Строение и свойства воды. А.Свитцов введение в мембранную технологию Учебное пособие. Какая же она – молекула воды

К.х.н. О.В. Мосин

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

Строение молекулы воды (рисунок справа)

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

Водородные связи между молекулами воды (рисунок ниже слева)

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. С давних пор известно, что лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости.

Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.

Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт.

Для других жидкостей зависимость обратная, и почти нигде не бывает, чтобы какой-то важный параметр вёл себя не монотонно, т.е. сначала рос, а после прохождения критического значения температуры или давления уменьшался. Возникло предположение, что на самом деле вода - это не единая жидкость, а смесь двух компонентов, которые различаются свойствами, например плотностью и вязкостью, а следовательно, и структурой. Такие идеи стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много данных об аномалиях воды.

Первым идею о том, что вода состоит из двух компонентов, высказал Уайтинг в 1884 году. Его авторство цитирует Э.Ф. Фрицман в монографии “Природа воды. Тяжёлая вода”, изданной в 1935 году. В 1891 году В. Ренгтен ввёл представление о двух состояниях воды, которые различаются плотностью. После неё появилось множество работ, в которых воду рассматривали как смесь ассоциатов разного состава (“гидролей”).

Когда в 20-е годы определили структуру льда, оказалось, что молекулы воды в кристаллическом состоянии образуют трёхмерную непрерывную сетку, в которой каждая молекула имеет четырёх ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного тетраэдра. В 1933 году Дж. Бернал и П. Фаулер предположили, что подобная сетка существует и в жидкой воде. Поскольку вода плотнее льда, они считали, что молекулы в ней расположены не так, как во льду, то есть подобно атомам кремния в минерале тридимите, а так, как атомы кремния в более плотной модификации кремнезёма - кварце. Увеличение плотности воды при нагревании от 0 до 4°C объяснялось присутствием при низкой температуре тридимитовой компоненты. Таким образом, модель Бернала - Фаулера сохранила элемент двухструктурности, но главное их достижение - идея непрерывной тетраэдрическои сетки. Тогда появился знаменитый афоризм И. Ленгмюра: „Океан - одна большая молекула“. Излишняя конкретизация модели не прибавила сторонников теории единой сетки.

Только в 1951 году Дж. Попл создал модель непрерывной сетки, которая была не так конкретна, как модель Бернала - Фаулера. Попл представлял воду как случайную тетраэдрическую сетку, связи между молекулами в которой искривлены и имеют различную длину. Модель Попла объясняет уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Когда в 60–70-е годы появились первые определения структуры льдов II и IX, стало ясно, как искривление связей может приводить к уплотнению структуры. Модель Попла не могла объяснить немонотонность зависимости свойств воды от температуры и давления так хорошо, как модели двух состояний. Поэтому идею двух состояний ещё долго разделяли многие учёные.

Но во второй половине XX века нельзя было так фантазировать о составе и строении „гидролей“, как это делали в начале века. Уже было известно, как устроен лёд и кристаллогидраты, и многое знали про водородную связь. Помимо „континуальных“ моделей (модель Попла), возникли две группы „смешанных“ моделей: кластерные и клатратные. В первой группе вода представала в виде кластеров из молекул, связанных водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих. Модели второй группы рассматривали воду как непрерывную сетку (обычно в этом контексте называемую каркасом) водородных связей, которая содержит пустоты; в них размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами каркаса. Нетрудно было подобрать такие свойства и концентрации двух микрофаз кластерных моделей или свойства каркаса и степень заполнения его пустот клатратных моделей, чтобы объяснить все свойства воды, в том числе и знаменитые аномалии.

Среди кластерных моделей наиболее яркой оказалась модель Г. Немети и Х. Шераги : предложенные ими картинки, изображающие кластеры связанных молекул, которые плавают в море несвязанных молекул, вошли во множество монографий.

Первую модель клатратного типа в 1946 году предложил О.Я. Самойлов: в воде сохраняется подобная гексагональному льду сетка водородных связей, полости которой частично заполнены мономерными молекулами. Л. Полинг в 1959 году создал другой вариант, предположив, что основой структуры может служить сетка связей, присущая некоторым кристаллогидратам.

