Розташування молекул води у льоду. Структура води

Користувальницького пошуку

Структура води

К.х.н. О.В. Мосін

Молекула води є маленьким дипольом, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. Так як маса і заряд ядра кисню більше ніж у ядер водню, то електронна хмара стягується у бік ядра. При цьому ядра водню оголюються. Таким чином, електронна хмара має неоднорідну густину. У ядер водню є дефіцит електронної щільності, але в протилежному боці молекули, біля ядра кисню, спостерігається надлишок електронної щільності. Саме така структура визначає полярність молекули води. Якщо з'єднати прямими лініями епіцентри позитивних та негативних зарядів вийде об'ємна геометрична фігура – ​​правильний тетраедр.

Будова молекули води (малюнок праворуч)

Завдяки наявності водневих зв'язків кожна молекула води утворює водневий зв'язок із чотирма сусідніми молекулами, утворюючи ажурний сітчастий каркас у молекулі льоду. Однак у рідкому стані вода - невпорядкована рідина; ці водневі зв'язки - спонтанні, короткоживучі, швидко рвуться і знову утворюються. Все це призводить до неоднорідності у структурі води.

Водневі зв'язки між молекулами води (рисунок нижче зліва)

Те, що вода неоднорідна за складом, було встановлено давно. З давніх-давен відомо, що лід плаває на поверхні води, тобто щільність кристалічного льоду менше, ніж щільність рідини.

Майже у решти речовин кристал щільніше рідкої фази. До того ж після плавлення при підвищенні температури щільність води продовжує збільшуватися і досягає максимуму при 4C. Менш відома аномалія стисливості води: при нагріванні від точки плавлення до 40°С вона зменшується, а потім збільшується. Теплоємність води також залежить від температури немонотонно.

Крім того, при температурі нижче 30 °C зі збільшенням тиску від атмосферного до 0,2 ГПа в'язкість води зменшується, а коефіцієнт самодифузії - параметр, який визначає швидкість переміщення молекул води відносно один одного зростає.

Для інших рідин залежність зворотна, і майже ніде немає, щоб якийсь важливий параметр поводився немонотонно, тобто. спочатку зростав, а після проходження критичного значення температури чи тиску зменшувався. Виникло припущення, що насправді вода це не єдина рідина, а суміш двох компонентів, які відрізняються властивостями, наприклад, щільністю і в'язкістю, а отже, і структурою. Такі ідеї стали виникати наприкінці XIX століття, коли накопичилося багато даних про аномалії води.

Першим ідею у тому, що вода і двох компонентів, висловив Уайтинг в1884 року. Його авторство цитує Е.Ф.Фріцман у монографії "Природа води. Важка вода", виданої 1935 року. У 1891 році В.Ренгтен ввів уявлення про два стани води, які відрізняються щільністю. Після неї з'явилося багато робіт, у яких воду розглядали як суміш асоціатів різного складу (гідролей).

Коли у 20-ті роки визначили структуру льоду, виявилося, що молекули води в кристалічному стані утворюють тривимірну безперервну сітку, в якій кожна молекула має чотирьох найближчих сусідів, які розташовані у вершинах правильного тетраедра. В1933 Дж.Бернал і П.Фаулер припустили, що подібна сітка існує і в рідкій воді. Оскільки вода щільніша за льоду, вони вважали, що молекули в ній розташовані не так, як у льоду, тобто подібно до атомів кремнію в мінералі тридиміті, а так, як атоми кремнію в більш щільній модифікації кремнезему кварці. Збільшення густини води при нагріванні від 0 до 4C пояснювалося присутністю при низькій температурі тридимітової компоненти. Таким чином, модель Бернала Фаулера зберегла елемент двоструктурності, але головне їх досягнення - ідея безперервної тетраедричної сітки. Тоді з'явився знаменитий афоризм І.Ленгмюра: "Океан-одна велика молекула". Зайва конкретизація моделі не додала прихильників теорії єдиної сітки.

Тільки в 1951 році Дж. Попл створив модель безперервної сітки, яка була не така конкретна, як модель Бернала Фаулера. Попл представляв воду, як випадкову тетраедричну сітку, зв'язки між молекулами в якій викривлені та мають різну довжину. Модель Попла пояснює ущільнення води під час плавлення викривленням зв'язків. Коли 60-70-ті роки з'явилися перші визначення структури льодів II і IX, зрозуміли, як викривлення зв'язків може призводити до ущільнення структури. Модель Попла не могла пояснити немонотонність залежності властивостей води від температури та тиску так добре, як моделі двох станів. Тому ідею двох станів ще довго розділяли багато вчених.

Але в другій половині XX століття не можна було так фантазувати про склад та будову гідролей, як це робили на початку століття. Вже було відомо, як влаштований лід та кристалогідрати, і багато що знали про водневий зв'язок. Крім континуальних моделей (модель Попла), виникли дві групи змішаних моделей: кластерні та клатратні. У першій групі вода поставала у вигляді кластерів із молекул, пов'язаних водневими зв'язками, які плавали в морі молекул, які в таких зв'язках не беруть участь. Моделі другої групи розглядали воду як безперервну сітку (зазвичай у цьому контексті звану каркасом) водневих зв'язків, що містить порожнечі; у яких розміщуються молекули, які утворюють зв'язків із молекулами каркаса. Неважко було підібрати такі властивості та концентрації двох мікрофаз кластерних моделей або властивості каркасу та ступінь заповнення його порожнеч клатратних моделей, щоб пояснити всі властивості води, у тому числі й знамениті аномалії.

Серед кластерних моделей найбільш яскравою виявилася модель Г.Неметі та Х.Шераги.: Запропоновані ними картинки, що зображують кластери пов'язаних молекул, які плавають у морі незв'язаних молекул, увійшли до безлічі монографій.

Першу модель клатратного типу у 1946 році запропонував О.Я.Самойлов: у воді зберігається подібна до гексагонального льоду сітка водневих зв'язків, порожнини якої частково заповнені мономерними молекулами. Л.Полінг у 1959 році створив інший варіант, припустивши, що основою структури може служити сітка зв'язків, властива деяким кристалогідратам.

Протягом другої половини 60-х і початку 70-х спостерігається зближення всіх цих поглядів. З'являлися варіанти кластерних моделей, у яких обох мікрофазах молекули з'єднані водневими зв'язками. Прихильники клатратних моделей стали допускати утворення водневих зв'язків між пустотними та каркасними молекулами. Тобто, фактично автори цих моделей розглядають воду як безперервну сітку водневих зв'язків. І йдеться про те, наскільки неоднорідна ця сітка (наприклад, за щільністю). Уявленням про воду як про воднево-пов'язані кластери, які плавають у морі позбавлених зв'язків молекул води, було покладено край на початку вісімдесятих років, коли Г.Стенлі застосував до моделі води теорію перколяції, що описує фазові переходи води.

У 1999 р. відомий російський дослідник води С.В. Зенін захистив в Інституті медико-біологічних проблем РАН докторську дисертацію, присвячену кластерній теорії, яка стала суттєвим етапом у просуванні цього напряму досліджень, складність яких посилюється тим, що вони перебувають на стику трьох наук: фізики, хімії та біології. Їм на підставі даних, отриманих трьома фізико-хімічними методами: рефрактометрії (С.В. Зенін, Б.В. Тяглов, 1994), високоефективної рідинної хроматографії (С.В. Зенін з співавт., 1998) та протонного магнітного резонансу (С .В.Зенін, 1993) побудовано та доведено геометричну модель основного стабільного структурного утворення з молекул води (структурована вода), а потім (С.В. Зенін, 2004) отримано зображення за допомогою контрастно-фазового мікроскопа цих структур.

Зараз наукою доведено, що особливості фізичних властивостей води та численні короткоживучі водневі зв'язки між сусідніми атомами водню і кисню в молекулі води створюють сприятливі можливості для утворення особливих структур-асоціатів (кластерів), які сприймають, зберігають і передають різноманітну інформацію.

