо, наприклад, поступово охолоджувати воду при будь-якому тиску, то в межі опинимося на кривій AC, де буде спостерігатися вода при відповідних температурі і тиску. Якщо поступово нагрівати лід при різноманітному тиску, то опинимося на тій же кривій рівноваги АС, але з боку льоду. Аналогічно матимемо воду і водяну пару, в залежності від того, з якого боку будемо підходити до кривої AB.

Всі три криві агрегатного стану - АС (крива залежності температури плавлення льоду від тиску), АВ (крива залежності температури кипіння води від тиску), AD (крива залежності тиску пари твердої фази від температури) - перетинаються в одній точці A, що носить назву потрійної точки . За сучасними дослідженнями, значення тиску насичують парів і температури в цій точці відповідно рівні: P = 610,6 Па (або 6,1 гПа = 4,58 мм рт. Ст.), T = 0,01 ° C (або T = 273,16 К). Крім потрійний точки, крива АВ проходить ще через дві характерні точки - точку, відповідну кипіння води при нормальному тиску повітря з координатами P = 1,013 × 10 5 Па і t = 100 ° C, і точку з координатами P = 2,211 × 10 7 Па і t кр = 374,2 ° C, відповідними критичної температури - температурі, тільки нижче якої водяна пара можна перевести в рідкий стан шляхом стиснення.

Криві АС, АВ, AD відносяться до процесів переходу речовини з однієї фази в іншу, описуються рівнянням Клапейрона-Клаузіуса:

де T - абсолютна температура, що відповідає для кожної кривої відповідно до температури випаровування, плавлення, сублімації і т. д .; L - питома теплота відповідно випаровування, плавлення, сублімації; V 2 - V 1 - різниця питомих об'ємів відповідно при переході від води до льоду, від водяної пари до води, від водяної пари до льоду.

Безпосередній досвід показує, що природні води суші при нормальному атмосферному тиску переохолоджуватися (крива AF) до деяких від'ємних значень температура не кристаллизуясь. Таким чином, вода має властивість переохолоджуватися, тобто приймати температуру нижче точки плавлення льоду. Переохолоджене стан води є станом метастабільним (нестійким), в якому почався в будь-якій точці перехід рідкої фази в тверду триває безперервно, поки не буде ліквідовано переохолодження або поки не перетвориться на тверде тіло вся рідина. Здатність води приймати температуру нижче точки плавлення льоду була виявлена ​​вперше Фаренгейтом ще в 1724 р

Таким чином, льодові кристали можуть виникати тільки в переохолодженої воді. Перехід переохолодженої води в твердий стан - лід, відбувається тільки при наявності в ній центрів (ядер) кристалізації, в якості яких можуть виступати зважені частинки наносів, що знаходяться у воді, кристалики льоду або снігу, що надходять в воду з атмосфери, кристалики льоду, що утворюються в переохолодженої воді в результаті її турбулентного поступального руху, частинки інших речовин, присутніх у водній товщі.

Мал. 2. Фазова діаграма води. Ih, II - IX - форми льоду; 1 - 8 - потрійні точки.

Переохолодження води - термодинамічний стан, при якому температура води виявляється нижче температури її кристалізації. Виникає цей стан в результаті зниження температури води або ж підвищення температури її кристалізації. Температура води може бути знижена відведенням тепла, що найбільш часто зустрічається в природі, або змішанням її з солоною, наприклад морської, водою. Температура кристалізації може бути підвищена шляхом зниження тиску.

У лабораторних умовах при великому тиску і інтенсивному охолодженні дистильовану воду можна переохолодити до температури порядку - 30, а крапель - 50 ° С. Від глибини переохолодження води залежить і швидкість її кристалізації.

Таким чином, діаграму агрегатних станів води - суцільна лінія AD на рис. 1 - слід розглядати як таку, що до дуже малим тепловим навантаженням, коли вплив часу на перетворення фази мало. При великих теплових навантаженнях процес фазових перетворень буде відбуватися відповідно до штриховий кривої AF.

Температура плавлення льоду (крива AC) дуже слабо залежить від тиску. Практично крива AC паралельна горизонтальній осі: при зміні тиску від 610,6 до 1,013 × 10 5 Па температура плавлення зменшується всього лише від 0,01 до 0 ° С. Однак ця температура знижується зі збільшенням тиску тільки до певного значення, потім вона підвищується і при дуже високому тиску досягає значення близько 450 ° С (рис.1.2). Як випливає з рис. 1.2, при високому тиску лід може знаходитися і при плюсовій температурі. Нараховують до десяти різних форм льоду. Форма льоду Ih, для якої характерно зниження температури плавлення зі збільшенням тиску, відповідає звичайному льоду, що утворюється внаслідок замерзання води при нормальних умовах. Координати потрійних точок різних форм льоду, позначених на рис.1.2 арабськими цифрами 1-8, наведені в табл. 1.1. Структура і фізичні властивості всіх форм льоду істотно відрізняються від льоду Ih.

Тверде тіло (лід), як і рідина, випаровується в широкому діапазоні значень температури і безпосередньо переходить в газоподібний стан (сублімація), минаючи рідку фазу, - крива AD. Зворотний процес, т. Е. Перехід газоподібної форми безпосередньо в тверду (сублімація), здійснюється, також минаючи рідку фазу. Сублімація і сублімація льоду і снігу грають велику роль в природі.

Будова молекули води

Вода являє собою складне речовина, основною структурною одиницею якого є молекула H 2 O, що складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Схем можливого взаємного розташування атомів H і O в молекулі H 2 O за весь період її вивчення було запропоновано кілька десятків; загальновизнана в даний час схема приведена на рис. 3.

