1.2. Строение молекулы воды

Вода представляет собой сложное вещество, основной структурной единицей которого является молекула H₂O, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Схем возможного взаимного расположения атомов H и O в молекуле H₂O за весь период ее изучения было предложено несколько десятков; общепризнанная в настоящее время схема приведена на рис. 1.3.

Полную кинетическую энергию трехатомной молекулы типа H₂O можно описать следующим выражением:

(1.2)

где и — скорости соответственно поступательного и вращательного движения молекулы; I_x, I_y, I_z — моменты инерции молекулы относительно соответствующих осей вращения; m — масса молекулы.

Рис. 1.3. Схема строения молекулы воды:

геометрия молекулы и электронные орбиты

Из уравнения (1.2) видно, что полная энергия трехатомной молекулы типа H₂O состоит из шести частей, отвечающих шести степеням свободы: трем поступательным и трем вращательным.

Из курса физики известно, что на каждую из этих степеней свободы при тепловом равновесии приходится одинаковое количество энергии, равное ¹/₂ kT, где k=R_m/N_A= 1,3807·10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура; N_A = 6,0220·10²³ моль^-1 — число Авогадро; kN_A=R_m= 8,3144 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная. Тогда полная кинетическая энергия такой молекулы

(1.3)

Полная кинетическая энергия молекул, содержащихся в грамм-молекуле любого газа (пара), составит

(1.4)

Полная кинетическая энергия W связана с удельной теплоемкостью при постоянном объеме формулой

( 1.5)

Подсчет удельной теплоемкости по формуле (1.5) для водяного пара дает значение 25 Дж/(моль·К). По опытным данным, для водяного пара c_v = 27,8 Дж/(моль·К), т. е. близко к расчетному значению.

Изучение молекулы воды с помощью спектрографических исследований позволило установить, что она имеет структуру как бы равнобедренного треугольника: в вершине этого треугольника расположен атом кислорода, а в основании его — два атома водорода. Угол при вершине составляет 104°27, а длина стороны — 0,096 нм. Эти параметры относятся к гипотетическому равновесному состоянию молекулы без ее колебаний и вращений.

Относительная молекулярная масса H₂O зависит от относительной атомной массы ее составляющих и имеет различные значения, так как кислород и водород имеют изотопы. Кислород имеет шесть изотопов: ¹⁴O, ¹⁵O, .... ¹⁹O, а водород три: ¹H (протий), ²H (дейтерий), ³H (тритий). Некоторые из изотопов радиоактивны, имеют короткое время полураспада и присутствуют в воде в незначительных количествах, другие же получены только искусственным путем и в природе не встречаются.

Таким образом, принимая во внимание изотопы кислорода и водорода, можно составить из них несколько видов молекулы H₂O с различными относительными молекулярными массами. Из них наиболее распространены молекулы ¹H₂¹⁶O с относительными молекулярными массами 18 (обычная вода) и молекулы ²H₂¹⁶O с относительными молекулярными массами 20. Последние молекулы образуют так называемую тяжелую воду. Тяжелая вода по своим физическим свойствам значительно отличается от обыкновенной воды.