Структурною одиницею такої води є кластер, що складається з клатратів, природа яких зумовлена ​​далекими кулонівськими силами. У структурі кластрів закодована інформація про взаємодії, що мали місце із даними молекулами води. У водних кластерах рахунок взаємодії між ковалентними і водневими зв'язками між атомами кисню і атомами водню може відбуватися міграція протона (Н+) по естафетному механізму, що призводять до делолизации протона межах кластера.

Вода, що складається з багатьох кластерів різних типів, утворює ієрархічну просторову рідкокристалічну структуру, яка може сприймати і зберігати величезні обсяги інформації.

На малюнку (В.Л. Воєйков) як приклад наведено схеми кількох найпростіших кластерних структур.

Деякі можливі структури кластерів води

Переносниками інформації можуть бути фізичні поля різної природи. Так встановлено можливість дистанційної інформаційної взаємодії рідкокристалічної структури води з об'єктами різної природи за допомогою електромагнітних, акустичних та інших полів. Об'єктом, що впливає, може бути і людина.

Вода є джерелом надслабкого та слабкого змінного електромагнітного випромінювання. Найменш хаотичне електромагнітне випромінювання створює структурована вода. У такому разі може статися індукція відповідного електромагнітного поля, що змінює структурно-інформаційні характеристики біологічних об'єктів.

Протягом останніх років отримано важливі дані щодо властивостей переохолодженої води. Вивчати воду за низької температури дуже цікаво, оскільки її вдається сильніше переохолодити, ніж інші рідини. Кристалізація води, як правило, починається на якихось неоднорідностях або на стінках судини, або на частинках плаваючих твердих домішок. Тому знайти температуру, коли б переохолоджена вода мимоволі закристалізувалася нелегко. Але вченим вдалося це зробити, і зараз температура так званої гомогенної нуклеації, коли утворення кристалів льодів йде одночасно по всьому об'єму, відома для тисків до 0,3 ГПа, тобто захоплюючи області існування льоду II.

Від атмосферного тиску до межі, що розділяє льоди I і II, ця температура падає від 231 до 180 К, а потім трохи збільшується до 190К. Нижче за цю критичну температуру рідка вода неможлива в принципі.

Структура льоду (рисунок праворуч)

Однак із цією температурою пов'язана одна загадка. В середині вісімдесятих років була відкрита нова модифікація аморфного льоду-лід високої щільності, і це допомогло відродженню уявлень про воду як про суміш двох станів. Як прототипи розглядалися не кристалічні структури, а структури аморфних льодів різної щільності. У найвиразнішому вигляді цю концепцію сформулювали Е.Г.Понятовський і В.В.Сініцин, які у 1999 року написали: " Вода сприймається як регулярний розчин двох компонентів, локальні зміни у яких відповідають ближньому порядку модифікацій аморфного льоду " . Більше того, вивчаючи ближній порядок у переохолодженій воді при високому тиску методами дифракції нейтронів, вченим вдалося знайти компоненти, що відповідають цим структурам.

Наслідком поліморфізму аморфних льодів стали також припущення про розшарування води на два компоненти, що не змішуються, при температурі нижче гіпотетичної низькотемпературної критичної точки. На жаль, за оцінкою дослідників, ця температура при тиску 0,017 ГПа дорівнює 230К нижче за температуру нуклеації, тому спостерігати розшарування рідкої води нікому ще не вдалося. Так відродження моделі двох станів порушило питання про неоднорідність сітки водневих зв'язків у рідкій воді. Розібратися в цій неоднорідності можна лише за допомогою комп'ютерного моделювання.

Говорячи про кристалічну структуру води, слід зазначити, що відомо 14 модифікацій льоду,більшість з яких не зустрічаються в природі, в яких молекули води зберігають свою індивідуальність, і з'єднані водневими зв'язками. З іншого боку, існує безліч варіантів сітки водневих зв'язків у клатратних гідратах. Енергії цих сіток (льодів високого тиску та клатратних гідратів) ненабагато вищі за енергії кубічного та гексагонального льодів. Тому фрагменти таких структур можуть з'являтися в рідкій воді. Можна сконструювати безліч різних неперіодичних фрагментів, молекули в яких мають по чотири найближчих сусіди, розташованих приблизно по вершинах тетраедра, але при цьому їх структура не відповідає структурам відомих модифікацій льоду. Як показали численні розрахунки, енергії взаємодії молекул у таких фрагментах будуть близькі один до одного, і немає підстав говорити, що якась структура має переважати в рідкій воді.

Структурні дослідження води можна вивчати різними методами;спектроскопією протонного магнітного резонансу, інфрачервоної спекроскопії, дифракцією рентгенівських променів та ін. Наприклад, дифракцію рентгенівських променів та нейтронів уводі вивчали багато разів. Однак докладних відомостей про структуру ці експерименти не можуть дати. Неоднорідності, які різняться по щільності, можна було побачити по розсіянню рентгенівських променів і нейтронів під малими кутами, проте такі неоднорідності мають бути великими, які з сотень молекул води. Можна було їх побачити, і досліджуючи розсіяння світла. Однак вода є виключно прозорою рідиною. Єдиний результат дифракційних експериментів функції радіального розподілу, тобто відстані між атомами кисню, водню і кисню-водню. З них видно, що ніякого далекого порядку розташування молекул води немає. Ці функції води загасають набагато швидше, ніж більшість інших рідин. Наприклад, розподіл відстаней між атомами кисню при температурі, близької до кімнатної, дає лише три максимуми, на 2,8, 4,5 та 6,7. Перший максимум відповідає відстані до найближчих сусідів, та його значення приблизно дорівнює довжині водневого зв'язку. Другий максимум близький до середньої довжини ребра тетраедра: пригадаємо, що молекули води в гексагональному льоду розташовуються по вершинах тетраедра, описаного навколо центральної молекули. А третій максимум, виражений дуже слабко, відповідає відстані до третіх і більш далеких сусідів водневою сіткою. Цей максимум і сам не дуже яскравий, а про подальші піки й казати не доводиться. Були спроби отримати більш детальну інформацію з цих розподілів. Так у 1969 році І.С.Андріанов та І.З.Фішер знайшли відстані аж до восьмого сусіда, при цьому до п'ятого сусіда воно виявилося рівним 3, а до шостого 3,1. Це дозволяє робити дані про дальнє оточення молекул води.

Інший метод дослідження структури - нейтронна дифракція на кристалах води здійснюється так само, як і рентгенівська дифракція. Однак через те, що довжини нейтронного розсіювання різняться у різних атомів менш сильно, метод ізоморфного заміщення стає неприйнятним. Насправді зазвичай працюють із кристалом, у якого молекулярна структура вже приблизно встановлена ​​іншими методами. Потім для цього кристала вимірюють інтенсивність нейтронної дифракції. За цими результатами проводять перетворення Фур'є, у ході використовують виміряні нейтронні інтенсивності і фази, обчислювані з урахуванням неводневих атомів, тобто. атомів кисню, становище яких у моделі структури відоме. Потім отриманої в такий спосіб фурье-карте атоми водню і дейтерію представлені з набагато більшими вагами, ніж карті електронної щільності, т.к. Внесок цих атомів у нейтронне розсіювання дуже великий. За цією картою щільності можна, наприклад, визначити положення атомів водню (негативна щільність) та дейтерію (позитивна щільність).

Можливий різновид цього методу, який полягає в тому, що кристал, що утворився у воді, перед вимірами витримують у важкій воді. У цьому випадку нейтронна дифракція не тільки дозволяє встановити, де розташовані атоми водню, але й виявляє ті з них, здатні обмінюватися на дейтерій, що особливо важливо для вивчення ізотопного (H-D)-обміну. Така інформація допомагає підтвердити правильність встановлення структури.

