1. Структура воды

Вода в качестве промывочной жидкости находит широкое применение при бурении устойчивых горных пород.

Под структурой воды понимают наличие устойчивых связей атомов в молекуле воды и порядок их соединения.

Вода, как известно - это природное неорганическое соединение, имеющее молекулярное строение, близкое соединениям водорода с галогенами: HI, НСl, HBr, соединениям водорода c серой H₂S, селеном H₂Se, теллуром Н₂Те, азотом NH₃. углеродом СН₄ и т.д. Однако в отличие от воды все перечисленные соединения в атмосферных условиях являются газами, хотя молекулярный вес большинства из них превышает молекулярный вес воды. Вода же является жидкостью. Такая аномалия объясняется наличием связей между молекулами, обусловленных специфическим строением молекул воды.

Молекула воды, состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Атом кислорода на втором энергетическом уровне имеет два подуровня: 2S (орбиталь с двумя электронами 2 S²) и 2Р (с четырьмя электронами: орбиталъ с двумя электронами 2Р² и два неспаренных электрона).

Совместно с электронами двух атомов водорода Н неспаренные электроны кислорода образуют спаренные орбитали (рис. 1.1). Таким образом, образуется ковалентная связь между атомом кислорода и двумя атомами водорода. Длина этой связи 0,96 А.

Рис. 1.1. Схема строения молекулы воды

Совместно с электронами двух атомов водорода Н неспаренные электроны кислорода образуют спаренные орбитали (рис. 1.1.). Таким образом, образуется ковалентная связь между атомом кислорода и двумя атомами водорода. Длина этой связи 0,96 А.

Энергия связи Н-ОН составляет 493 кДж/молъ.

Рис. 1.2. Схема строения молекулы воды

Молекулы воды состоят из гетерогенных атомов, отличающихся энергией связи, а, следовательно, различной электроотрицательностью. В результате большой разности электроотрицательностей кислорода (3,5) и водорода (2,1) как спаренные орбитали, так и орбитали с неподеленными парами подвергаются гибридизации типа ЗР³. Орбитали вытягиваются в сторону образования связей. Молекула воды принимает форму тетраэдра, в двух вершинах которого расположены атомы водорода (рис. 1.2.). Угол между спаренными орбиталями составляет 104,5.

Поскольку электроотрицательность атомов водорода и кислорода значительно отличаются, то, как было отмечено выше, ионное облако (спаренная орбиталь) смещается в сторону более электроотрицательного атома (атома кислорода), молекула воды поляризуется: на атоме кислорода (в вершинах орбиталей с неподеленными электронными парами) возникает отрицательный заряд, а на атомах водорода - положительный заряд. За счет разноименности зарядов вершин, образованных таким образом молекул (диполей) воды возникает их взаимное притяжение по вершинам тетраэдров, что и обусловливает прочность связи молекул воды.

Энергия межмолекулярного взаимодействия молекул воды складывается из всех трех видов ван-дер-ваальсового взаимодействия (ориентационного, индукционного и дисперсного) и энергии водородной связи.