В течение второй половины 60-х годов и начала 70-х наблюдается сближение всех этих взглядов. Появлялись варианты кластерных моделей, в которых в обеих микрофазах молекулы соединены водородными связями. Сторонники клатратных моделей стали допускать образование водородных связей между пустотными и каркасными молекулами. То есть фактически авторы этих моделей рассматривают воду как непрерывную сетку водородных связей. И речь идёт о том, насколько неоднородна эта сетка (например, по плотности). Представлениям о воде как о водородно-связанных кластерах, плавающих в море лишённых связей молекул воды, был положен конец в начале восьмидесятых годов, когда Г. Стэнли применил к модели воды теорию перколяции, описывающую фазовые переходы воды.

В 1999 г. известный российский исследователь воды С.В. Зенин защитил в Институте медико-биологических проблем РАН докторскую диссертацию, посвященную кластерной теории, которая явилась существенным этапом в продвижении этого направления исследований, сложность которых усиливается тем, что они находятся на стыке трех наук: физики, химии и биологии. Им на основании данных, полученных тремя физико-химическими методами: рефрактометрии (С.В. Зенин, Б.В. Тяглов, 1994), высокоэффективной жидкостной хроматографии (С.В. Зенин с соавт., 1998) и протонного магнитного резонанса (С.В. Зенин, 1993) построена и доказана геометрическая модель основного стабильного структурного образования из молекул воды (структурированная вода), а затем (С.В. Зенин, 2004) получено изображение с помощью контрастно-фазового микроскопа этих структур.

Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.

Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.

На рисунке (В.Л. Воейков) в качестве примера приведены схемы нескольких простейших кластерных структур.

Некоторые возможные структуры кластеров воды

Переносчиками информации могут быть физические поля самой различной природы. Так установлена возможность дистанционного информационного взаимодействия жидкокристаллической структуры воды с объектами различной природы при помощи электромагнитных, акустических и других полей. Воздействующим объектом может быть и человек.

Вода является источником сверхслабого и слабого переменного электромагнитного излучения. Наименее хаотичное электромагнитное излучение создаёт структурированная вода. В таком случае может произойти индукция соответствующего электромагнитного поля, изменяющего структурно-информационные характеристики биологических объектов.

В течение последних лет получены важные данные о свойствах переохлаждённой воды. Изучать воду при низкой температуре очень интересно, поскольку её удаётся сильнее переохладить, чем другие жидкости. Кристаллизация воды, как правило, начинается на каких-то неоднородностях - либо на стенках сосуда, либо на плавающих частичках твердых примесей. Поэтому найти температуру, при которой бы переохлаждённая вода самопроизвольно закристаллизовалась нелегко. Но учёным удалось это сделать, и сейчас температура так называемой гомогенной нуклеации, когда образование кристаллов льдов идёт одновременно по всему объёму, известна для давлений вплоть до 0,3 ГПа, то есть захватывая области существования льда II.

От атмосферного давления до границы, разделяющей льды I и II, эта температура падает от 231 до 180 К, а потом слегка увеличивается - до 190К. Ниже этой критической температуры жидкая вода невозможна в принципе.

Структура льда (рисунок справа)

Однако с этой температурой связана одна загадка. В середине восьмидесятых годов была открыта новая модификация аморфного льда - лёд высокой плотности, и это помогло возрождению представлений о воде как о смеси двух состояний. В качестве прототипов рассматривались не кристаллические структуры, а структуры аморфных льдов разной плотности. В наиболее внятном виде эту концепцию сформулировали Е.Г. Понятовский и В.В. Синицин, которые в 1999 году написали: „Вода рассматривается как регулярный раствор двух компонентов, локальные конфигурации в которых соответствуют ближнему порядку модификаций аморфного льда“. Более того, изучая ближний порядок в переохлаждённой воде при высоком давлении методами дифракции нейтронов, учёным удалось найти компоненты, соответствующие этим структурам.

Следствием полиморфизма аморфных льдов стали также предположения о расслоении воды на два несмешивающихся компонента при температуре ниже гипотетической низкотемпературной критической точки. К сожалению, по оценке исследователей, эта температура при давлении 0,017 ГПа равна 230К - ниже температуры нуклеации, поэтому наблюдать расслоение жидкой воды никому ещё не удалось. Так возрождение модели двух состояний поставило вопрос о неоднородности сетки водородных связей в жидкой воде. Разобраться в этой неоднородности можно только с помощью компьютерного моделирования.