Інші методи дозволяють вивчати динаміку молекул води. Це експерименти з квазіпружного розсіювання нейтронів, надшвидкої ІЧ-спектроскопії та вивчення дифузії води за допомогою ЯМР або мічених атомів дейтерію. Метод ЯМР-спектроскопії заснований на тому, що ядро ​​атома водню має магнітний момент-спін, що взаємодіє з магнітними полями, постійними та змінними. По спектру ЯМР можна будувати висновки, у якому оточенні ці атоми і ядра перебувають, отримуючи, в такий спосіб, інформацію про структуру молекули.

В результаті експериментів з квазіпружного розсіювання нейтронів у кристалах води було виміряно найважливіший параметр-коефіцієнт самодифузії при різних тисках і температурах. Щоб судити про коефіцієнт самодифузії за квазіпружним розсіюванням нейтронів, необхідно зробити припущення про характер руху молекул. Якщо вони рухаються відповідно до моделі Я.І.Френкеля (відомого вітчизняного фізика-теоретика, автора "Кінетичної теорії рідин" - класичної книги, перекладеної багатьма мовами), званої також моделлю "стрибок-очікування", тоді час оседлого життя (час між стрибками) молекули становить 3,2 пікосекунди. Нові методи фемтосекундної лазерної спектроскопії дозволили оцінити час життя розірваного водневого зв'язку: протону потрібно 200 фс для того, щоб знайти партнера. Однак усе це середні величини. Вивчити деталі будови та характеру руху молекул води можна лише за допомогою комп'ютерного моделювання, що називається іноді чисельним експериментом.

Так виглядає структура води за наслідками комп'ютерного моделювання (за даними д.х.н. Г.Г.Маленкова). Загальну безладну структуру можна розбити на два типи областей (показані темними та світлими кульками), які різняться за своєю будовою, наприклад за обсягом багатогранника Вороного (а), ступенем тетраедричності найближчого оточення (б), значенням потенційної енергії (в), а також за наявності чотирьох водневих зв'язків у кожної молекули (г). Втім, ці області буквально за мить, через кілька пікосекунд, змінять своє розташування.

Моделювання проводиться так. Береться структура льоду і нагрівається до розплавлення. Потім після деякого часу, щоб вода забула про кристалічне походження, знімаються миттєві мікрофотографії.

Для аналізу структури води вибираються три параметри:
- ступінь відхилення локального оточення молекули від вершин правильного тетраедра;
-Потенційна енергія молекул;
-Обсяг так званого багатогранника Вороного.

Щоб побудувати цей багатогранник, беруть ребро від даної молекули до найближчої, ділять його навпіл і через цю точку проводять площину перпендикулярну ребру. Виходить обсяг, що припадає на одну молекулу. Обсяг поліедра це щільність, тетраедричність, ступінь спотворення водневих зв'язків, енергія, ступінь стійкості конфігурації молекул. Молекули з близькими значеннями кожного з цих параметрів прагнуть згрупуватися разом окремі кластери. Області як з низькою, так і з високою щільністю мають різні значення енергії, але можуть мати і однакові значення. Експерименти показали, що з різною будовою кластери виникають спонтанно і спонтанно розпадаються. Вся структура води живе і постійно змінюється, причому час, за який відбуваються ці зміни, дуже короткий. Дослідники стежили за переміщеннями молекул і з'ясували, що вони здійснюють нерегулярні коливання із частотою близько 0,5 пс та амплітудою 1 ангстрем. Спостерігалися також рідкісні повільні стрибки на ангстреми, які тривають пікосекунди. Загалом за 30 пс молекула може зміститися на 8-10 ангстрем. Час життя локального оточення теж невеликий. Області, складені з молекул з близькими значеннями обсягу багатогранника Вороного, можуть розпастись за 0,5 пс, а можуть жити й кілька пікосекунд. А ось розподіл часів життя водневих зв'язків дуже великий. Але цей час вбирається у 40 пс, а середнє значення кілька пс.

На закінчення слід наголосити, що теорія кластерної будови води має багато підводних каменів.Наприклад, Зенін припускає, що основний структурний елемент води-кластер з 57 молекул, утворений злиттям чотирьох додекаедрів. Вони мають спільні грані, які центри утворюють правильний тетраедр. Те, що молекули води можуть розташовуватися на вершинах пентагонального додекаедра, відомо давно; такий додекаедр-основа газових гідратів. Тому нічого дивного у припущенні про існування таких структур у воді немає, хоча вже говорилося, що жодна конкретна структура не може бути переважаючою та існувати довго. Тому дивно, що цей елемент передбачається головним і що до нього входить рівно 57 молекул. З кульок, наприклад, можна збирати такі ж структури, які складаються з додекаедрів, що примикають один до одного, і містять 200 молекул. Зенін стверджує, що тривимірної полімеризації води зупиняється на 57 молекулах. Більших асоціатів, на його думку, не повинно бути. Однак якби це було так, з водяної пари не могли б осаджуватися кристали гексагонального льоду, які містять величезну кількість молекул, пов'язаних водневими зв'язками. Зрозуміло, чому зростання кластера Зеніна зупинився на 57 молекулах. Щоб уникнути протиріч, Зенін і упаковує кластери у складніші освіти-ромбоедри- з майже тисячі молекул, причому вихідні кластери друг з одним водневих зв'язків не утворюють. Чому? Чим молекули на поверхні відрізняються від тих, що всередині? На думку Зеніна, візерунок гідроксильних груп лежить на поверхні ромбоедрів і забезпечує пам'ять води. Отже, молекули води у цих великих комплексах жорстко фіксовані, і самі комплекси є твердими тілами. Така вода не тектиме, а температура її плавлення, яка пов'язана з молекулярною масою, повинна бути дуже високою.

Які властивості води пояснює модель Зеніна? Оскільки в основі моделі лежать тетраедричні споруди, її можна у тій чи іншій мірі узгодити з даними щодо дифракції рентгенівських променів та нейтронів. Однак навряд чи модель може пояснити зменшення щільності при плавленні-упаковка додекаедрів менш щільна, ніж лід. Але найважче узгоджується модель з динамічними властивостями-текучістю, великим значенням коефіцієнта самодифузії, малими часом кореляції та діелектричної релаксації, які вимірюються пікосекундами.

К.х.н. О.В. Мосін

Список літератури:
Г.Г. Маленків. Успіхи фізичної хімії, 2001
С.В.Зенін, Б.М. Полануєр, Б.В. Тяглів. Експериментальний доказ наявності фракцій води. Ж. Гомеопатична медицина та акупунктура. 1997. №2.С.42-46.
С.В. Зенін, Б.В. Тяглів. Гідрофобна модель структури асоціатів молекул води. Ж.Фіз.хіміі.1994.Т.68.№4.С.636-641.
С.В. Зенін Дослідження структури води шляхом протонного магнітного резонансу. Докл.РАН.1993.Т.332.№3.С.328-329.
С.В.Зенін, Б.В.Тяглов. Природа гідрофобної взаємодії. Виникнення орієнтаційних полів у водних розчинах. Ж.Фіз.хіміі.1994.Т.68.№3.С.500-503.
С.В. Зенін, Б.В. Тяглов, Г.Б.Сергєєв, З.А. Шабарова. Дослідження внутрішньомолекулярних взаємодій у нуклеотидамідах методом ЯМР. Матеріали 2-ї Всесоюзної конф. За динаміч. Стереохімії. Одеса.1975.с.53.
С.В. Зенін. Структурований стан води як основа управління поведінкою та безпекою живих систем. Дисертація. Доктор біологічних наук. Державний науковий центр "Інститут медико-біологічних проблем" (ДНЦ "ІМБП"). Захищена 1999. 05. 27. УДК 577.32: 57.089.001.66.207 с.
В.І. Слєсарєв. Звіт про виконання НДР

Робота 1

Сніжинки як явище фізики

Роботу виконав Холодяков Данило

Цілі: дізнатися більше про сніжинки з точки зору МКТ

Завдання: розібратися в природі освіти сніжинок

1. Формування сніжинок

2. Форми сніжинок

3. Симетрія кристалів

4. Однакові сніжинки

5. Колір та світло

6. Додаткові матеріали

1. Ви коли-небудь дивилися на сніжинку і запитували, як вона формується і чому вона відрізняється від інших видів снігу, які ви побачили раніше?