Мал. 3. Схема будови молекули води: геометрія молекули і електронні орбіти

Повну кінетичну енергію трехатомного молекули типу H 2 O можна описати таким виразом:

де і - швидкості відповідно поступального і обертального руху молекули; I x, I y, I z - моменти інерції молекули відносно відповідних осей обертання; m - маса молекули.

З цього рівняння видно, що повна енергія трехатомного молекули типу H 2 O складається з шести частин, що відповідають шести ступенів свободи: трьом поступальним і трьом обертальним.

З курсу фізики відомо, що на кожну з цих ступенів свободи при тепловій рівновазі доводиться однакову кількість енергії, що дорівнює 1/2 kT, де k = R m / N A = 1,3807 · 10 -23 Дж / К - постійна Больцмана; Т-абсолютна температура; N A = 6,0220 × 10 23 моль -1 - число Авогадро; kN A = R m = 8,3144 Дж / (моль · К) - універсальна газова постійна. тоді повна кінетична енергіятакий молекули дорівнює:

Повна кінетична енергія молекул, що містяться в грам-молекулі будь-якого газу (пара), складе:

Повна кінетична енергія W пов'язана з питомою теплоємністю cv при постійному обсязі формулою:

Підрахунок питомої теплоємності води по цій формулі для водяної пари дає значення 25 Дж / (моль · К). За досвідченим даними, для водяної пари cv = 27,8 Дж / (моль · К), т. Е. Близько до розрахункового значення.

Вивчення молекули води за допомогою спектрографічних досліджень дозволило встановити, що вона має структуру як би рівнобедреного трикутника: в вершині цього трикутника розташований атом кисню, а в підставі його - два атома водню. Кут при вершині становить 104 ° 27, а довжина сторони - 0,096 нм. Ці параметри відносяться до гіпотетичного рівноважного стану молекули без її коливань і обертань.

Відносна молекулярна маса H 2 O залежить від відносної атомної масиїї складових і має різні значення, так як кисень і водень мають ізотопи.

Кисень має шість ізотопів: 14 O, 15 O, 16 O, 17 O, 18 O, 19 O, з яких стабільні тільки три, а водень три: 1 H (проти), 2 H (дейтерій), 3 H (тритій) . Деякі з ізотопів радіоактивні, мають короткий час напіврозпаду і присутні у воді в незначних кількостях, інші ж отримані тільки штучним шляхом і в природі не зустрічаються.

Таким чином, беручи до уваги ізотопи кисню і водню, можна скласти з них кілька видів молекули H 2 O з різними відносними молекулярними масами. З них найбільш поширені молекули 1 H 2 16 O з відносними молекулярними масами 18 (звичайна вода) і молекули 2 H 2 16 O з відносними молекулярними масами 20. Останні молекули утворюють так звану важку воду. Важка вода за своїми фізичними властивостями значно відрізняється від звичайної води.

Молекулярно-кінетична теорія речовини і води

Структура води в трьох її агрегатних станах ще не може вважатися остаточно з'ясованим. Існує ряд гіпотез, що пояснюють будову пара, води і льоду.

Ці гіпотези в більшій чи меншій мірі спираються на молекулярно-кінетичну теорію будови речовини, основи якої були закладені ще М.В. Ломоносовим. У свою чергу, молекулярно-кінетична теорія виходить з принципів класичної механіки, В якій молекули (атоми) розглядаються як кульки правильної форми, електрично нейтральні, ідеально пружні. Такі молекули схильні лише механічним зіткнень і не відчувають ніяких електричних сил взаємодії. З цих причин використання молекулярно-кінетичної теорії може лише в першому наближенні пояснити будову речовини.

Газ - в нашому випадку водяна пара, - згідно з молекулярно-кінетичної теорії, представляє собою зібрання молекул. Відстань між ними у багато разів більше розмірів самих молекул. Молекули газу знаходяться в безперервному хаотичному русі, пробігаючи шлях між стінками судин, в якому укладено газ, і стикаючись один з одним на цьому шляху. Зіткнення молекул між собою відбуваються без втрати механічної енергії; вони розглядаються як зіткнення ідеально пружних кульок. Удари молекул об стінки обмежує їх судини обумовлюють тиск газу на ці стінки. Швидкість руху молекул збільшується з підвищенням температури і зменшується з її падінням.

Коли температура газу, зменшуючись від більш високих значень, Наближається до температури кипіння рідини (для води 100 ° C при нормальному тиску), швидкість молекул зменшується, і при зіткненні сили тяжіння між ними стають більше силпружних відштовхувань при ударі і тому газ конденсується в рідину.

При штучному зріджуванні газу температура його повинна бути нижче так званої критичної, якій відповідає і критичний тиск (п.1.1). При температурі вище критичної газ (пар) ніяким тиском не може бути переведений в рідину.

Величина RT кр / (P кр V кр) для всіх газів, в тому числі і для водяної пари, повинна дорівнювати 8/3 = 2,667 (тут R - газова постійна; T кр, P кр, V кр - відповідно критичні температура, тиск, обсяг). Однак для водяної пари вона дорівнює 4,46. Це пояснюється тим, що до складу пара входять не лише поодинокі молекули, але і їх асоціації.

