4. Строение молекулы воды. Структура воды.

Основу природных вод составляет химическое соединение, имеющее формулу Н₂О. молекула воды состоит из двух атомов Н и 1 атома О. ядра атомов в молекуле воды расположены по углам равнобедренного треугольника. В вершине находится ядро атома О.

а – радиус молекулы

b- межъядерное расстояние

с – расстояние между двумя ядрами Н

L- угол, образовавшийся радиусами ОН

b=0,0958 нм – для газа L=104⁰27^,

b=0,09572 нм – в жидкой фазе L=104⁰31^,

b=0,099 нм – в твердой фазе

Колебательное, вращательное и электронное возбуждение молекул Н₂О вызывает изменения размеров и формы молекулы. Причем энергетически выгодной является одновременная деформация угла и длины связи ОН.

Электронное облако молекулы Н₂О имеет вид 4 лепестков, направленных к вершинам неправильного тетраэдра. В 2х вершинах одной грани находятся электронные пары, осуществляющие связь ОН, а в 2х вершинах противоположной грани находятся неподеленные электронные пары атома О.

Электронное облако в Н₂О смещается к атому О, поскольку он имеет большую электроотрицательность. Вследствие этого вблизи ядер атома Н образуется избыток положительного заряда, поэтому молекула Н₂О является полярной. Полярные молекулы характеризуются электрическим моментом диполя. Электрический момент диполя влияет на свойства Н₂О. он представляет собой произведение одного из зарядов на расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов.

Р=6*10^-28 Кл*м

Благодаря большому значению Р между молекулами Н₂О проявляется сильное взаимодействие, образуются водородные связи между атомами О одной молекулы и атомами Н другой молекулы. Каждая молекула Н₂О может образовывать 4 водородные связи. 2 связи возникаю при взаимодействии неподеленных электронных пар атома О с атомами Н соседних молекул Н₂О и 2 связи дают атомы Н взаимодействующие с атомами О двух других молекул Н₂О.Длина водородной связи 0,14-0,2 нм, т.е.она сопоставима с размерами молекулы Н₂О. и водородная связь имеет достаточно большую энергию 17-33 кДЖ/моль.

5. Физические свойства воды и её аномалии

Существование водородных связей объясняет ряд аномалий в свойствах Н₂О. Под аномалиями принято понимать свойства Н₂О, которые отличают воду от ее химических аналогов (Н₂S, H₂Se).

Температурные аномалии жидкой воды:

• 30– 40⁰С наблюдаются изменения в свойствах воды. При 35⁰С - имеет наименьшую плотность.

При 0– 35⁰С наблюдается резкое падение электронной поляризуемости воды под действием внешнего поля. С этой аномалией воды связывают ее биологическую активность с организмами, имеющими температурный оптимум около 37⁰С.

• 55 – 60⁰С. При 55⁰С наблюдается минимум изменения электронной поляризуемости молекул Н₂О под действием адиабатического сжатия, отмечается минимум диэлектрической проницаемости в зависимости от давления, увеличивается звукопередача. Вода имеет самую высокую теплоемкость среди твердых и жидких веществ, за исключением жидкого аммиака. Высокая теплоемкость воды обуславливает большой перенос тепла водными океаническими течениями; способствует терморегуляции живых организмов.

• Аномальная плотность воды: p_лeд < p_ж.вода, max p при t = 4⁰С.

Так же при замерзании воды происходит увеличение объем примерно на 10%. При плавлении льда нарушается его регулярная структура, и часть комплексов разрушается. При этом в Н₂О наряду с участками, имеющими структуру аналогичную кристаллической решетке льда, появляются одиночные молекулы, они заполняют полости, сохранившиеся в участках с льдоподобной структурой. С повышением температуры проявляется действие двух факторов: теплового расширения и нарушения регулярной структуры льда. Тепловое расширение сопровождается незначительным увеличение объема и связано с нарушением упорядоченности расположения молекул. При 4⁰С оба этих фактора одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по направленности действия. При дальнейшем увеличении температуры снижается действие второго фактора, больше проявляется действие теплового расширения, плотность воды уменьшается.