Говоря о кристаллической структуре воды, следует отметить, что известно 14 модификаций льда, большинство из которых не встречаются в природе, в которых молекулы воды и сохраняют свою индивидуальность, и соединены водородными связями. С другой стороны существует множество вариантов сетки водородных связей в клатратных гидратах. Энергии этих сеток (льдов высокого давления и клатратных гидратов) ненамного выше энергий кубического и гексагонального льдов. Поэтому фрагменты таких структур также могут появляться в жидкой воде. Можно сконструировать бесчисленное множество различных непериодических фрагментов, молекулы в которых имеют по четыре ближайших соседа, расположенных приблизительно по вершинам тетраэдра, но при этом их структура не соответствует структурам известных модификаций льда. Как показали многочисленные расчёты, энергии взаимодействия молекул в таких фрагментах будут близки друг к другу, и нет оснований говорить, что какая-то структура должна преобладать в жидкой воде.

Структурные исследования воды можно изучать разными методами; спектроскопией протонного магнитного резонанса, инфракрасной спекроскопии, дифракцией рентгеновских лучей и др. Например, дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов в воде изучали много раз. Однако подробных сведений о структуре эти эксперименты дать не могут. Неоднородности, различающиеся по плотности, можно было бы увидеть по рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов под малыми углами, однако такие неоднородности должны быть большими, состоящими из сотен молекул воды. Можно было бы их увидеть, и исследуя рассеяние света. Однако вода - исключительно прозрачная жидкость. Единственный же результат дифракционных экспериментов - функции радиального распределения, то есть расстояния между атомами кислорода, водорода и кислорода-водорода. Из них видно, что никакого дальнего порядка в расположении молекул воды нет. Эти функции для воды затухают гораздо быстрее, чем для большинства других жидкостей. Например, распределение расстояний между атомами кислорода при температуре, близкой к комнатной, даёт только три максимума, на 2,8, 4,5 и 6,7 Å. Первый максимум соответствует расстоянию до ближайших соседей, и его значение примерно равно длине водородной связи. Второй максимум близок к средней длине ребра тетраэдра - вспомним, что молекулы воды в гексагональном льду располагаются по вершинам тетраэдра, описанного вокруг центральной молекулы. А третий максимум, выраженный весьма слабо, соответствует расстоянию до третьих и более далёких соседей по водородной сетке. Этот максимум и сам не очень ярок, а про дальнейшие пики и говорить не приходится. Были попытки получить из этих распределений более детальную информацию. Так в 1969 году И.С. Андрианов и И.З. Фишер нашли расстояния вплоть до восьмого соседа, при этом до пятого соседа оно оказалось равным 3 Å, а до шестого - 3,1 Å. Это позволяет делать данные о дальнем окружении молекул воды.

Другой метод исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Однако из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у разных атомов не столь сильно, метод изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже приблизительно установлена другими методами. Затем для этого кристалла измеряют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в ходе которого используют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры известно. Затем на полученной таким образом фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с гораздо большими весами, чем на карте электронной плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, например, определить положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).

Возможна разновидность этого метода, которая состоит в том, что кристалл образовавшийся в воде, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В этом случае нейтронная дифракция не только позволяет установить, где расположены атомы водорода, но и выявляет те из них, способные обмениваться на дейтерий, что особенно важно при изучение изотопного (H-D)-обмена. Подобная информация помогает подтвердить правильность установления структуры.

Другие методы также позволяют изучать динамику молекул воды. Это эксперименты по квазиупругому рассеянию нейтронов, сверхбыстрой ИК-спектроскопии и изучение диффузии воды с помощью ЯМР или меченых атомов дейтерия. Метод ЯМР-спектроскопии основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент - спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким образом, информацию о структуре молекулы.

В результате экспериментов по квазиупругому рассеянию нейтронов в кристаллах воды был измерен важнейший параметр - коэффициент самодиффузии при различных давлениях и температурах. Чтобы судить о коэффициенте самодиффузии по квазиупругому рассеянию нейтронов, необходимо сделать предположение о характере движения молекул. Если они движутся в соответствии с моделью Я.И. Френкеля (известного отечественного физика-теоретика, автора „Кинетической теории жидкостей“ - классической книги, переведённой на многие языки), называемой также моделью „прыжок-ожидание“, тогда время „осёдлой“ жизни (время между прыжками) молекулы составляет 3,2 пикосекунды. Новейшие методы фемтосекундной лазерной спектроскопии позволили оценить время жизни разорванной водородной связи: протону требуется 200 фс для того, чтобы найти себе партнёра. Однако всё это средние величины. Изучить детали строения и характера движения молекул воды можно только при помощи компьютерного моделирования, называемого иногда численным экспериментом.

