title-icon
Яндекс.Метрика
» » Структура воды

Структура воды

Тридцатые годы нашего века принесли новое крупное открытие, связанное с изучением воды; английские физики Дж. Бернал и Р. Фаулер на основании рентгенографических и спектроскопических исследований установили, что молекулы воды определенным образом упорядочены, каждая молекула воды окружена по тетраэдру четырьмя другими. Тем самым была подтверждена высказанная в конце XVIII в. В. Рентгеном мысль о сложном строении жидкой воды и существовании между отдельными молекулами дополнительных связей. Это явление ученые называют структурой воды, хотя понятно, что полностью отождествлять его с кристаллической решеткой твердых веществ нельзя, так как жидкая вода является смесью мономерных и полимерных молекул, связи между отдельными мономерами динамичны: они постоянно появляются, разрушаются, усиливаются, ослабевают.
Главной причиной существования структуры воды является особый тип связи между отдельными атомами — водородной. Эта связь имеет электростатическую природу, но она слабее нормальной валентной связи между атомами водорода и кислорода, образующими отдельные мономеры. В каждом мономере H2O расстояние между атомами водорода и кислорода составляет 0,1 нм, а угол, образуемый между валентными связями, — около 105°. В водородной связи расстояние между атомами увеличивается до 0,176 нм, причем оно не является строго постоянным.
Существует несколько моделей структуры воды, основанных на идее соединения отдельных мономеров водородной связью. Дж. Бернал и Р. Фаулер предположили существование трех типов расположения молекул: а) структуры, приближающиеся к кристаллической решетке льда, существуют при температуре от 0 до 4°С; б) структуры типа кварца, преобладают при температуре 4—200 °С; в) структуры с плотной упаковкой, характерной для нормальных жидкостей (почти лишенные водородных связей), возникают при температуре выше 200 °C.
Интересный подход к интерпретации структурных особенностей воды предложил итальянский физик М. Аджено (1967 г.). Cогласно его представлениям, каждая молекула воды может участвовать не более чем в двух, но так называемых коллективных, водородных связях, в результате чего сочетание валентных и водородных связей образует звенья разных типов (рис. 2.2). Эти звенья могут формировать цепочки, кольца и более сложные системы, непрерывно образующиеся, разрушающиеся, обменивающиеся молекулами. При этом общее число водородных мостиков в системе остается постоянным и возможные типы агрегатов присутствуют в воде в разных пропорциях в статистическом равновесии, определяемом температурой. Кольца из шести молекул, видимо, приближаются к структуре льда.