Сніжинки – це особлива форма водяного льоду. Сніжинки утворюються у хмарах, які складаються з водяної пари. Коли температура стоїть на позначці 32°F (0°C) або холодніше, вода перетворюється з рідкої форми на лід. Декілька факторів впливають на утворення сніжинок. Температура, повітряні потоки, вологість - все це має вплив на їх форму та розмір. Бруд та пил можуть змішуватися у воді та змінювати вагу та довговічність кристалів. Частинки бруду роблять сніжинку важчою, здатні зробити її схильною до танення і можуть викликати тріщини і розриви в кристалі. Формування сніжинки є динамічним процесом. Сніжинка може зіткнутися з багатьма різними умовами навколишнього середовища, іноді плавлячись, іноді виростаючи – структура сніжинки постійно змінюється.

2. Які найпоширеніші форми сніжинки?

Як правило, шестикутні кристали формуються у високих хмарах; голки або плоскі шестисторонні кристали - у хмарах середньої висоти, а також широке розмаїття шестисторонніх форм формуються у низьких хмарах. Холодніші температури створюють сніжинки з більш різкими наконечниками з боків кристалів і можуть призвести до розгалуження стрілок. Сніжинки, що з'являються в тепліших умовах, ростуть повільніше, що призводить до більш гладкої та менш складної форми.

0; -3°C - Тонкі гексагональні платівки

3; -6° C - Голки

6; -10 ° C - Порожнисті колони

10; -12°C - Секторні пластини (шестикутники із заглибленнями)

12; -15 ° C - дендрити (мереживні шестикутні форми)

3. Чому сніжинки симетричні?

По-перше, не всі сніжинки однакові з усіх боків. Нерівні температури, наявність бруду та інші фактори можуть призвести до того, що сніжинка стане однобокою. Тим не менш, це правда, що багато сніжинок симетричні і дуже складні в будові. Це тому, що форма сніжинки відбиває внутрішній порядок молекул води. Молекули води у твердому стані, наприклад, снігу та льоду, утворюють слабкі зв'язки (так звані водневі зв'язки) один з одним. Ці впорядковані механізми призводять до симетричної, гексагональної форми сніжинки. При кристалізації молекули води підкоряються максимальній силі тяжіння, а сили відштовхування зводяться до мінімуму. Отже, молекули води вишиковуються в заданих просторах у певному розташуванні, такому, щоб зайняти простір і зберегти симетрію.

4. Чи правда, що не існує двох однакових сніжинок?

І так і ні. Ніколи дві сніжинки не будуть ідентичними, аж до точного числа молекул води, спина електронів, ізотопів водню та кисню тощо. З іншого боку, дві сніжинки можуть виглядати однаково, і будь-яка сніжинка, мабуть, мала свій прототип у якийсь момент історії. Структура сніжинки постійно змінюється відповідно до умов навколишнього середовища і під впливом безлічі факторів, тому здається малоймовірним побачити дві однакові сніжинки.

5. Якщо вода та крига прозорі, то чому сніг виглядає білим?

Коротка відповідь полягає в тому, що сніжинки мають так багато поверхонь, що світловідбивають, що вони розсіюють світло у всіх його кольорах, тому сніг здається білим. Довга відповідь пов'язана з тим, як людське око сприймає колір. Навіть незважаючи на те, що джерело світла не може мати по-справжньому «білий» колір (наприклад, сонячне світло, люмінесцентні та лампи розжарювання мають певний колір), людський мозок компенсує джерело світла. Таким чином, навіть при тому, що сонячне світло жовте, і розсіяне від снігу світло теж жовте, мозок бачить сніг максимального білого кольору, тому що вся картина, отримана мозком, має жовтий відтінок, який автоматично віднімається.

Висновки:

1. Сніжинки – це особлива форма водяного льоду.

2. Температура, повітряні потоки, вологість - фактори, що впливають на форму і розмір сніжинки.

3. Саме порядок молекул води визначає симетричність сніжинки.

їм у реальних снігових кристалах.

Робота 2

Лід та вода в природі.

Роботу виконала Гусєва Аліна

Мета: дізнатися що-небудь нове.

Завдання:

Розглянути значення води в природі;

Розібратися у властивостях та видах води;

Ознайомитись з основними властивостями водного льоду;

Розширити свої знання щодо води загалом.

Вода (оксид водню) - бінарна неорганічна сполука, хімічна формула Н2О. Молекула води складається з двох атомів водню та одного – кисню, які з'єднані між собою ковалентним зв'язком. При нормальних умовах є прозорою рідиною, що не має кольору, запаху і смаку. У твердому стані називається льодом, снігом або інеєм, а в газоподібному - водяною парою. Вода може існувати у вигляді рідких кристалів.

Близько 71% поверхні Землі покрито водою (океани, моря, озера, річки, льоди) – 361,13 млн км2. На Землі приблизно 96,5 % води припадає на океани, (1,7 % світових запасів становлять ґрунтові води, ще 1,7 % на льодовики та крижані шапки Антарктиди та Гренландії, невелика частина в річках, озерах та болотах, та 0,001 % у хмарах). Більшість земної води - солона, і вона непридатна для сільського господарства та пиття. Частка прісної води становить близько 2,5%.

Вода є добрим сильнополярним розчинником. У природних умовах завжди містить розчинені речовини (солі, гази). Вода має ключове значення у створенні та підтримці життя на Землі, у хімічній будові живих організмів, у формуванні клімату та погоди. Є найважливішим речовиною всім живих істот планети Земля.

В атмосфері нашої планети вода знаходиться у вигляді крапель малого розміру, у хмарах та тумані, а також у вигляді пари. При конденсації виводиться з атмосфери як атмосферних опадів (дощ, сніг, град, роса). Вода надзвичайно поширена речовина в космосі, проте через високий внутрішньорідинний тиск вода не може існувати в рідкому стані в умовах вакууму космосу, чому вона представлена ​​тільки у вигляді пари або льоду.

Види води.

Вода на Землі може існувати в трьох основних станах - рідкому, газоподібному і твердому і набувати різних форм, які можуть одночасно сусідити один з одним: водяна пара і хмари в небі, морська вода та айсберги, льодовики та річки на поверхні землі, водоносні шари в землі. Воду часто поділяють на типи за різними принципами. За особливостями походження, складу або застосування виділяють, серед іншого: м'яку і жорстку воду - за вмістом катіонів кальцію та магнію. За ізотопами водню в молекулі: легку (за складом майже відповідає звичайній), важку (дейтерієву), надтяжку воду (тритієву). Також виділяють: прісну, дощову, морську, мінеральну, солонувату, питну, водопровідну, дистильовану, деіонізовану,апірогенну, святу, структуровану, талу, підземні, стічні та поверхневі води.

Фізичні властивості.

Вода у нормальних умовах зберігає рідкий агрегатний стантоді як аналогічні водневі сполуки є газами (H2S, CH4, HF). Через велику різницю електронегативностей атомів водню та кисню електронні хмари сильно зміщені у бік кисню. З цієї причини молекула води має великий дипольний момент(D = 1,84, поступається тільки синильної кислоти). При температурі переходу в твердий стан молекули води впорядковуються, в процесі цього обсяги порожнин між молекулами збільшуються і загальна щільність води падає, що пояснює причину меншої щільності води у фазі льоду. При випаровуванні, навпаки, рвуться всі зв'язки. Розрив зв'язків вимагає багато енергії, чому вода сама велика питома теплоємністьсеред інших рідин та твердих речовин. Для того, щоб нагріти один літр води на один градус, потрібно витратити 4,1868 кДж енергії. Завдяки цій властивості вода часто використовується як теплоносій. Крім великої питомої теплоємності вода також має великі значення питомої теплоти плавлення(при 0 °C - 333,55 кДж/кг) та пароутворення(2250 кДж/кг).

