8. Структура воды на твердых поверхностях

Многие вещества способны поглощать (адсорбировать) на своей поверхности воду из окружающей среды за счет нескомпенсированного силового поля. Наиболее сильно молекулы воды адсорбируются на поверхности веществ, которые способны связывать их в результате взаимодействия химического характера, то есть за счет хемосорбции. Она наблюдается, например, при адсорбции водяных паров на поверхности некоторых оксидов металлов. В этом случае образуется лишь мономолекулярный слой связанной воды. К этой форме адсорбции примыкает поглощение воды на поверхности многих ионных кристаллов, когда молекулы воды взаимодействуют с катионами с образованием донорно-акцепторных связей, или с анионами с образованием водородных связей, или притягиваются ионами в результате ион-дипольного взаимодействия. Адсорбция воды в более слабой форме происходит и под влиянием физических факторов за счет нескомпенсированного электростатического поля частиц (атомов, ионов, молекул) поверхности. Адсорбция молекул воды твердыми поверхностями имеет много общего с гидратацией ионов и молекул в растворах, то есть представляет собой воздействие активных центров поверхностей на трансляционное движение молекул воды и оказывает влияние на поляризацию отдаленных молекул. В результате ближайшие к поверхности молекулы воды оказываются прочно связанными и закономерно ориентированными, структура воды при этом упорядочивается. Толщина слоя такой прочно связанной воды очень невелика. С удалением от поверхности сила связи ослабевает и ориентирование молекул воды также ослабевает. В зависимости от удаленности молекул воды от поверхности и, соответственно, от уровня энергетической связи с поверхностью адсорбционно-связанную воду подразделяют на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную). Силы связи между поверхностью и прочносвязанной водой очень велики, но радиус их действия мал и составляет доли микрона. Толщина слоя прочносвязанной воды в большей мере зависит от химического состава поверхности: наибольшая толщина слоя прочно адсорбированной воды характерна для минералов и материалов на основе силикатов, в меньшей мере – для минералов карбонатных пород и ещё меньше для сульфидов. Вследствие высокой упорядоченности структуры прочносвязанная вода по свойствам сильно отличается от свойств жидкой воды в обычном состоянии и приближается к её свойствам в кристаллическом состоянии. Она имеет гораздо меньшее давление насыщенного пара, поскольку в ней ограничено движение молекул, плотность её в среднем равна 1,5 г/см, температура замерзания около –80°С, диэлектрическая проницаемость её составляет 2,0-2,2, поэтому растворяющая способность очень мала. По мере увеличения расстояния от твердой поверхности силы притяжения молекул воды ослабевают и за слоем прочносвязанной воды находится рыхлосвязанная вода. Она образует вокруг минерала как бы пленку, которая удерживается вблизи минерала, благодаря межмолекулярным силам между молекулами связанной воды, сильнополяризованным силовым полем поверхности. Эффект поляризации распространяется в более слабой степени на последующие слои. Ориентирующее действие полярной поверхности и повышение связанности воды могут проявляться на расстоянии порядка 10^-6 см, вызывая, в частности, её повышенную вязкость, более низкую температуру замерзания (-1÷-1,5°С) по сравнению со свободной водой. На практике соотношения между прочносвязанной и рыхлосвязанной водой сильно усложняются в связи с тем, что вместо чистой воды в процессе участвуют различные природные или другие воды, содержащие растворенные электролиты, газы и другие вещества. Эти примеси оказывают влияние на количество связанной воды за счет образования вокруг них гидратных оболочек.

Большое количество адсорбционно-связанной воды находится в микротрещинах и у стенок поровых каналов большого диаметра горных пород, преимущественно глинистых. Количество связанной воды в глинах (примерно 600 млн км³-) соизмеримо по объёму с количеством воды в океанах и морях. Гигроскопическая вода настолько прочно связана с частицами породы, что не способна передвигаться в пустотах породы под действием силы тяжести. Пленочная вода способна передвигаться по породам от мест, где толщина пленки большая, к местам, где пленки тоньше. Движение по стенкам пустот происходит до тех пор, пока пленки не станут равной толщины. При тектонических движениях, уплотнении пород и других процессах пленочная вода отжимается из пород или, наоборот, засасывается в них. С этим связаны многие важные явления формирования химического состава подземных вод, рудообразования, нефте- и газообразования.

Вода может находиться и между двумя твердыми поверхностями в узких капиллярах. Такая вода называется капиллярной. Роль капилляров могут играть поры соответствующего размера, любые по геометрической форме. Вода заполняет капилляры в грунтах, горных породах, бетонах и т.д. и удерживается в них за счет сил поверхностного натяжения. По своей структуре и свойствам капиллярная вода является рыхлосвязанной, то есть переходной между связанной и свободной. Например, вода, связанная капиллярными силами в относительно широких капиллярах, обладает давлением пара, близким к давлению насыщения, и поэтому замерзает почти при 0°С. При переходе к более узким капиллярам вода становится более связанной, давление пара понижается и соответственно понижается температура её замерзания (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость температуры замерзания капиллярной воды от давления насыщенного пара, равновесного с ней:

1 – свободная вода;

2, 3, 4 – капиллярная вода по мере уменьшения диаметра капилляров

В гелях и студнях вода одновременно может находиться в прочносвязанном, рыхлосвязанном и свободном состоянии.