Рідина на відміну від газу являє собою сукупність молекул, розташованих настільки близько один від одного, що між ними виявляються сили взаємного тяжіння. Тому молекули рідини не розлітаються в різні боки, як молекули газу, а тільки коливаються біля свого положення рівноваги. Разом з тим, оскільки будова рідини не цілком щільне, в ній є вільні місця - «дірки», внаслідок чого, за теорією Я.І.Френкеля, деякі молекули, що володіють більшою енергією, вириваються з свого «осілого» місця і стрибком переміщаються в сусідню «дірку», розташовану на відстані, приблизно дорівнює розміру самої молекули. Таким чином, в рідині молекули порівняно рідко переміщаються з місця на місце, а більшу частину часу перебувають в «осілого» стані, лише зазнаючи коливальні рухи. Цим, зокрема, пояснюється слабка дифузія в рідинах в порівнянні з великою її швидкістю в газах. При нагріванні рідини енергія її молекул збільшується, швидкість їх коливання зростає. При температурі 100 ° C і нормальному атмосферному тиску вода розпадається на окремі молекули H2O, швидкість яких вже в змозі подолати взаємне притягання молекул, і вода перетворюється в пар.

При охолодженні рідини (води) відбувається зворотний процес. Швидкості коливального руху молекул зменшуються, структура рідини стає міцнішою, і рідина переходить в кристалічний (тверде) стан-лід. Розрізняють два види твердих тіл: кристалічні і аморфні. Основною ознакою кристалічних тіл є анізотропія їх властивостей з різних напрямків: теплового розширення, міцності, оптичних і електричних властивостей і т. П. Аморфні тіла ізотропні, тобто. Е. Мають однакові властивості в усіх напрямках. Лід є кристалічним тілом.

У твердому тілі, на відміну від газу і рідини, кожен атом або молекула коливаються тільки біля свого положення рівноваги, але не переміщаються. У твердому тілі відсутні «дірки», в які можуть переходити окремі молекули. Тому дифузія в твердих тілах відсутня. Атоми, що становлять молекули, утворюють міцну кристалічну решітку, незмінність якої обумовлена ​​молекулярними силами. Коли температура твердого тіла наближається до температури плавлення, кристалічна решітка його руйнується, і воно переходить в рідкий стан. На відміну від кристалізації рідин плавлення твердих тіл відбувається порівняно повільно, без явно вираженого стрибка.

Кристалізація більшості рідин відбувається зі зменшенням обсягу, а плавлення твердих тіл супроводжується збільшенням обсягу. Виняток становлять вода, сурма, парафін і деякі інші речовини, у яких тверда фаза менш щільна, ніж рідка.

Структура води в трьох її агрегатних станах

Проблема оцінки структури води поки залишається однією з найскладніших. Розглянемо коротко дві узагальнені гіпотези про структуру води, отримали найбільше визнання, одна - в початковий період розвитку вчення про структуру води, інша - в даний час.

Відповідно до гіпотези, запропонованої Уайтингом (1883р.) І має до теперішнього часу різні інтерпретації, основною будівельною одиницею водяної пари є молекула H 2 O, звана гідроля, або моногідроль. Основний будівельної одиницею води є подвійна молекула води (H 2 O) 2 -дігідроль; лід же складається з потрійних молекул (H 2 O) 3 - трігідроль. На цих уявленнях заснована так звана гідрольная теорія структури води.

Водяна пара, згідно з цією теорією, складається з зборів найпростіших молекул моногідроля і їх асоціацій, а також з незначної кількості молекул дігідроля.

Вода в рідкому вигляді являє собою суміш молекул моногідроля, дігідроля і трігідроля. Співвідношення числа цих молекул у воді по-різному і залежить від температури. Відповідно до цієї гіпотези, співвідношення кількості молекул води і пояснює одну з основних її аномалій - найбільшу щільність води при 4 ° С.

Так як молекула води несиметрична, то центри ваги позитивних і негативних зарядів її не збігаються. Молекули мають два полюси - позитивний і негативний, що створюють, як магніт, молекулярні силові поля. Такі молекули називають полярними, або диполями, а кількісну характеристику полярності визначають електричним моментом диполя, що виражається твором відстані l між електричними центрами тяжіння позитивних і негативних зарядів молекули на заряд e в абсолютних електростатичних одиницях:

Для води дипольний момент дуже високий: p = 6,13 · 10 -29 Кл · м. Полярністю молекул моногідроля і пояснюється утворення дігідроля і трігідроля. Разом з тим, так як власні швидкості молекул зростають з підвищенням температури, цим можна пояснити поступовий розпад трігідроля в дігідроль і далі в моногідроль відповідно при таненні льоду, нагріванні і кипінні води.

Інша гіпотеза будови води, що розроблялася в XX столітті (моделі О.Я.Самойлова, Дж.Попла, Г.Н.Зацепіной і ін.), Заснована на уявленні, що лід, вода і водяна пара складаються з молекул H 2 O, об'єднаних в групи за допомогою так званих водневих зв'язків (Дж.Бернал і Р.Фаулер, 1933р.). Ці зв'язки виникають в результаті взаємодії атомів водню однієї молекули з атомом кисню сусідньої молекули (з сильно електронегативний елементом). Така особливість водневого обміну в молекулі води обумовлюється тим, що, віддаючи свій єдиний електрон на освіту ковалентного зв'язкуз киснем, він залишається у вигляді ядра, майже позбавленого електронної оболонки. Тому атом водню не відчуває відштовхування від електронної оболонки кисню сусідньої молекули води, а, навпаки, притягується нею, і може вступити з нею у взаємодію. Згідно з цією гіпотезою, можна припустити, що сили, що утворюють водневий зв'язок, є чисто електростатичними. Однак, згідно з методом молекулярних орбіталей, воднева зв'язок утворюється за рахунок дисперсійних сил, ковалентного зв'язку і електростатичного взаємодії.