• Лед легче жидкой воды. В результате этого замерзание происходит с поверхности водоема, сохраняется жизнь в водоеме. Этому также способствует малая теплопроводность льда и снега.

  • Также у воды наиболее высокая теплота испарения. Это свойство очень важное и прежде всего влияет на перенос тепла и воды в атмосфере.

• Вода имеет наиболее высокое поверхностное натяжение. По величине поверхностного натяжения вода уступает только ртути. Это свойство играет важную роль при протекании биохимических процессов, и оно очень важно для физиологии клетки.

  • Вода – единственно на Земле вещество, которое одновременно может находиться в 3х агрегатных состояниях. В этом состоит еще одна аномалия воды.

• В жидком виде вода прозрачна, мало рассеивает свет, поэтому бесцветна, но очень сильно поглощает излучение УФ и ИК области спектра. Это свойство воды играет важную роль для протекания физических и биохимических процессов.

• Способность многих веществ растворяться в воде и диссоциировать на ионы определяется высокой диэлектрической проницаемостью воды. Эта особенность воды определяет самую большую растворяющую способность в отношении веществ с полярной и ионной структурой и тем самым связывает физические и биологические явления.

• Теплопроводность воды наиболее высокая из всех жидкостей. Это явление играет основную роль в так называемых процессах малого масштаба, т.е.в процессах, которые происходят в живых клетках.

• Аномально изменяется вязкость воды при повышении давления. Вязкость воды в интервале температур 0 – 30⁰С с увеличение давления уменьшается, проходит через минимум, а затем возрастает. Это свойство определяет гидродинамику водных объектов и осаждение взвешенных веществ.

Основные константы воды.

Молекулярная масса	18,0154
Плотность жидкой воды (250С) кг/м3	997,975
Плотность льда (00С) кг/м3	916,8
Теплота образования при 250С кДж/моль Пар Жидкая вода	241,9845 286,0313
Теплота плавления кДж/моль	6,012
Теплота испарения кДж/моль	44,041
Удельная теплоемкость кДж/кг*К Лед Жидкость Пар	2,039 4,187 2,039
Теплопроводность Вт/м*К Лед (00С) Жидкость (200С) Жидкость (450С) Пар (1000С)	2,34 0,598 0,645 0,0231
Криоскопичекая константа	1,850
Вязкость (250С) мПа*с	1,002
Температура максимальной плотности (0С)	3,98
Диэлектрическая постоянная жидкой воды (170С)	81
Диэлектрическая постоянная льда (-10С)	79
Поверхностное натяжение Н/м	72,5*10-3

Приведенные в таблице свойства относятся к воде, молекула которой состоит из 2х атомов Н и одного атома О с атомной массой 16, но в природе существуют другие устойчивые изотопы Н, а именно дейтерий и тритий, и изотопы О с атомной массой 17 и 18.

ТЯЖЕЛАЯ ВОДА.

Наибольшее практическое значение имеет тяжелая вода с молекулярной массой 20. Такая молекула состоит из 2х атомов дейтерия и 1 атома О с атомной массой 16.

Свойства тяжелой воды: t_кип=101,4⁰С, t_зам=+3,8⁰С, ρ_25С=1004,2 кг/м³, max ρ=1055,9 к/м³(t=11,2⁰C). Молекулы тяжелой воды образуют межмолекулярные дейтериевые связи, они прочнее водородных, поэтому структура тяжелой воды более стабильна.

Получение тяжелой воды: При электролизе обычной воды тяжелая вода накапливается в осадке. Свойства тяжелой воды: Растворимость солей в тяжелой воде на 10-20% меньше чем в обычной. Тяжелая вода угнетает жизнедеятельность растений и животных. В природных водах содержание тяжелой воды составляет примерно 0,02%. Большая концентрация тяжелой воды может быть, если водные объекты находятся в условиях, способствующих испарению, поэтому в морской воде концентрация тяжелой воды выше, чем в пресной. Повышенное содержание тяжелой воды наблюдается также в живых организмах и минералах. Тяжелая вода может взаимодействовать с обычной, и в этом случае образуется соединение HDO. Вязкость тяжелой воды на 20% выше чем у обычной. Это свойство используется для определения концентрации тяжелой воды в смеси с обычной.