Вода має також високим поверхневим натягомсеред рідин, поступаючись у цьому лише ртуті. Відносно висока в'язкість води обумовлена ​​тим, що водневі зв'язки заважають молекулам води рухатися з різними швидкостями. Вода є добрим розчинником полярних речовин. Кожна молекула розчиняється оточується молекулами води, причому позитивно заряджені ділянки молекули розчиняється притягують атоми кисню, а негативно заряджені - атоми водню. Оскільки молекула води мала за розмірами, багато молекул води можуть оточити кожну молекулу розчинної речовини. негативним електричним потенціалом поверхні.

Чиста вода - гарний ізолятор. Оскільки вода - добрий розчинникв ній практично завжди розчинені ті чи інші солі, тобто у воді присутні позитивні та негативні іони. Завдяки цьому вода проводить електрику. За електропровідністю води можна визначити її чистоту.

Вода має показник заломлення n=1,33в оптичному діапазоні. Однак вона сильно поглинає інфрачервоне випромінювання, і тому водяна пара є основним природним парниковим газом, що відповідає більш ніж 60% парникового ефекту.

Лід - вода у твердому агрегатному стані. Льодом іноді називають деякі речовини у твердому агрегатному стані, яким властиво мати рідку або газоподібну форму при кімнатній температурі; зокрема, сухий лід, аміачний лід або метановий лід.

Основні властивості водного льоду.

В даний час відомі три аморфні різновиди та 15 кристалічних модифікацій льоду. Ажурна кристалічна структура такого льоду призводить до того, що його щільність (рівна 916,7 кг/м при 0 °C) нижче щільності води (999,8 кг/м) при тій же температурі. Тому вода, перетворюючись на лід, збільшує свій обсяг приблизно на 9%. Лід, будучи легшим за рідку воду, утворюється на поверхні водойм, що перешкоджає подальшому замерзанню води.

Висока питома теплота плавлення льоду, що дорівнює 330 кДж/кг, є важливим фактором в обороті тепла на Землі. Щоб розтопити 1 кг льоду або снігу, потрібно стільки ж тепла, скільки потрібно, щоб нагріти літр води на 80 °C. Лід зустрічається в природі у вигляді власне льоду (материкового, плаваючого, підземного), а також у вигляді снігу, інею і т. д. Під дією власної ваги лід набуває пластичних властивостей і плинності. Природний лід зазвичай значно чистіше, ніж вода, оскільки при кристалізації води насамперед у ґрати встають молекули води.

При нормальному атмосферному тиску вода переходить у твердий стан при температурі 0 °C і кипить (перетворюється на водяну пару) при температурі 100 °C. При зниженні тиску температура танення (плавлення) льоду повільно зростає, а температура кипіння води падає. При тиску 611,73 Па (близько 0,006 атм) температура кипіння і плавлення збігається і стає рівною 0,01 °C. Такі тиск та температура називаються потрійною точкою води . При нижчому тиску вода не може перебувати в рідкому стані, і лід перетворюється безпосередньо на пару. Температура сублімації льоду знижується. При високому тиску існують модифікації льоду з температурами плавлення вище за кімнатну.

При зростанні тиску густина водяної пари в точці кипіння теж зростає, а рідкої води - падає. При температурі 374 °C (647 K) та тиску 22,064 МПа (218 атм) вода проходить критичну точку. У цій точці щільність та інші властивості рідкої та газоподібної води збігаються. При вищому тиску та/або температурі зникає різниця між рідкою водою та водяною парою. Такий агрегатний стан називають надкритична рідина».

Вода може знаходиться в метастабільних станах- пересичена пара, перегріта рідина, переохолоджена рідина. Ці стани можуть існувати тривалий час, проте вони є нестійкими і при зіткненні з більш стійкою фазою відбувається перехід. Наприклад, можна отримати переохолоджену рідину, охолодивши чисту воду в чистій посудині нижче 0 °C, проте при появі центру кристалізації рідка вода швидко перетворюється на лід.

Факти.

У середньому в організмі рослин та тварин міститься понад 50 % води.

У складі мантії Землі води міститься у 10-12 разів більше, ніж кількість води у Світовому океані.

Якби всі льодовики розтанули, рівень води в земних океанах піднявся б на 64 м і близько 1/8 поверхні суші було б затоплено водою.

Іноді вода замерзає за позитивної температури.

За певних умов (всередині нанотрубок) молекули води утворюють новий стан, при якому вони зберігають здатність текти навіть при температурах, близьких до абсолютного нуля.

Вода відбиває 5 % сонячних променів, тоді як сніг - близько 85 %. Під лід океану проникає лише 2% сонячного світла.

Синій колір чистої океанської води пояснюється вибірковим поглинанням та розсіюванням світла у воді.

За допомогою крапель води з кранів можна створити напругу до 10 кіловольт, досвід називається «Крапельниця Кельвіна».

Вода - це одна з небагатьох речовин у природі, які розширюються при переході з рідкої фази у тверду.

Висновки:

Вода зберігає рідкий агрегатний стан, має великий дипольний момент, велику питому теплоємність, значення пароутворення, високий поверхневий натяг, негативний електричний потенціал поверхні, хороший ізолятор і розчинник.

Література

1. Вода // Енциклопедичний словник Брокгауза та Ефрона: У 86 томах (82 т. та 4 дод.). – СПб., 1890-1907.

2. Лосєв К. С. Вода. - Л.: Гідрометеоздат, 1989. - 272 с.

3. Гідробіонти у самоочищенні вод та біогенної міграції елементів. - М: МАКС-Прес. 2008. 200 с. Передмова члена-кор. РАН В. В. Малахова. (Серія: Наука. Освіта. Інновації. Випуск 9). ISBN 978-5-317-02625-7.

4. Про деякі питання підтримки якості води та її самоочищення // Водні ресурси. 2005. т. 32. № 3. С. 337-347.

5. Андрєєв В. Г. Вплив протонної обмінної взаємодії на будову молекули води та міцність водневого зв'язку. Матеріали V Міжнародної конференції «Актуальні проблеми науки у Росії». – Кузнецьк 2008, т.3 С. 58-62.

К.х.н. О.В. Мосін

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА ВОДИ У ТРИХ ЇЇ АГРЕГАТНИХ СТАНАХ

Вода, окис водню, H 2 0, найпростіша стійка в звичайних умовах хімічна сполука водню з киснем (11,19% водню та 88,81% кисню за масою). Вода - це безбарвна рідина без запаху і смаку (в товстих шарах має блакитний колір), якій належить найважливіша роль у геологічній історії Землі та виникненні життя, у формуванні фізичного та хімічного середовища, клімату та погоди на нашій планеті. Вода – обов'язковий компонент практично всіх технологічних процесів – як сільськогосподарського, так і промислового виробництва.

Вода входить до складу всіх живих організмів, причому в цілому в них міститься лише вдвічі менше води, ніж у всіх річках Землі. У живих організмах кількість води, крім насіння і суперечка, коливається між 60 і 99,7% по масі. За словами французького біолога Е. Дюбуа-Реймона, живий організм є l'eau animée (одушевлена ​​вода). Всі води Землі постійно взаємодіють між собою, а також з атмосферою, літосферою та біосферою.

Земна куля містить близько 16 млрд. км3 води, що становить 0,25% маси всієї нашої планети. З цієї кількості частку гідросфери Землі (океани, моря, озера, річки, льодовики і підземні води) припадає 1,386 млрд. км3. Прісні поверхневі води (озера і річки) становлять лише 0,2 млн. км3, а водяна пара атмосфери - 13 тис. км3.

Загальна маса розподілених по поверхні Землі снігу і льоду досягає приблизно 2,5-3,0 x 1016 т, що становить лише 0,0004% маси всієї нашої планети. Однак, такої кількості достатньо, щоб покрити всю поверхню Земної кулі 53 метровим шаром, а якби вся ця маса раптом розтанула, перетворившись на воду, то рівень Світового Океану піднявся б у порівнянні з нинішнім приблизно на 64 метри.