У табл.1 показаний молекулярний склад води, льоду і водяної пари з різних літературних джерел.

Таблиця 1.1
Молекулярний склад льоду, води і водяної пари,%

Таким чином, в результаті взаємодії атомів водню однієї молекули води з негативними зарядами кисню іншої молекули утворюються чотири водневі зв'язки для кожної молекули води. При цьому молекули, як правило, об'єднуються в групи - асоціати: Кожна молекула виявляється оточеній чотирма іншими (рис. 4). Така щільна упаковка молекул характерна для води в замерзлому стані (лід Ih) і призводить до відкритої кристалічній структурі, що належить до гексогональний симетрії. При цій структурі утворюються «порожнечі - канали» між фіксованими молекулами, тому щільність льоду менше щільності води.

Підвищення температури льоду до його плавлення і вище призводить до розриву водневих зв'язків. При рідкому стані води досить навіть звичайних теплових рухів молекул, щоб ці зв'язки зруйнувати.

Мал. 4. Схема взаємодії молекул води. 1 - кисень, 2 - водень, 3 - хімічний зв'язок, 4 - воднева зв'язок.

При підвищенні температури води до 4 ° С впорядкованість розташування молекул по кристалічному типу з характерною структурою для льоду до деякої міри зберігається. Наявні в цій структурі зазначені вище порожнечі заповнюються вивільненими молекулами води. Внаслідок цього щільність рідини збільшується до максимальної при температурі 3,98 ° С. Подальше зростання температури призводить до спотворення і розриву водневих зв'язків, а, отже, і руйнування груп молекул, аж до окремих молекул, що характерно для пара.

Так в чому ж полягають загадкові, незвичайні властивості звичної всім рідкої води? Перш за все, в тому, що практично всі властивості води аномальні, а багато хто з них не підкоряються логіці тих законів фізики, які керують іншими речовинами.

Молекули води при конденсації формує рідка речовина дивовижною складності. В першу чергу це пов'язано з тим, що молекули води мають унікальну властивість об'єднуватися в кластери (групи) (Н 2 О) x. Під кластером зазвичай розуміють групу атомів або молекул, об'єднаних фізичним взаємодією в єдиний ансамбль, але зберігають всередині нього індивідуальну поведінку. Можливості прямого спостереження кластерів обмежені, і тому експериментатори компенсують апаратурні недоліки інтуїцією і теоретичних побудов.

При кімнатній температурі ступінь асоціації X для води становить, за сучасними даними, від 3 до 6. Це означає, що формула води не просто Н 2 О, а середнє між Н 6 О 3 і Н 12 О 6. Іншими словами, вода - складна рідина, "складена" з повторюваних груп, що містять від трьох до шести одиночних молекул. Внаслідок цього вода має аномальні значення температури замерзання і кипіння в порівнянні з гомологами. Якби вода підпорядковувалася загальним правилам, вона повинна була замерзати при температурі близько -100 ° С і закипати при температурі близько +10 о С.

Якби вода при випаровуванні залишалася у вигляді Н 6 О 3, Н 8 О 4 або Н 12 О 6, то водяна пара був би набагато важчий за повітря, в якому домінують молекули азоту і кисню. В цьому випадку поверхню всієї Землі була б покрита вічним шаром туману. Уявити собі життя на такій планеті практично неможливо.

Людям дуже пощастило: кластери води при випаровуванні розпадаються, і вода перетворюється практично в простій газ з хімічною формулою Н 2 О (виявлене останнім часом в парі незначна кількість димарів Н 4 О 2 погоди не робить). Щільність газоподібного води менше щільності повітря, і тому вода здатна насичувати своїми молекулами земну атмосферу,створюючи комфортні для людини погодні умови.

На Землі немає інших речовин, наділених здатністю бути рідиною при температурах існування людини і при цьому утворювати газ не тільки легший за повітря, але і здатний повертатися до її поверхні у вигляді опадів.

К.х.н. О.В. Мосін

призначеного для користувача пошуку

структура води

К.х.н. О.В. Мосін

Молекула води являє собою маленький диполь, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. Так як маса і заряд ядра кисню більше ніж у ядер водню, то електронне хмара стягується в сторону кисневого ядра. При цьому ядра водню оголюються. Таким чином, електронна хмара має неоднорідну щільність. Близько ядер водню є нестача електронної густини, а на протилежному боці молекули, близько ядра кисню, спостерігається надлишок електронної щільності. Саме така структура і визначає полярність молекули води. Якщо з'єднати прямими лініями епіцентри позитивних і негативних зарядів вийде об'ємна геометрична фігура - правильний тетраедр.

Будова молекули води (рисунок праворуч)

Завдяки наявності водневих зв'язків кожна молекула води утворює водневий зв'язок з 4-ма сусідніми молекулами, утворюючи ажурний сітчастий каркас в молекулі льоду. Однак, в рідкому стані вода - невпорядкована рідина; ці водневі зв'язку - спонтанні, короткоживучі, швидко рвуться і утворюються знову. Все це призводить до неоднорідності в структурі води.

Водневі зв'язки між молекулами води (рисунок нижче зліва)

Те, що вода неоднорідна за своїм складом, було встановлено давно. З давніх-давен відомо, що лід плаває на поверхні води, тобто щільність кристалічного льоду менше, ніж щільність рідини.

