Реферат: Свойства и структура воды

Ядра атомов изотопов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Атомные массы изотопов различны.

Вокруг ядра атома водорода вращается один единственный электрон, поэтому атомный номер водорода равен единице. Этот электрон вращается по круговым орбитам, в совокупности образующим сферу. Орбит множество, и в зависимости от нахождения электрона на или иной круговой орбите у атома водорода может существовать множество энергетических состояний электрона, т. е. он может быть в спокойном или более или менее возбужденном состояниях.

У атома кислорода 8 электронов (атомный номер 8), 6 из которых движутся по наружным орбитам, представляющим форму восьмерки или гантели, и 2 по внутренней круговой орбите. В соответствии с количеством электронов в ядре атома кислорода 8 протонов, таким образом, сам атом в целом нейтрален.

Наиболее устойчивой наружной орбитой атома является состоящая из 8 электронов, а у кислорода их 6, т, е., не хватает 2 электронов. В то же время водород, как и кислород, существует в молекулах, содержащих 2 атома (Н₂ ), связанных между собой двумя электронами, которые легко замещают вакансию двух электронов наружной орбиты атома кислорода, образуя в совокупности молекулу воды, с полной устойчивой восьмиэлектронной наружной орбитой (см рис 1.).

Рис 1. Схема образования молекулы воды (б) из 1 атома кислорода и 2 атомов водорода (а).

Можно привести много различных схем образования молекулы воды, основанных на представлениях разных физиков. По существу в них нет никаких противоречий и принципиальных различий. Ведь в действительности ни строения атомов, ни строения молекулы никто не видел, поэтому гипотетические схемы строятся лишь на основе косвенных наблюдаемых приборами признаков, позволяющих предположить как поведение, так и свойства атомов и молекул.

Размеры атомов различных элементов колеблются примерно от 0,6 до 2,6 А, а величины длины световой волны – в несколько тысяч раз больше: (4,5-7,7)*10^-5 см. К тому же и атомы, и молекулы не имеют четких границ, чем и объясняется существующий разнобой вычисленных радиусов.

При нормальных условиях следовало бы ожидать, что связи атома кислорода с обоими водородными атомами в молекуле Н₂ О образуют у центрального атома кислорода очень тупой угол, близкий к 180°. Однако совершенно неожиданно этот угол равен не 180°, а всего лишь 104°31'. Вследствие этого внутримолекулярные силы компенсируются не полностью и их избыток проявляется вне молекулы. На рис. 2 показаны основные размеры молекулы воды.

Рис 2. Молекула воды и ее размеры.

В молекуле воды положительные и отрицательные заряды распределены неравномерно, асимметрично. Такое расположение зарядов создает полярность молекулы. Хотя молекула воды нейтральна, но в силу своей полярности она ориентируется в пространстве с учетом тяготения своего отрицательно заряженного полюса к положительному заряду и положительно заряженного полюса к отрицательному заряду.

Внутри молекулы воды это разделение зарядов по сравнению с разделением зарядов у других веществ очень велико. Это явление называют дипольным моментом. Эти свойства молекул воды (называемые также диэлектрической проницаемостью, которая у Н₂ О очень велика) имеют очень большое значение, например в процессах растворения различных веществ.

Способность воды растворять твердые тела определяется ее диэлектрической проницаемостью e, которая у воды при 0° С равна 87,7; при 50° С – 69,9; при 100° С - 55,7. При комнатной температуре диэлектрическая проницаемость равна 80. Это значит, что два противоположных электрических заряда взаимно притягиваются в воде, с силой, равной 1/80 силы их взаимодействия в воздухе. Таким образом, отделение ионов от кристалла какой-либо соли в воде в 80 раз легче, чем в воздухе.

Но вода состоит не только из одних молекул. Дело в том, что молекула воды может диссоциировать (расщепляться) на заряженный положительно ион водорода Н⁺ и на заряженный отрицательно гидроксильный ион ОН^- . В обычных условиях чистая вода диссоциирована очень слабо: только одна молекула из 10 млн. молекул воды распадается на ион водорода и ион гидроксила. Однако с повышением температуры и изменением других условий диссоциация может быть значительно большей.

Хотя вода в целом в химическом отношении инертна, наличие ионов Н⁺ и ОН^- делает ее чрезвычайно активной.

В воде могут находиться и отрицательно заряженные ионы кислорода (О^- ). Более того, в природе могут встречаться и другие соединения водорода с кислородом. К таким соединениям в первую очередь принадлежит широко распространенный отрицательно заряженный гидрооксоний Н₃ О⁺ . Он встречается в растворах галита (NaСl) при высоких температурах и давлениях. Гидрооксоний находится в узлах решетки льда (вместе с гидроксильным ином ОН^- ) в количестве (при 0° С) 0,27*10^-9 частей, а также в связанном состоянии во многих минералах.

