4. Судың аномальдік қасиеттері

Су табиғатта көп таралған элементтердің бірі. Судың химиялық формуласы Н2О қарапайым болғанымен, қасиеттері бойынша ол күрделі зат болып табылады. Су құрылысын анықтауға арналған бірқатар теориялар бар. Олардың бірі Уайтинг (1883 ж.) жасаған және Тамман (1892 ж.), Рентген (1892 ж.), Рамон-Рао (1933 ж.) қолдаған теориялар. Бұл теория бойынша су бір молекулалы – гидроль, қосарланған молекулалы – дигидроль және үш молекулалы – тригидроль жиынтығынан тұрады. Бұл агрегаттардың

құрамы су температурасына байланысты өзгеріп отырады.

Уайтинг ұсынған гипотеза (1883 ж.) және оның қазіргі кезге дейінгі әртүрлі интерпретациялары бойынша су буының негізгі құрылымдық бірлігі болып Н2О молекуласы саналады. Н2О – гидроль немесе моногидроль деп аталады. Судың негізгі құрылымдық бірлігі (Н2О)2 – дигидроль; мұз үш молекуладан (Н2О)3 – тригидрольдан құралады. Су сұйық кезінде моногидроль, дигидроль және тригидроль жиынтығынан тұрады. Бұл молекулалардың судағы қатынасы әр түрлі, ол температураға байланысты болып келеді. Су молекуласы симметриялы емес болғандықтан (1.3-сурет) оң және теріс зарядтардың ауырлық центрлері бір-біріне сәйкес келмейді. Молекуланың екі полюсы бар – оң және теріс, олар өз кезегінде магнит түрінде молекулярлық өрістер туғызады. Мұндай молекулалар полярлық немесе дипольдар деп аталады, ал полярлық сипаттаманың сандық мөлшерін дипольдық электрлік момент анықтайды. Су үшін дипольдық момент өте жоғары: p=6,13·10-29 Кл ⋅ м. Соңғы жылдары жасалып жатырған басқа гипотеза (О.Я. Самойлов, Дж.Попл, Г.Н. Зацепина және т.б. модельдері) мұз, су және су буы сутегілік байланыс көмегімен топқа біріккен H2O молекулаларынан тұрады (Дж. Бернал және Р. Фаулер, 1933 ж.). Бұл байланыстар бір молекуланың сутегі атомдарының көрші молекуланың оттегі атомымен өзара әрекеттесуі нәтижесінде туады. Сонымен бір молекуланың сутегі атомдарының басқа молекуланың теріс зарядты оттегі атомымен өзара әрекеттесуі нәтижесінде судың әр молекуласы үшін төрт сутектік байланыс орнайды. Бұл жағдайда әдетте молекулалар топтарға – ассоциаттарға бірігеді: әр молекула төрт басқа молекулалардың қоршауында болады. Судың (H2O) салыстырмалы молекулярлық массасы оны құрайтын атомдардың массаларына тәуелді, оттегі және сутегі атомдарының келесі изотоптары кездеседі:

оттегінің алты изотопы – 14О, 15О, . . . 19О, ал сутегінің үш – 1 Н (протий), 2 Н (дейтерий), 3 Н (тритий) бар. Бірқатар изотоптары радиоактивті, қысқа уақытта жартылай ыдырайды, сондықтан суда өте аз мөлшерде кездеседі, ал басқа изотоптарды жасанды жолмен алуға болады, олар табиғатта кездеспейді. Сонымен оттегі мен сутегінің изотоптарынан H2O молекуласының әр түрлі салыстырмалы массалар түрлерін алуға болады. Олардың ішінде кең тарағаны – 1 Н2 16О – салыстырмалы массасы 18 болып келетін кәдімгі су. Сондай-ақ табиғатта өте аздаған мөлшерде салыстырмалы массасы 20 болып келетін судың молекуласы 2 Н2

16О түріндегі болып келетін сулар кездеседі. Оларды ауыр су деп атайды.

5. Судың бір күйден екінші күйге ауысу диаграммасы

АС қисығы бойымен су қатты және сұйық күйлері аралығында тепе-теңдік күйінде (мұздың еруі және судың кристалдануы); АВ қисығы бойымен – сұйық және газ түріндегі фазалары аралығында тепе-теңдік күйінде (судың булануы және бу конденсациясы); АД қисығы бойымен – қатты және газ күйіндегі фазалары аралығындағы тепе-теңдік күйінде (су буының сублимациясы және мұз возгонкасы) болады.

1.1-суретте АВ, АС және АД қисықтары бойымен су фазаларының тепе-теңдігін динамикалық тепе-теңдік түрінде түсіну керек, яғни бұл қисықтардың бойымен бір фазадан жаңа пайда болған молекулалар саны басқа фазадан пайда болған молекулалар санына тең.

Судың агрегаттық күйлерінің барлық үш қисығы – АС (мұздың еру температурасының қысымға тәуелділігі), АВ (судың қайнау температурасының қысымға тәуелділігі), АД (қатты фаза буы қысымының температураға тәуелділігі) бір А нүктесінде қиылысады, бұл А нүктесі үштік нүкте деп аталады. Қазіргі кездегі зерттеулер бойынша бұл нүктедегі қаныққан будың қысымы және температурасы келесі шамаларға тең: Р=610,6 Па (немесе 6,1 гПа=4,58 сынап бағанасы бойынша), t=0,01 о С) немесе Т=273,16 К). АВ қисығы үштік нүктемен қоса тағы екі сипатты нүктелер арқылы өтеді. Олар: 1) судың қайнау температурасына сәйкес келетін нүкте – қалыпты қысымда Р=1,013⋅105 Па және температура t=100 о

С-та байқалады;