Майже у всіх інших речовин кристал щільніше рідкої фази. До того ж і після плавлення при підвищенні температури щільність води продовжує збільшуватися і досягає максимуму при 4C. Менш відома аномалія стисливості води: при нагріванні від точки плавлення аж до 40C вона зменшується, а потім збільшується. Теплоємність води теж залежить від температури немонотонно.

Крім того, при температурі нижче 30C зі збільшенням тиску від атмосферного до 0,2ГПа в'язкість води зменшується, а коефіцієнт самодифузії - параметр, який визначає швидкість переміщення молекул води відносно один одного росте.

Для інших рідин залежність зворотна, і майже ніде не буває, щоб якийсь важливий параметр поводився немонотонно, тобто спочатку ріс, а після проходження критичного значення температури або тиску зменшувався. Виникло припущення, що насправді вода це не єдина рідина, а суміш двох компонентів, які розрізняються властивостями, наприклад щільністю і в'язкістю, а отже, і структурою. Такі ідеї стали виникати в кінці XIX століття, коли накопичилося багато даних про аномалії води.

Першим ідею про те, що вода складається з двох компонентів, висловив Уайтінг в1884 році. Його авторство цитує Е.Ф.Фріцман в монографії "Природа води. Важка вода", виданої У 1935 році. У 1891 році В.Ренгтен ввів уявлення про двох станах води, які розрізняються щільністю. Після неї з'явилося безліч робіт, в яких воду розглядали як суміш ассоциатов різного складу (гідроля).

Коли в 20-і роки визначили структуру льоду, виявилося, що молекули води в кристалічному стані утворюють тривимірну безперервну сітку, в якій кожна молекула має чотирьох найближчих сусідів, розташованих у вершинах правильного тетраедра. У 1933 році Дж.Бернал і П.Фаулер припустили, що подібна сітка існує і в рідкій воді. Оскільки вода щільніше льоду, вони вважали, що молекули в ній розташовані не так, як в льоду, тобто подібно до атомів кремнію в мінералі трідіміт, а так, як атоми кремнію в більш щільною модифікації кремнезему кварці. Збільшення щільності води при нагріванні від 0 до 4C пояснювалося присутністю при низькій температурі трідімітовой компоненти. Таким чином, модель Бернала Фаулера зберегла елемент двухструктурності, але головне їх достіженіе- ідея безперервної тетраедріческоі сітки. Тоді з'явився знаменитий афоризм І.Ленгмюра: "океан-одна велика молекула". Зайва конкретизація моделі не додала прихильників теорії єдиної сітки.

Тільки в 1951 році Дж. Поплив створив модель безперервної сітки, яка була не так конкретна, як модель Бернала Фаулера. Поплив представляв воду, як випадкову тетраедричних сітку, зв'язку між молекулами в якій викривлені і мають різну довжину. Модель поплив пояснює ущільнення води при плавленні викривленням зв'язків. Коли в 60-70-і роки з'явилися перші визначення структури льодів II і IX, стало ясно, як викривлення зв'язків може призводити до ущільнення структури. Модель поплив не могла пояснити немонотонність залежності властивостей води від температури і тиску так добре, як моделі двох станів. Тому ідею двох станів ще довго поділяли багато вчених.

Але в другій половині XX століття не можна було так фантазувати про склад і будову гідроля, як це робили на початку століття. Вже було відомо, як влаштований лід і кристалогідрати, і багато знали про водневий зв'язок. Крім континуальних моделей (модель поплив), виникли дві групи змішаних моделей: кластерні і клатратного. У першій групі вода поставала у вигляді кластерів з молекул, пов'язаних водневими зв'язками, які плавали в морі молекул, в таких зв'язках які беруть участі. Моделі другої групи розглядали воду як безперервну сітку (зазвичай в цьому контексті звану каркасом) водневих зв'язків, яка містить порожнечі; в них розміщуються молекули, що не утворюють зв'язків з молекулами каркаса. Неважко було підібрати такі властивості і концентрації двох мікрофази кластерних моделей або властивості каркаса і ступінь заповнення його пустот клатратних моделей, щоб пояснити всі властивості води, в тому числі і знамениті аномалії.

Серед кластерних моделей найбільш яскравою виявилася модель Г.Неметі і Х.Шерагі: Запропоновані ними картинки, що зображують кластери пов'язаних молекул, які плавають в морі незв'язаних молекул, увійшли в безліч монографій.

Першу модель клатратного типу в 1946 році запропонував О.Я.Самойлов: в воді зберігається подібна гексагональних льоду сітка водневих зв'язків, порожнини якої частково заповнені мономірними молекулами. Л. Полінга в 1959 році створив інший варіант, припустивши, що основою структури може служити сітка зв'язків, притаманна деяким Кристалогідрат.

Протягом другої половини 60-х років і початку 70-х спостерігається зближення всіх цих поглядів. З'являлися варіанти кластерних моделей, в яких в обох мікрофази молекули з'єднані водневими зв'язками. Прихильники клатратних моделей стали допускати утворення водневих зв'язків між пустотними і каркасними молекулами. Тобто фактично автори цих моделей розглядають воду як безперервну сітку водневих зв'язків. І мова йде про те, наскільки неоднорідна ця сітка (наприклад, по щільності). Уявленням про воду як про воднево-зв'язаних кластерах, що плавають в морі позбавлених зв'язків молекул води, було покладено край на початку вісімдесятих років, коли Г.Стенлі застосував до моделі води теорію перколяції, що описує фазові переходи води.

