3. Структура воды

Структура воды имеет большое значение для объяснения её свойств и процессов, связанных с её участием. Структура жидкой воды в настоящее время точно не установлена, о чем свидетельствуют десятки теорий. В основе этих теорий лежит представление о подобии структуры жидкой воды структуре льда.

Известно 13 полиморфных модификаций льда, устойчивость которых зависит от температуры и давления. При 0°С и давлении I атм. устойчивым является лед, имеющий гексагональную кристаллическую решетку (рис. 3). В кристалле льда каждая молекула воды окружена тетраэдрически четырьмя другими молекулами, которые стягиваются с ней водородными связями. Из рисунка видно, что такое соединение молекул воды приводит к возникновению ажурного каркаса, имеющего свободные полости – «пустоты», размеры которых превышают размеры самих молекул.

Водяной пар не имеет структуры, он состоит преимущественно из одиночных молекул воды и, как уже упоминалось, частично из ассоциатов из двух и трех молекул. Многие ученые полагают, что структура жидкой воды занимает промежуточное положение между паром и структурой льда. Они считают, что при плавлении льда часть водородных связей разрушается и пустоты кристаллического каркаса льда, слегка нарушенного тепловым движением молекул, частично заполняются освободившимися одиночными молекулами. С повышением температуры степень заполнения полостей каркаса молекулами воды увеличивается. Согласно теории, разработанной советским ученым Самойловым, в результате теплового движения молекулы приобретают способность к трансляционному (скачкообразному) переходу в полостях каркаса от одного положения равновесия к другому. Существуют два положения равновесия в узлах льдоподобных каркасов и в их полостях. Скачкообразно могут перемещаться только молекулы, обладающие повышенной энергией, т.е. активированные молекулы. Время перехода молекул из одного состояния в другое, а оно происходит преимущественно по пустотам, составляет величину порядка 10^–13 с.

4. Физические свойства воды

Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. По ряду физических свойств чистая вода обнаруживает по сравнению с другими химическими соединениями необычные – аномальные – отклонения. Аномалии свойств воды, имеющие исключительное значение в природе и жизни, связаны с её структурными особенностями и со способностью образовывать молекулярные агрегаты.

Аномалия плотности заключается в том, что плотность льда (0,9168г/см³ при 0°С) меньше, чем у жидкой воды (0,9982 г/см³ при 20°С), а максимум плотности (0,99997 г/см³) достигается при 4°С. Это связано со структурными превращениями, происходящими с водой при изменении температуры. При увеличении температуры от более низкой до +4°С часть водородных связей в структуре льда разрушается. В среднем на каждую молекулу в этих условиях приходится уже не 4 водородные связи, а 3,4. Среднее время существования каждой водородной связи в жидкой воде очень мало и составляет менее 10^–9 секунды. Освободившиеся молекулы воды попадают в полости льдоподобного каркаса, что приводит к уменьшению объёма и повышению плотности жидкой воды по сравнению со льдом. При температуре выше 4°С процесс заполнения пустот уже не компенсируется увеличением объёма воды за счет роста интенсивности теплового молекулярного движения. В результате объём воды начинает увеличиваться, а плотность уменьшается. При охлаждении воды протекают обратные процессы. Замерзание её сопровождается увеличением объёма примерно на 10%. Это может привести к разрыву труб, емкостей, к развитию трещин в скальных породах, разрушению бетона, цементного камня при нахождении их в условиях мерзлоты.

Аномально высокая теплоемкость воды (4,178 Дж/г К при 20^оС) связана с затратой тепла не только на повышение температуры, но и на частичный разрыв водородных связей и заполнение молекулами воды пустот структуры. Эта особенность воды существенно влияет на климат и жизнь живых организмов.

Крайне высокая величина теплоты испарения воды (2250 кДж/кг при 22°С), которая обусловливает величину работы для преодоления сил притяжения и перевода вещества из жидкого в газообразное состояние, объясняется относительной прочностью водородных связей.

Высокий дипольный момент воды при сравнительно небольшом молекулярном объёме обусловливает в электрическом поле особенно сильную поляризацию, которая характеризуется аномально высокой диэлектрической проницаемостью, равной 81. Диэлектрическая проницаемость представляет собой число, показывающее, во сколько раз силы взаимодействия частиц какого-либо вещества уменьшаются в растворителе по сравнению с силами их взаимного притяжения в пустоте. Высокая диэлектрическая проницаемость обусловливает высокую растворяющую и диссоциирующую способность воды.

Из всех жидкостей (за исключением ртути) вода обладает самым высоким поверхностным натяжением (73.10^-3 Н/м при 18 °С). Это свойство определяет многие поверхностные явления.