Так выглядит структура воды по результатам компьютерного моделирования (по данным д.х.н. Г. Г. Маленкова). Общую беспорядочную структуру можно разбить на два типа областей (показаны тёмными и светлыми шариками), которые различаются по своему строению, например по объёму многогранника Вороного (а), степени тетраэдричности ближайшего окружения (б), значению потенциальной энергии (в), а также по наличию четырёх водородных связей у каждой молекулы (г). Впрочем, эти области буквально через мгновение, спустя несколько пикосекунд, изменят свое расположение.

Моделирование проводится так. Берётся структура льда и, нагревается до расплавления. Затем после некоторого времени, чтобы вода "забыла" о кристаллическом происхождении, снимаются мгновенные микрофотографии.

Для анализа структуры воды выбираются три параметра:
- степень отклонения локального окружения молекулы от вершин правильного тетраэдра;
-потенциальная энергия молекул;
-объём так называемого многогранника Вороного.

Чтобы построить этот многогранник, берут ребро от данной молекулы до ближайшей, делят его пополам и через эту точку проводят плоскость, перпендикулярную ребру. Получается объём, приходящийся на одну молекулу. Объём полиэдра - это плотность, тетраэдричность - степень искажения водородных связей, энергия - степень устойчивости конфигурации молекул. Молекулы с близкими значениями каждого из этих параметров стремятся сгруппироваться вместе в отдельные кластеры. Области как с низкой, так и с высокой плотностью обладают разными значениями энергии, но могут иметь и одинаковые значения. Эксперименты показали, что области с разным строением кластеры возникают спонтанно и спонтанно распадаются. Вся структура воды живёт и постоянно меняется, причём время, за которое происходят эти изменения, очень маленькое. Исследователи следили за перемещениями молекул и выяснили, что они совершают нерегулярные колебания с частотой около 0,5 пс и амплитудой 1 ангстрем. Наблюдались также и редкие медленные скачки на ангстремы, которые длятся пикосекунды. В общем, за 30 пс молекула может сместиться на 8-10 ангстрем. Время жизни локального окружения тоже невелико. Области, составленные из молекул с близкими значениями объёма многогранника Вороного, могут распасться за 0,5 пс, а могут жить и несколько пикосекунд. А вот распределение времён жизни водородных связей очень велико. Но это время не превышает 40 пс, а среднее значение - несколько пс.

В заключение следует подчеркнуть, что теория кластерного строения воды имеет много подводных камней. Например, Зенин предполагает, что основной структурный элемент воды - кластер из 57 молекул, образованный слиянием четырёх додекаэдров. Они имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. То, что молекулы воды могут располагаться по вершинам пентагонального додекаэдра, известно давно; такой додекаэдр - основа газовых гидратов. Поэтому ничего удивительного в предположении о существовании таких структур в воде нет, хотя уже говорилось, что никакая конкретная структура не может быть преобладающей и существовать долго. Поэтому странно, что этот элемент предполагается главным и что в него входит ровно 57 молекул. Из шариков, например, можно собирать такие же структуры, которые состоят из примыкающих друг к другу додекаэдров и содержат 200 молекул. Зенин же утверждает, что процесс трёхмерной полимеризации воды останавливается на 57 молекулах. Более крупных ассоциатов, по его мнению, быть не должно. Однако если бы это было так, из водяного пара не могли бы осаждаться кристаллы гексагонального льда, которые содержат огромное число молекул, связанных воедино водородными связями. Совершенно неясно, почему рост кластера Зенина остановился на 57 молекулах. Чтобы уйти от противоречий, Зенин и упаковывает кластеры в более сложные образования - ромбоэдры - из почти тысячи молекул, причём исходные кластеры друг с другом водородных связей не образуют. Почему? Чем молекулы на их поверхности отличаются от тех, что внутри? По мнению Зенина, узор гидроксильных групп на поверхности ромбоэдров и обеспечивает память воды. Следовательно, молекулы воды в этих крупных комплексах жёстко фиксированы, и сами комплексы представляют собой твёрдые тела. Такая вода не будет течь, а температура её плавления, которая связана с молекулярной массой, должна быть весьма высокой.