У 1999 р відомий російський дослідник води С.В. Зенін захистив в Інституті медико-біологічних проблем РАН докторську дисертацію, присвячену кластерної теорії, яка стала істотним етапом у просуванні цього напряму досліджень, складність яких посилюється тим, що вони знаходяться на стику трьох наук: фізики, хімії та біології. Їм на підставі даних, отриманих трьома фізико-хімічними методами: Рефрактометрії (С.В. Зенін, Б.В. Тяглів, 1994), високоефективної рідинної хроматографії (С.В. Зенін з співавт., 1998) і протонного магнітного резонансу(С.В. Зенін, 1993) побудована і доведена геометрична модель основного стабільного структурного утворення з молекул води (структурована вода), а потім (С.В. Зенін, 2004) отримано зображення за допомогою контрастно-фазового мікроскопа цих структур.

Зараз наукою доведено, що особливості фізичних властивостей води і численні короткоживучі водневі зв'язку між сусідніми атомами водню і кисню в молекулі води створюють сприятливі можливості для освіти особливих структур-асоціатів (кластерів), що сприймають, зберігають і передають саму різну інформацію.

Структурною одиницею такої води є кластер, що складається з клатратов, природа яких обумовлена ​​дальніми кулоновскими силами. У структурі Кластр закодована інформація про взаємодії, що мали місце з даними молекулами води. У водних кластерах за рахунок взаємодії між ковалентними і водневими зв'язками між атомами кисню і атомами водню може відбуватися міграція протона (Н +) з естафетного механізму, що призводять до делокалізації протона в межах кластера.

Вода, що складається з безлічі кластерів різних типів, Утворює ієрархічну просторову рідкокристалічну структуру, яка може сприймати і зберігати величезні обсяги інформації.

На малюнку (В.Л. Воєйков) в якості прикладу наведені схеми декількох найпростіших кластерних структур.

Деякі можливі структури кластерів води

Переносниками інформації можуть бути фізичні полясамої різної природи. Так встановлена ​​можливість дистанційного інформаційної взаємодії рідкокристалічної структури води з об'єктами різної природи за допомогою електромагнітних, акустичних та інших полів. Впливає об'єктом може бути і людина.

Вода є джерелом надслабкого і слабкого змінного електромагнітного випромінювання. найменш хаотичне електромагнітне випромінюваннястворює структурована вода. В такому випадку може відбутися індукція відповідного електромагнітного поля, що змінює структурно-інформаційні характеристики біологічних об'єктів.

Протягом останніх років отримані важливі дані про властивості переохолоджених води. Вивчати воду при низькій температурі дуже цікаво, оскільки її вдається сильніше переохолодити, ніж інші рідини. Кристалізація води, як правило, починається на якихось неоднородностях або на стінках посудини, або на плаваючих частинках твердих домішок. Тому знайти температуру, при якій би переохолоджених вода мимовільно закристалізуватися нелегко. Але вченим вдалося це зробити, і зараз температура так званої гомогенної нуклеації, коли утворення кристалів льоду йде одночасно повсему обсягом, відома для тисків аж до0,3 ГПа, тобто захоплюючи області існування льоду II.

Від атмосферного тиску до кордону, що розділяє льоди I і II, ця температура падає от231 до180 К, а потім злегка збільшується до 190К. Нижче цієї критичної температури рідка вода неможлива в принципі.

Структура льоду (рисунок праворуч)

Однак з цієї температурою пов'язана одна загадка. У середині вісімдесятих років була відкрита нова модифікація аморфного льда- лідвисокої щільності, і це допомогло відродженню уявлень про воду як про суміші двох станів. Як прототипів розглядалися кристалічні структури, а структури аморфних льодів різної щільності. У найбільш виразному вигляді цю концепцію сформулювали Е.Г.Понятовскій і В.В.Сініцін, які в 1999 році написали: "Вода розглядається як регулярний розчин двох компонентів, локальні зміни в яких відповідають ближнього порядку модифікацій аморфного льоду". Більш того, вивчаючи ближній порядок в переохолоджених воді при високому тиску методами дифракції нейтронів, вченим вдалося знайти компоненти, які відповідають цим структурам.

Наслідком поліморфізму аморфних льодів стали також припущення про розшаруванні води на два змішуються компонента при температурі нижче гіпотетичної низькотемпературної критичної точки. На жаль, за оцінкою дослідників, ця температура при тиску 0,017 ГПа дорівнює 230К нижче температури нуклеації, тому спостерігати розшарування рідкої води нікому ще неудалось. Так відродження моделі двох станів поставило питання про неоднорідність сітки водневих зв'язків в рідкій воді. Розібратися в цій неоднорідності можна тільки з допомогою комп'ютерного моделювання.

Говорячи про кристалічній структурі води, слід зазначити, що відомо 14 модифікацій льоду, більшість з яких не зустрічаються в природі, в яких молекули води і зберігають свою індивідуальність, і з'єднані водневими зв'язками. З іншого боку існує безліч варіантів сітки водневих зв'язків в клатратних гідрати. Енергії цих сіток (льодів високого тиску і клатратних гідратів) ненабагато вище енергій кубічного і гексагонального льодів. Тому фрагменти таких структур також можуть з'являтися в рідкій воді. Можна сконструювати безліч різних неперіодичних фрагментів, молекули в яких мають по чотири найближчих сусіда, розташованих приблизно по вершинах тетраедра, але при цьому їх структура не відповідає структурам відомих модифікацій льоду. Як показали численні розрахунки, енергії взаємодії молекул в таких фрагментах будуть близькі один кдругу, і немає підстав говорити, що якась структура повинна переважати в рідкій воді.