Води Землі пронизують її, починаючи з найбільших висот стратосфери аж до величезних глибин земної кори, досягаючи мантії, і утворюють безперервну оболонку планети - гідросферу, що включає всю воду в рідкому, твердому, газоподібному, хімічно і біологічно зв'язному стані.

Гідросфера – водна оболонка Землі, Що включає океани, моря, озера, водосховища, річки, підземні води, грунтову вологу, становить близько 1,4-1,5 млрд. км 3 , причому частку води суші припадає лише близько 90 млн. км 3 . У тому числі підземні води становлять 60, льодовики 29, озера 0,75, грунтова волога 0,075, річки 0,0012 млн. км 3 .

Гідросфера грала і відіграє основну роль геологічної історії Землі, у формуванні фізичної і хімічної середовища, клімату та погоди, у виникненні життя на планеті. Вона розвивалася разом і в тісній взаємодії з літосферою, атмосферою, а потім живою природою.

В атмосферівода знаходиться у вигляді пари, туману та хмар, крапель дощу та кристалів снігу (всього близько 13-15 тис. км 3). Близько 10% поверхні суші постійно займають льодовики. На півночі та північному сході СРСР, на Алясці та Півночі Канади – загальною площею близько 16 млн. км 2 завжди зберігається підґрунтовий шар льоду (всього близько 0,5 млн. км 3 ).

У земній корі – літосферіміститься, за різними оцінками, від 1 до 1,3 млрд. км3 води, що близько до змісту їх у гідросфері. У земній корі значні кількості води перебувають у зв'язаному стані, входячи до складу деяких мінералів та гірських порід (гіпс, гідратовані форми кремнезему, гідросилікати та ін.). Величезні кількості води (13-15 млрд. км 3 ) зосереджено у глибших надрах мантії Землі. Вихід води, що виділялася з мантії в процесі розігріву Землі на ранніх стадіях її формування, і дав, на сучасні погляди, початок гідросфері. Щорічне надходження води з мантії та магматичних вогнищ становить близько 1 км 3 .

Є дані про те, що вода, хоча б частково, має «космічне» походження: протони, що прийшли у верхню атмосферу від Сонця, захопивши електрони, перетворюються на атоми водню, які, поєднуючись з атомами кисню, дають H 2 O.

Вода зустрічається в природних умовах у трьох станах: твердому – у вигляді льоду та снігу, рідкому – у вигляді власне води, газоподібному – у вигляді водяної пари. Ці стани води називають агрегатними станами, або відповідно твердою, рідкою та пароподібною фазами. Перехід води з однієї фази в іншу обумовлений зміною її температури та тиску. На рис. 1 наведена діаграма агрегатних станів води залежно від температури t та тиску P. З рис.1. видно, що в області I вода знаходиться тільки в твердому вигляді, в області II - тільки в рідкому, в III - тільки у вигляді водяної пари. Уздовж кривої AC вона знаходиться в стані рівноваги між твердою та рідкою фазами (плавлення льоду та кристалізація води); вздовж кривої AB - у стані рівноваги між рідкою та газоподібною фазами (випаровування води та конденсація пари); вздовж кривої AD - в рівновазі між твердою та газоподібною фазами (сублімація водяної пари та сублімація льоду).

Рис. 1. Діаграма агрегатних станів води в області потрійної точки А. I – лід. II – вода. III - водяна пара.

Рівнавага фаз по рис.1 вздовж кривих AB, АС і AD треба розуміти як динамічну рівновагу, тобто вздовж цих кривих число новоутворених молекул однієї фази строго дорівнює числу новоутворених молекул іншої фази. Якщо, наприклад, поступово охолоджувати воду при будь-якому тиску, то межі опинимося на кривій AC, де буде спостерігатися вода при відповідних температурі і тиску. Якщо поступово нагрівати лід при різному тиску, то опинимося на тій самій кривій рівноваги АС, але з боку льоду. Аналогічно матимемо воду і водяну пару, залежно від того, з якого боку підходитимемо до кривої AB.

Всі три криві агрегатного стану - АС (крива залежності температури плавлення льоду від тиску), АВ (крива залежності температури кипіння води від тиску), AD (крива залежності тиску пари твердої фази від температури) - перетинаються в одній точці A, що має назву потрійної точки . За сучасними дослідженнями, значення тиску насичувальної пари та температури в цій точці відповідно дорівнюють: P = 610,6 Па (або 6,1 гПа = 4,58 мм рт. ст.), t = 0,01°C (або T = 273,16 К). Крім потрійної точки, крива АВ проходить ще через дві характерні точки - точку, що відповідає кипінню води при нормальному тиску повітря з координатами P = 1,013 10 5 Па і t = 100 ° C, і точку з координатами P = 2,211 10 7 Па і t кр = 374,2°C, що відповідають критичній температурі - температурі, тільки нижче якої водяну пару можна перевести в рідкий стан шляхом стиснення.

Криві АС, АВ, AD, що відносяться до процесів переходу речовини з однієї фази в іншу, описуються рівнянням Клапейрона-Клаузіуса:

де T - абсолютна температура, що відповідає для кожної кривої відповідно до температури випаровування, плавлення, сублімації і т. д.; L - питома теплота відповідно до випаровування, плавлення, сублімації; V 2 - V 1 - різниця питомих обсягів відповідно при переході від води до льоду, від водяної пари до води, від водяної пари до льоду.

Безпосередній досвід показує, що природні води суходолу при нормальному атмосферному тиску переохолоджуються (крива AF) до деяких негативних значень температури, не кристалізуючись. Таким чином, вода має властивість переохолоджуватися, тобто. приймати температуру нижче за точку плавлення льоду. Переохолоджений стан води є станом метастабільним (нестійким), в якому перехід рідкої фази в тверду, що почався в будь-якій точці, триває безперервно, поки не буде ліквідовано переохолодження або поки не перетвориться на тверде тіло вся рідина. Здатність води приймати температуру нижче точки плавлення льоду було виявлено вперше Фаренгейтом ще 1724 р.

Таким чином, льодові кристали можуть виникати лише у переохолодженій воді. Перехід переохолодженої води у твердий стан – лід, відбувається лише за наявності у ній центрів (ядер) кристалізації, як яких можуть виступати зважені частки наносів, що у воді, кристалики льоду чи снігу, які у воду з атмосфери, кристалики льоду, що утворюються в переохолоджену воду в результаті її турбулентного поступального руху, частинки інших речовин, присутніх у водній товщі.

Рис. 2. Фазова діаграма води. Ih, II – IX – форми льоду; 1 – 8 – потрійні точки.

Переохолодження води – термодинамічний стан, при якому температура води виявляється нижчою за температуру її кристалізації. Виникає цей стан в результаті зниження температури води або підвищення температури її кристалізації. Температура води може бути знижена відведенням тепла, що найчастіше зустрічається в природі, або змішуванням її із солоною, наприклад морською водою. Температура кристалізації може бути підвищена шляхом зниження тиску.

У лабораторних умовах при великому тиску та інтенсивному охолодженні дистильовану воду можна переохолодити до температури порядку – 30, а крапель – 50°С. Від глибини переохолодження води залежить швидкість її кристалізації.

Таким чином, діаграму агрегатних станів води – суцільна лінія AD на рис. 1 - слід розглядати як таку, що відноситься до дуже малих теплових навантажень, коли вплив часу на перетворення фази мало. При великих теплових навантаженнях процес фазових перетворень відбуватиметься згідно штрихової кривої AF.