Н₃ О⁺ и ОН^- в глубоких недрах являются переносчиками многих соединений (особенно в процессе гранитизации). К другим соединениям водорода с кислородом относятся перекись водорода (Н₂ О₂ ), перигидроксил (НО₂ ), гидроксил-моногидрат (Н₃ О₂ ) и т. п. Все они неустойчивы в условиях земной поверхности, однако при некоторых темературах и давлениях могут находиться в природе длительное время, а главное – превращаться в молекулу воды, о чем будет сказано ниже. Н₃ О₂ ^- обнаружен в облаках ионосферы на высоте более 100 км над уровнем моря.

Как уже было отмечено выше, молекула воды, как правило, нейтральна. Однако при вырывании из нее электрона бета-лучами (быстрыми электронами) может образоваться заряженная «молекула» воды – положительный ион H₂ O⁺ . При взаимодействии воды с этим ионом возникает радикал ОН^- по схеме:

H₂ O⁺ + H₂ O = Н₃ О⁺ + ОН^- .

При рекомбинации гидрооксония Н₃ О⁺ с электроном выделяется энергия, равная 196 ккал/моль, достаточная для расщепления Н₂ О на Н и ОН. Свободные радикалы играют весьма важную роль в астрофизике и в физике земной атмосферы. На Солнце был обнаружен радикал ОН, причем в пятнах в повышенном количестве. Он же обнаружен в звездах и в головной части комет.

Итак, рассматривая воду только как вещество, состоящее из атомов, молекул и ионов водорода и кислорода, и не принимая во внимание все другие элементы периодической системы и их неорганические и органические соединения, которые могут находиться воде в виде растворов, взвесей, эмульсий и примесей, газообразном, жидком и твердом состояниях, можно выделить 36 соединений – разновидностей водорода и кислорода, входящих в состав воды. В табл. 1 приведено девять изотопических разновидностей воды.

Некоторые изотопические разновидности воды с сравнении с содержанием отдельных элементов в морской воде

Как видим, кроме Н₂ О, других изотопических разновидностей обычно не так уж много, всего около 0,3%. Тритий (Н³ , или Т) слабо радиоактивен, и его полураспад длится 12,3 года, в таблице он не помещен, так же как и другие радиоактивные изотопы водорода с атомным весом 4 (Н⁴ ) и 5 (Н⁵ ) с исключительно коротким периодом полураспада. Например, Н⁴ всего 4/100000000000сек. или 4*10^-11 сек.

Помимо указанных выше четырех изотопов водорода имеются еще три радиоактивных изотопа кислорода: О¹⁴ , О¹⁵ , О¹⁶ , но и они в природной воде большого значения иметь не могут, так как их периоды полураспада очень малы и оцениваются десятками секунд. Но это еще далеко не все, если говорить о разновидностях чистой воды.

До сих пор мы рассматривали только атомы, молекулы и ионы водорода и кислорода и их соединения, составляющие то, что мы называем чистой водой. В 1 см³ жидкой воды при 0° С содержится 3,35*10²² молекул.

Оказывается, частицы воды располагаются далеко не произвольно, а образуют во всех трех фазах воды определенную структуру, которая изменяется в зависимости от температуры и давления. Мы подошли к наиболее трудной для понимания, загадочной и далеко не разрешенной проблеме воды – ее структуре.

Модели структуры воды.

Известно несколько моделей структуры чистой воды, начиная с простейших ассоциатов, льдоподобной модели и желеподобными массами, свойственными полипептидам и полинуклеотидам, – бесконечно и беспорядочно разветвленный гель с быстро возникающими и и исчезающими водородными связями. Выбор определенной модели жидкой воды зависит от изучаемых свойств. Каждая модель передает те или иные характерные особенности ее структуры, но не может претендовать как на единственно правильную.

Большему количеству экспериментальных данных отвечает льдоподобная - модель О. Я. Самойлова. Согласно этой модели, ближняя упорядоченность расположения молекул, свойственная воде, представляет собой нарушенный тепловым движением льдоподобный тетраэдрический каркас, пустоты которого частично заполнены молекулами воды. При этом молекулы воды, находящиеся в пустотах льдоподобного каркаса, имеют иную энергию, чем молекулы воды в его узлах. Для структуры воды характерно тетраэдрическое окружение ее молекул. Три соседа каждой молекулы в жидкой воде расположены в одном слое и находятся на большем от нее расстоянии (0,294 нм), чем четвертая молекула из соседнего слоя (0,276 нм). Каждая молекула воды в ставе льдоподобного каркаса образует одну зеркальносимметричную (прочную) и три центральносимметричных (менее прочных) связи. Первая относится к связи между молекулами воды данного слоя и соседних слоев, остальные - к связям между молекулами воды одного слоя. Поэтому четвертая часть всех связей - зеркальносимметричные, а три четверти центральносимметричные. Представления о тетраэдрическом окружении молекул воды привели к выводу о высокой ажурности ее строения и наличии в ней пустот, размеры которых равны или превышают размеры молекул воды.

Рис 3. Элементы структуры жидкой воды.

а - элементарный водный тетраэдр (светлые кружки - атомы кислорода, черные половинки - возможные положения протонов на водородной связи);