Структурні дослідження води можна вивчати різними методами;спектроскопией протонного магнітного резонансу, інфрачервоної спекроскопіі, дифракцией рентгенівських променів і ін. Наприклад, дифракцію рентгенівських променів і нейтронів введенні вивчали багато разів. Однак докладних відомостей про структуру ці експерименти дати неможуть. Неоднорідності, що розрізняються по щільності, можна було б побачити по розсіюванню рентгенівських променів і нейтронів під малими кутами, однак такі неоднорідності повинні бути великими, що складаються з сотень молекул води. Можна було б їх побачити, і досліджуючи розсіювання світла. Однак вода виключно прозора рідина. Єдиний же результат дифракційних експериментів функції радіального розподілу, тобто відстані між атомами кисню, водню і кисню-водню. З них видно, що ніякого далекого порядку в розташуванні молекул води немає. Ці функції для води загасають набагато швидше, ніж для більшості інших рідин. Наприклад, розподіл відстаней між атомами кисню при температурі, близькій до кімнатної, дає тільки три максимуму, на 2,8, 4,5 і 6,7. Перший максимум відповідає відстані до найближчих сусідів, і його значення приблизно дорівнює довжині водневого зв'язку. Другий максимум близький до середньої довжині ребра тетраедра: згадаймо, що молекули води в гексагональном льоду розташовуються по вершинах тетраедра, описаного навколо центральної молекули. А третій максимум, виражений досить слабко, відповідає відстані до третіх і дальших сусідів по водневої сітці. Цей максимум і сам не дуже яскравий, а про подальші піки і говорити не доводиться. Були спроби отримати з цих розподілів більш детальну інформацію. Так в 1969 році І.С.Андріанов і І.З.Фішер знайшли відстані аж до восьмого сусіда, при цьому до п'ятого сусіда воно виявилося рівним 3, а до шостого 3,1. Це дозволяє робити дані про далекому оточенні молекул води.

Інший метод дослідження структури - нейтронна дифракція на кристалах води здійснюється точно також, як і рентгенівська дифракція. Однак через те, що довжини нейтронного розсіювання розрізняються у різних атомів не настільки сильно, метод изоморфного заміщення стає неприйнятним. На практиці зазвичай працюють з кристалом, у якого молекулярна структура вже приблизну іншими методами. Потім для цього кристала вимірюють інтенсивності нейтронної дифракції. За цими результатами проводять перетворення Фур'є, в ході якого використовують виміряні нейтронні інтенсивності і фази, що обчислюються з урахуванням неводородних атомів, тобто атомів кисню, положення яких в моделі структури відомо. Потім на отриманої таким чином Фур'є-карті атоми водню і дейтерію представлені з набагато більшими вагами, ніж на карті електронної щільності, тому що внесок цих атомів в нейтронне розсіювання дуже великий. За цією карткою щільності можна, наприклад, визначити положення атомів водню (негативна щільність) і дейтерію (позитивна щільність).

Можлива різновид цього методу, яка полягає в тому, що кристал утворився в воді, перед вимірами витримують у важкій воді. В цьому випадку нейтронна дифракція не тільки дозволяє встановити, де розташовані атоми водню, але і виявляє ті з них, здатні обмінюватися на дейтерій, що особливо важливо при вивчення ізотопного (H-D) -обміну. Подібна інформація допомагає підтвердити правильність встановлення структури.

Інші методи також дозволяють вивчати динаміку молекул води. Це експерименти по квазіпружної розсіювання нейтронів, надшвидкої ІК-спектроскопії іізученіе дифузії води за допомогою ЯМР або мічених атомів дейтерію. Метод ЯМР-спектроскопії заснований на тому, що ядро ​​атома водню має магнітний момент-спин, який взаємодіє з магнітними полями, постійними і змінними. За спектром ЯМР можна судити про те, в якому оточенні ці атоми і ядра знаходяться, отримуючи, таким чином, інформацію про структуру молекули.

В результаті експериментів по квазіпружної розсіюванню нейтронів в кристалах води було виміряно найважливіший параметр-коефіцієнт самодифузії при різних тисках і температурах. Щоб судити про коефіцієнт самодифузії по квазіпружної розсіювання нейтронів, необхідно зробити припущення про характер руху молекул. Якщо вони рухаються відповідно до моделі Я.І.Френкеля (відомого вітчизняного фізика-теоретика, автора "Кінетичної теорії рідин" - класичної книги, перекладеної на багатьох мови), яку називають також моделлю "стрибок-очікування", тоді час осілого життя (час між стрибками) молекули становить 3,2 пікосекунди. новітні методифемтосекундною лазерної спектроскопії дозволили оцінити час життя розірваної водневого зв'язку: протону потрібно 200 фс для того, щоб знайти собі партнера. Однак все це середні величини. Вивчити деталі будови і характеру руху молекул води можна тільки за допомогою комп'ютерного моделювання, званого іноді чисельним експериментом.

Так виглядає структура води за результатами комп'ютерного моделювання (за даними д.х.н. Г.Г.Маленкова). Загальну безладну структуру можна розбити на два типи областей (показані темними і світлими кульками), які розрізняються за своєю будовою, наприклад за обсягом багатогранника Вороного (а), ступеня тетраедрічності найближчого оточення (б), значенням потенційної енергії (в), а також по наявності чотирьох водневих зв'язків у кожної молекули (г). Втім, ці області буквально через мить, через кілька пикосекунд, змінять своє розташування.

Моделювання проводиться так. Береться структура льоду і, нагрівається до розплавлення. Потім після деякого часу, щоб вода забула про кристалічному походження, знімаються миттєві мікрофотографії.