Температура плавлення льоду (крива AC) дуже слабко залежить від тиску. Практично крива AC паралельна горизонтальній осі: при зміні тиску від 610,6 до 1,013·10 5 Па температура плавлення зменшується лише від 0,01 до 0°С. Однак ця температура знижується зі збільшенням тиску тільки до певного значення, потім вона підвищується і при дуже високому тиску досягає порядку 450°С (рис.1.2). Як випливає з рис. 1.2 при високому тиску лід може перебувати і при позитивній температурі. Налічують до десяти різних форм льоду. Форма льоду Ih, на яку характерне зниження температури плавлення зі збільшенням тиску, відповідає звичайному льоду, що утворюється внаслідок замерзання води за нормальних умов. Координати потрійних точок різних форм льоду, позначені на рис.1.2 арабськими цифрами 1-8, наведені в табл. 1.1. Структура та фізичні властивості всіх форм льоду суттєво відрізняються від льоду Ih.

Тверде тіло (лід), як і рідина, випаровується в широкому діапазоні значень температури і безпосередньо переходить у газоподібний стан (ліхтаря), минаючи рідку фазу, - крива AD. Зворотний процес, тобто перехід газоподібної форми безпосередньо в тверду (сублімація), здійснюється також минаючи рідку фазу. сублімація льоду і снігу грають велику роль у природі.

Будова молекули води

Вода є складною речовиною, основною структурною одиницею якої є молекула H 2 O, що складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Схем можливого взаємного розташування атомів H та O в молекулі H 2 O за весь період її вивчення було запропоновано кілька десятків; загальновизнана в даний час схема наведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема будови молекули води: геометрія молекули та електронні орбіти

Повну кінетичну енергію триатомної молекули типу H 2 O можна описати таким виразом:

де і - швидкості відповідно поступального та обертального руху молекули; I x , I y , I z - моменти інерції молекули щодо відповідних осей обертання; m – маса молекули.

З цього рівняння видно, що повна енергія триатомної молекули типу H 2 O складається з шести частин, що відповідають шести ступеням свободи: трьох поступальних і трьох обертальних.

З курсу фізики відомо, що на кожен із цих ступенів свободи при тепловій рівновазі припадає однакова кількість енергії, що дорівнює 1/2 kT, де k=R m /NA = 1,3807·10 -23 Дж/К - постійна Больцмана; Т-абсолютна температура; N A = 6,0220 10 23 моль -1 - число Авогадро; kN A = R m = 8,3144 Дж/(моль К) - універсальна газова стала. Тоді повна кінетична енергія такої молекули дорівнює:

Повна кінетична енергія молекул, що містяться в грам-молекулі будь-якого газу (пара), складе:

Повна кінетична енергія W пов'язана з питомою теплоємністю cv при постійному обсязі формулою:

Підрахунок питомої теплоємності води за цією формулою для водяної пари дає значення 25 Дж/(моль К). За досвідченими даними, для водяної пари cv = 27,8 Дж/(моль К), тобто близько до розрахункового значення.

Вивчення молекули води за допомогою спектрографічних досліджень дозволило встановити, що вона має структуру як би рівнобедреного трикутника: у вершині цього трикутника розташований атом кисню, а на підставі його - два атоми водню. Кут при вершині становить 104 ° 27, а довжина сторони - 0,096 нм. Ці параметри належать до гіпотетичного рівноважного стану молекули без її коливань та обертань.

Відносна молекулярна маса H 2 O залежить від відносної атомної маси її складових і має різні значення, оскільки кисень та водень мають ізотопи.

Кисень має шість ізотопів: 14 O, 15 O, 16 O, 17 O, 18 O, 19 O, з яких стабільні лише три, а водень три: 1 H (протий), 2 H (дейтерій), 3 H (тритій) . Деякі з ізотопів радіоактивні, мають короткий час напіврозпаду і присутні у воді в незначних кількостях, інші отримані тільки штучним шляхом і в природі не зустрічаються.

Таким чином, з огляду на ізотопи кисню та водню, можна скласти з них декілька видів молекули H 2 O з різними відносними молекулярними масами. З них найбільш поширені молекули 1 H 2 16 O з відносними молекулярними масами 18 (звичайна вода) та молекули 2 H 2 16 O з відносними молекулярними масами 20. Останні молекули утворюють так звану важку воду. Тяжка вода за своїми фізичними властивостями значно відрізняється від звичайної води.

Молекулярно-кінетична теорія речовини та води

Структура води у трьох її агрегатних станах ще може вважатися остаточно встановленої. Існує ряд гіпотез, що пояснюють будову пари, води та льоду.

Ці гіпотези більшою чи меншою мірою спираються на молекулярно-кінетичну теорію будови речовини, основи якої було закладено ще М.В. Ломоносовим. У свою чергу, молекулярно-кінетична теорія виходить із принципів класичної механіки, в якій молекули (атоми) розглядаються як кульки правильної форми, електрично нейтральні, ідеально пружні. Такі молекули схильні лише до механічних зіткнень і не відчувають жодних електричних сил взаємодії. З цих причин використання молекулярно-кінетичної теорії може лише у першому наближенні пояснити будову речовини.

Газ - у нашому випадку водяна пара, - згідно з молекулярно-кінетичною теорією, є зібранням молекул. Відстань між ними набагато більше розмірів самих молекул. Молекули газу перебувають у безперервному безладному русі, пробігаючи шлях між стінками судин, у якому укладено газ, і зіштовхуючись друг з одним цьому шляху. Зіткнення молекул між собою відбуваються без втрати механічної енергії; вони розглядаються як зіткнення ідеально пружних кульок. Удари молекул об стінки судини, що обмежує їх, зумовлюють тиск газу на ці стінки. Швидкість руху молекул збільшується з підвищенням температури та зменшується з її падінням.

Коли температура газу, зменшуючись від вищих значень, наближається до температури кипіння рідини (для води 100°C при нормальному тиску), швидкість молекул зменшується, і при зіткненні сили тяжіння між ними стають більше сил пружних відштовхувань при ударі і тому газ конденсується в рідину .

При штучному зрідженні газу температура його має бути нижчою так званої критичної, якій відповідає і критичний тиск (п.1.1). При температурі вище за критичний газ (пар) ніяким тиском не може бути переведений в рідину.

Величина RT кр / (P кр V кр) для всіх газів, у тому числі і для водяної пари, повинна дорівнювати 8/3=2,667 (тут R - газова постійна; T кр, P кр, V кр - відповідно критичні температура, тиск, об'єм). Однак для водяної пари вона дорівнює 4,46. Це тим, що до складу пари входять як одиночні молекули, а й їх асоціації.

Рідина на відміну газу є сукупність молекул, розташованих настільки близько друг від друга, що з-поміж них проявляються сили взаємного тяжіння. Тому молекули рідини не розлітаються в різні боки, як молекули газу, а коливаються біля свого положення рівноваги. Разом з тим, так як будова рідини не цілком щільна, в ній є вільні місця - «дірки», внаслідок чого, за теорією Я.І.Френкеля, деякі молекули, які мають більшу енергію, вириваються зі свого «осілого» місця і стрибком переміщаються в сусідню «дірку», розташовану на відстані приблизно рівному розміру самої молекули. Таким чином, в рідині молекули порівняно рідко переміщуються з місця на місце, а більшу частину часу знаходяться в осілому стані, лише зазнаючи коливальних рухів. Цим, зокрема, пояснюється слабка дифузія в рідинах, порівняно з великою її швидкістю в газах. При нагріванні рідини енергія молекул збільшується, швидкість їх коливання зростає. При температурі 100°C і нормальному атмосферному тиску вода розпадається на окремі молекули H2O, швидкість яких вже може подолати взаємне тяжіння молекул, і вода перетворюється на пару.

При охолодженні рідини (води) відбувається зворотний процес. Швидкості коливального руху молекул зменшуються, структура рідини стає міцнішою, і рідина переходить у кристалічний (твердий) стан-лід. Розрізняють два види твердих тіл: кристалічні та аморфні. Основною ознакою кристалічних тіл є анізотропія їх властивостей за різними напрямками: теплового розширення, міцності, оптичних та електричних властивостей і т. п. Аморфні тіла ізотропні, тобто мають однакові властивості у всіх напрямках. Лід є кристалічним тілом.