С позиций структурного строения жидкой воды объясняются все ее аномальные свойства. Необходимость разрушения водородных связей предопределяет высокую энергоемкость воды, в результате чего аномально высокими становятся точки плавления и кипения, теплоемкость и скрытые теплоты плавления и парообразования. При охлаждении воды в интервале температур от 4 до 0 °C происходит перестройка структуры от более плотной тетрагональной к гексагональной упаковке льда. Прочная связь между молекулами воды делает ее инертной по отношению к растворенным веществам. Поскольку структура воды формируется электростатическими связями, на нее воздействуют различные поля (температурное, геодинамическое, магнитное, электрическое).
С повышением температуры структура воды начинает разрушаться. Оценки разных авторов, подсчитывавших процент молекул с сохранившимися водородными связями, близки: в холодной воде структурировано около половины молекул, по достижении температуры 100 °С структурные связи сохраняются примерно у 30 % молекул, а при приближении к критической температуре (374 °C) структурированные молекулы исчезают.
При приложении давления молекулы жидкостей сближаются и их вязкость повышается. Совсем по-иному ведет себя вода. Первые ступени нагрузок приводят к перестройке структуры воды, заполнению межмолекулярных пустот, сопровождающемуся уменьшением ее вязкости, и только начиная с давлений около 100 МПа (достаточно высоких для природных условий), начинается постепенное повышение вязкости.
Влияние температуры и давления на изменение структуры воды навели специалистов на мысль о возможности имитации свойств воды, находящейся на больших глубинах (т. е. при высоких температурах и давлениях), и привели к открытию так называемой активированной воды. После обработки воды в автоклавах при температурах 300—400 °C и давлениях до 100 МПа усиливается растворяющая способность воды по многим минералам, уменьшается pH, увеличивается электропроводность. Обнаружение активированного состояния у воды термальных минеральных источников наводит на мысль о том, что целебные свойства некоторых типов минеральных вод могут быть связаны не только с их химическим составом, но и с повышением биологической активности воды при ее активации. Открытие явления активации не только позволяет объяснить некоторые свойства гидротермальных растворов, но и открывает перспективы искусственного приготовления минеральных вод.
При помещении воды в электрическое поле могут произойти определенные изменения ее структуры. Так, электрический ток ослабляет структурные связи и после обработки воды переменным электрическим током скорость испарения увеличивается (по имеющимся немногочисленным данным на 11—18 %). Замечено влияние электрических полей на интенсивность поглощения водой световых лучей.
Положительное воздействие на человеческий организм воды, побывавшей в магнитном поле, было замечено еще в средние века. В 1945 г. бельгийский инженер Т. Вермайерн запатентовал простой способ уменьшения интенсивности образования накипи в паровых котлах с помощью предварительной магнитной обработки воды. В настоящее время этот метод борьбы с накипью находит очень широкое применение. Достаточно сослаться на опыт многих ТЭЦ (Ростовская, Астраханская и др.), ГРЭС (Симферопольская, Саратовская), заводов, шахт и других предприятий.
При замачивании семян многих сельскохозяйственных культур, цветов и фруктов омагниченной водой резко возрастает их всхожесть. В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются даже специальные устройства для омагничивания воды, рекомендуемые сельскохозяйственным предприятиям и садоводам.
Структурные свойства воды и существование нескольких изотопов кислорода и водорода являются причиной того, что вода может образовывать много физико-химических разновидностей. Вот некоторые из них.
Вода-II. В начале 60-х годов костромской ученый Н.Н. Федякин обнаружил чрезвычайно интересное явление: при конденсировании паров воды в тонких кварцевых капиллярах (диаметром 5— 20 мкм) образуется жидкость, которая по свойствам значительно отличается от обычной воды. Позднее эта жидкость, названная вода-II, изучалась крупными советскими и зарубежными исследователями, в частности большим коллективом ученых во главе с Б.В. Дерягиным. Было обнаружено, что вода-II представляет собой вязкую жидкость с плотностью около 1 г/см3 и показателем преломления 1,49 (против 1,33 для обычной воды). Эта жидкость переходит в твердое состояние при охлаждении до —35/—40°C без скачка объема. Температура кипения воды-II при атмосферном давлении примерно 250 °С. Вода-II обладает уникальным инфракрасным спектром поглощения, не отвечающим ни одному из известных веществ. Модифицированное состояние полученного вещества устойчиво и сохраняется при перегонке (эта процедура была использована для укрупнения порций воды-II). Было доказано, что вновь полученное вещество строго отвечает формуле H2O; кварц, видимо, выполняет роль катализатора при синтезе воды-II.
Исследование воды-II привело Б.В. Дерягина и его сотрудников к выводу о возможности существования особого типа прочной молекулярной связи между водородом и кислородом, формирующей полимеры, состоящие из 6—10 мономерных молекул Н2О. Пока трудно определить роль воды-II в природных системах, но ясно, что ее исследование сулит определенные перспективы в исследовании глубинных геологических процессов.
Тяжелая вода. В настоящее время известно три изотопа водорода (1H-протий, 2H-дейтерий D, 3H—тритий Т) и три изотопа кислорода (16О, 17О и 18О). Это означает, что может существовать значительное количество разновидностей воды с разными изотопными комбинациями. Наиболее устойчивой из них является так называемая тяжелая вода D2O, содержащаяся в виде примеси в обычной воде в сотых долях процента. По свойствам тяжелая вода существенно отличается от обычной: максимальная плотность отмечается при t = 11,2 °C и составляет 1,056 г/см3; вязкость на 20 % выше; диэлектрическая постоянная на 0,3—0,5 % ниже. Температура плавления тяжелой воды 3,8 °С; температура кипения 101,4 °C. Судя по приведенным данным и ряду других данных, дейтериевая связь является еще более прочной, чем водородная. Используется тяжелая вода как замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Тяжелая вода токсична, живые существа и растения в ней погибают. Некоторые ученые связывают эволюцию жизни на нашей планете с изменениями концентрации дейтерия в воде: в частности, пониженной по сравнению с современной концентрацией дейтерия в воде объясняют существование гигантских травоядных в мезозое. Впрочем, положения эти носят спорный характер.
Приведенные здесь лишь два примера разновидностей воды, предопределяемых ее сложной структурой и изотопией, показывают, насколько неисчерпаемы перспективы появления новых открытий при изучении такого удивительного вещества, как вода.

title-icon Подобные новости