Для аналізу структури води вибираються три параметра:
- ступінь відхилення локального оточення молекули від вершин правильного тетраедра;
потенційна енергія молекул;
-об'ём так званого багатогранника Вороного.

Щоб побудувати цей багатогранник, беруть ребро від даної молекули до найближчої, ділять його навпіл і через цю точку проводять площину, перпендикулярну ребру. Виходить об'єм, що доводиться на одну молекулу. Обсяг поліедра це щільність, тетраедрічность ступінь спотворення водневих зв'язків, енергія ступінь стійкості конфігурації молекул. Молекули з близькими значеннями кожного з цих параметрів прагнуть згрупуватися разом в окремі кластери. Області як з низькою, так і з високою щільністю володіють різними значеннямиенергії, але можуть мати і однакові значення. Експерименти показали, що області з різною будовоюкластери виникають спонтанно і спонтанно розпадаються. Вся структура води живе і постійно змінюється, причому час, за яке відбуваються ці зміни, дуже маленьке. Дослідники стежили за переміщеннями молекул і з'ясували, що вони роблять нерегулярні коливання з частотою близько 0,5 пс і амплітудою 1 ангстрем. Спостерігалися також і рідкісні повільні скачки на Ангстрема, які тривають пікосекунди. Загалом, за 30 пс молекула може зміститися на 8-10 ангстрем. Час життя локального оточення теж невелика. Області, складені з молекул з близькими значеннями обсягу багатогранника Вороного, можуть розпастися за 0,5 пс, а можуть жити і декілька пикосекунд. А ось розподіл часів життя водневих зв'язків дуже велике. Але цей час не перевищує 40 пс, а середнє значення кілька пс.

На закінчення слід підкреслити, що теорія кластерного будови води має багато підводних каменів.Наприклад, Зенін передбачає, що основною структурний елементводи-кластер з 57 молекул, утворений злиттям чотирьох додекаедрів. Вони мають загальні межі, а їх центри утворюють правильний тетраедр. Те, що молекули води можуть розташовуватися по вершинах пентагональними додекаедру, відомо давно; такий додекаедр- основа газових гідратів. Тому нічого дивного в припущенні про існування таких структур у воді немає, хоча вже говорилося, що ніяка конкретна структура не може бути переважаючою і існувати довго. Тому дивно, що цей елемент передбачається головним і що в нього входить рівно 57 молекул. З кульок, наприклад, можна збирати такіеже структури, які складаються з примикають один до одного додекаедрів і містять 200 молекул. Зенін же стверджує, що процес тривимірної полімеризації води зупиняється на 57 молекулах. Більших ассоциатов, на його думку, бути не повинно. Однак якби це було так, з водяної пари не могли б осідати кристали гексагонального льоду, які містять велику кількість молекул, пов'язаних воєдино водневими зв'язками. Зовсім не ясно, чому зростання кластера Зеніна зупинився на 57 молекулах. Щоб піти від протиріч, Зенін і упаковує кластери в більш складні освіти-ромбоедри- з майже тисячі молекул, причому вихідні кластери один з одним водневих зв'язків не утворюють. Чому? Чим молекули на їх поверхні відрізняються від тих, що всередині? На думку Зеніна, візерунок гідроксильних груп на поверхні ромбоедрів і забезпечує пам'ять води. Отже, молекули води в цих великих комплексах жорстко фіксовані, і самі комплекси являють собою тверді тіла. Така вода не буде текти, а температура її плавлення, яка пов'язана з молекулярною масою, повинна бути досить високою.

Які властивості води пояснює модель Зеніна? Оскільки в основі моделі лежать тетраедричних споруди, її можна в тій чи іншій мірі погодити з даними по дифракції рентгенівських променів і нейтронів. Однак навряд чи модель може пояснити зменшення щільності при плавленіі- упаковка додекаедрів менш щільна, ніж лід. Але найважче узгоджується модель з динамічними властивостями-плинністю, великим значенням коефіцієнта самодифузії, малими часом кореляції і діелектричної релаксації, які вимірюються пікосекунди.

К.х.н. О.В. Мосін

Список літератури:
Г.Г. Маленков. Успіхи фізичної хімії, 2001.
С.В.Зенін, Б.М. Полануер, Б.В. Тяглів. Експериментальне доказ наявності фракцій води. Ж. Гомеопатична медицина і акупунктура. 1997.№2.С.42-46.
С.В. Зенін, Б.В. Тяглів. Гідрофобна модель структури асоціатів молекул води. Ж.Фіз.хіміі.1994.Т.68.№4.С.636-641.
С.В. Зенін Дослідження структури води методом протонного магнітного резонансу. Докл.РАН.1993.Т.332.№3.С.328-329.
С.В.Зенін, Б.В.Тяглов. Природа гідрофобної взаємодії. Виникнення орієнтаційних полів у водних розчинах. Ж.Фіз.хіміі.1994.Т.68.№3.С.500-503.
С.В. Зенін, Б.В. Тяглів, Г.Б.Сергеев, З.А. Шабарова. Дослідження внутрішньо молекулярних взаємодій в нуклеотідамідах методом ЯМР. Матеріали 2-й Всесоюзній конф. За динамічний. Стереохімії. Одесса.1975.с.53.
С.В. Зенін. Структурований стан води як основа управління поведінкою і безпекою живих систем. Дисертація. Доктор біологічних наук. Державний науковий Центр "Інститут медико-біологічних проблем" (ГНЦ "ІМБП"). Захищена 1999. 05. 27. УДК 577.32: 57.089.001.66.207 с.
В.І. Слєсарєв. Звіт про виконання НДР