У твердому тілі, на відміну газу і рідини, кожен атом чи молекула коливаються лише біля свого становища рівноваги, але з переміщаються. У твердому тілі відсутні дірки, в які можуть переходити окремі молекули. Тому дифузія у твердих тілах відсутня. Атоми, що становлять молекули, утворюють міцну кристалічну решітку, незмінність якої обумовлена ​​молекулярними силами. Коли температура твердого тіла наближається до температури плавлення, кристалічні грати його руйнуються, і воно переходить у рідкий стан. На відміну від кристалізації рідин, плавлення твердих тіл відбувається порівняно повільно, без явно вираженого стрибка.

Кристалізація більшості рідин відбувається із зменшенням об'єму, а плавлення твердих тіл супроводжується збільшенням об'єму. Виняток становлять вода, сурма, парафін та деякі інші речовини, у яких тверда фаза менш щільна, ніж рідка.

Структура води у трьох її агрегатних станах

Проблема оцінки структури води поки що залишається однією з найскладніших. Розглянемо коротко дві узагальнені гіпотези про структуру води, отримали найбільше визнання, одна - у початковий період розвитку вчення структуру води, інша - нині.

Згідно з гіпотезою, запропонованою Уайтінгом (1883 р.) і що має до теперішнього часу різні інтерпретації, основною будівельною одиницею водяної пари є молекула H 2 O, звана гідроль, або моногідроль. Основною будівельною одиницею води є подвійна молекула води (H2O)2-дигідроль; лід складається з потрійних молекул (H 2 O) 3 - тригідроль. На цих уявленнях заснована так звана гідрольна теорія структури води.

Водяна пара, згідно з цією теорією, складається із зібрання найпростіших молекул моногідролю та їх асоціацій, а також з незначної кількості молекул дигідролю.

Вода в рідкому вигляді являє собою суміш молекул моногідролю, дигідролю та тригідролю. Співвідношення числа цих молекул у воді по-різному і залежить від температури. Відповідно до цієї гіпотези, співвідношення кількості молекул води пояснює одну з основних її аномалій - найбільшу щільність води при 4°С.

Оскільки молекула води несиметрична, то центри тяжкості позитивних і негативних зарядів її збігаються. Молекули мають два полюси - позитивний і негативний, що створюють, як магніт, молекулярні силові поля. Такі молекули називають полярними або диполями, а кількісну характеристику полярності визначають електричним моментом диполя, що виражається добутком відстані l між електричними центрами тяжкості позитивних і негативних зарядів молекули на заряд e в абсолютних електростатичних одиницях:

Для води дипольний момент дуже високий: p = 6,13 · 10 -29 км. Полярністю молекул моногідролю і пояснюється утворення дигідролю та тригідролю. Разом з тим, так як власні швидкості молекул зростають з підвищенням температури, цим можна пояснити поступовий розпад тригідролю в дигідроль і далі моногідроль відповідно при таненні льоду, нагріванні і кипінні води.

Інша гіпотеза будови води, що розроблялася у XX столітті (моделі О.Я.Самойлова, Дж.Попла, Г.Н.Зацепіної та ін.), заснована на уявленні, що лід, вода та водяна пара складаються з молекул H 2 O, об'єднаних у групи з допомогою про водневих зв'язків (Дж.Бернал і Р.Фаулер, 1933г.). Ці зв'язки виникають внаслідок взаємодії атомів водню однієї молекули з атомом кисню сусідньої молекули (з сильно електронегативним елементом). Така особливість водневого обміну в молекулі води обумовлюється тим, що віддаючи свій єдиний електрон на утворення ковалентного зв'язку з киснем, він залишається у вигляді ядра, майже позбавленого електронної оболонки. Тому атом водню не відчуває відштовхування від електронної оболонки кисню сусідньої молекули води, а, навпаки, притягується нею, і може вступити з нею у взаємодію. Згідно з цією гіпотезою, можна припустити, що сили, що утворюють водневий зв'язок, є суто електростатичними. Однак, згідно з методом молекулярних орбіталей, водневий зв'язок утворюється за рахунок дисперсійних сил, ковалентного зв'язку та електростатичної взаємодії.

У табл.1 показаний молекулярний склад води, льоду та водяної пари з різних літературних джерел.

Таблиця 1.1
Молекулярний склад льоду, води та водяної пари, %

Таким чином, в результаті взаємодії атомів водню однієї молекули води з негативними зарядами кисню іншої молекули утворюються чотири водневі зв'язки для кожної молекули води. При цьому молекули, як правило, поєднуються в групи - асоціати: кожна молекула виявляється оточеною чотирма іншими (рис. 4). Така щільна упаковка молекул характерна для води в замерзлому стані (лід Ih) і призводить до відкритої кристалічної структури, що належить до гексогональних симетрій. При цій структурі утворюються «порожнечі – канали» між фіксованими молекулами, тому щільність льоду менша за щільність води.

Підвищення температури льоду до його плавлення та вище призводить до розриву водневих зв'язків. При рідкому стані води достатньо навіть звичайних теплових рухів молекул, щоб ці зв'язки зруйнувати.

Рис. 4. Схема взаємодії молекул води. 1 - кисень, 2 - водень, 3 - хімічний зв'язок, 4 - водневий зв'язок.

При підвищенні температури води до 4°С упорядкованість розташування молекул кристалічного типу з характерною структурою для льоду до певної міри зберігається. Наявні в цій структурі зазначені вище порожнечі заповнюються молекулами води, що звільнилися. Внаслідок цього густина рідини збільшується до максимальної при температурі 3,98°С. Подальше зростання температури призводить до спотворення та розриву водневих зв'язків, а, отже, і руйнування груп молекул, аж до окремих молекул, що характерно для пари.

Тож у чому полягають загадкові, незвичайні властивості звичної всім рідкої води? Перш за все, в тому, що практично всі властивості води аномальні, а багато з них не підкоряються логіці законів фізики, які керують іншими речовинами.

Молекули води під час конденсації формує рідку речовину дивовижної складності. У першу чергу це пов'язано з тим, що молекули води мають унікальну властивість об'єднуватися в кластери (групи) (Н 2 О)x. Під кластером зазвичай розуміють групу атомів або молекул, об'єднаних фізичною взаємодією в єдиний ансамбль, але які зберігають усередині нього індивідуальну поведінку. Можливості прямого спостереження кластерів обмежені, тому експериментатори компенсують апаратурні недоліки інтуїцією і теоретичними побудовами.

При кімнатній температурі ступінь асоціації X для води становить, за сучасними даними, від 3 до 6. Це означає, що формула води не просто Н2О, а середнє між Н6О3 і Н12О6. Іншими словами, вода - складна рідина, "складена" з повторюваних груп, що містять від трьох до шести одиночних молекул. Внаслідок цього вода має аномальні значення температури замерзання та кипіння порівняно з гомологами. Якби вода підкорялася загальним правилам, вона мала замерзати при температурі порядку -100 о З і закипати за нормальної температури близько +10 про З.

Якби вода при випаровуванні залишалася у вигляді Н6О3, Н8О4 або Н12О6, то водяна пара була б набагато важчою за повітря, в якому домінують молекули азоту і кисню. І тут поверхню всієї Землі було б покрита вічним шаром туману. Уявити життя на такій планеті практично неможливо.

Людям пощастило: кластери води при випаровуванні розпадаються, і вода перетворюється практично на простий газ з хімічною формулою Н 2 О (виявлене останнім часом у парі незначна кількість димерів Н 4 О 2 погоди не робить). Щільність газоподібної води менша за щільність повітря, і тому вода здатна насичувати своїми молекулами земну атмосферу,створюючи комфортні для людини погодні умови.

На Землі немає інших речовин, наділених здатністю бути рідиною при температурах існування людини і при цьому утворювати газ не тільки легше за повітря, але й здатний повертатися до її поверхні у вигляді опадів.

К.х.н. О.В. Мосін