Какие свойства воды объясняет модель Зенина? Поскольку в основе модели лежат тетраэдрические постройки, её можно в той или иной степени согласовать с данными по дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Однако вряд ли модель может объяснить уменьшение плотности при плавлении - упаковка додекаэдров менее плотная, чем лёд. Но труднее всего согласуется модель с динамическими свойствами - текучестью, большим значением коэффициента самодиффузии, малыми временами корреляции и диэлектрической релаксации, которые измеряются пикосекундами.

К.х.н. О.В. Мосин

Cписок литературы:
Г.Г. Маленков. Успехи физической химии, 2001
С.В.Зенин, Б.М. Полануер, Б.В. Тяглов. Экспериментальное доказательство наличия фракций воды. Ж. Гомеопатическая медицина и акупунктура. 1997.№2.С.42-46.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.№4.С.636-641.
С.В. Зенин Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса. Докл.РАН.1993.Т.332.№3.С.328-329.
С.В.Зенин, Б.В.Тяглов. Природа гидрофобного взаимодействия. Возникновение ориентационных полей в водных растворах. Ж.Физ.химии.1994.Т.68.№3.С.500-503.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов, Г.Б.Сергеев, З.А. Шабарова. Исследование внутримолекулярных взаимодействий в нуклеотидамидах методом ЯМР. Материалы 2-й Всесоюзной конф. По динамич. Стереохимии. Одесса.1975.с.53.
С.В. Зенин. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем. Диссертация. Доктор биологических наук. Государственный научный Центр «Институт медико-биологических проблем» (ГНЦ «ИМБП»). Защищена 1999. 05. 27. УДК 577.32:57.089.001.66.207 с.
В.И. Слесарев. Отчет о выполнении НИР

Выясним сначала структуру термодинамического предшественника воды - льда. Тем самым мы повторим путь всех исследователей воды. Каждый из них, пытаясь понять структуру воды, рано или поздно приходил к необходимости разобраться в структуре льда.

В 1910 г. американский физик П. Бриджмен и немецкий исследователь Г. Тамман обнаружили, что лед может образовывать несколько полиморфных кристаллических модификации. Сейчас известно 9 модификаций льда, у них различные кристаллические решетки, различные плотности и температуры плавления. Всем нам хорошо знакомым лед называется "льдом I", другие модификации льда существуют при давлениях, превышающих 2000 ат. Например, лед Ш, образующийся при давлении 2115 ат, тяжелее воды, а лед VI (при давлении около 20 000 ат) плавится при температуре, превышающей 80 °C. В обычных условиях мы можем наблюдать лишь лед I, он и изучен наиболее полно. Ниже речь идет именно о нем.

Каждая молекула воды может образовывать до четырех водородных связей, если вблизи окажется достаточное количество подходящих соседей, причем благодаря свойству кооперативности каждая последующая связь требует для своего образования меньше энергии, поэтому она будет образовываться с большей вероятностью, чем предыдущая.

Во льду все молекулы связаны между собой водородными связями. При этом четыре связи каждой молекулы локально организованы в тетраэдрическую структуру, т.е. четыре близлежащие молекулы располагаются в вершинах трехгранной пирамиды, в центре которой находится пятая молекула воды.

Таким образом, тетраэдрическая форма отдельной молекулы повторяется в кристаллической структуре льда. Возможно, определенную роль здесь играет то, что угол H-O-H молекулы H 2 O почти равен идеальному тетраэдрическому углу 109°, а молекулы воды, как мы знаем, объединяются с помощью водородных связен, которые они образуют именно в направлении O-H. Эти трехгранные пирамиды могут также объединятся в некую сверхструктуру. Во льду такая сложная трехмерная сверхструктура из тетраэдров простирается на весь объем.

Начиная с любого атома кислорода, переходя от соседа к соседу по водородным связям, можно строить бесконечное число различных замкнутых фигур. Все такие фигуры представляют собой некие "гофрированные" многоугольники причем число сторон всегда кратно шести, а самый короткий путь от молекулы "к себе самой" проходит по сторонам обычного шестиугольника. Поэтому структуру льда называют шестиугольной, или гексагональной.

Если забыть о тетраэдрах, то можно увидеть, что молекулярная структура льда состоит из зигзагообразных слоев, причем каждая молекула H 2 O связана с тремя молекулами своего слоя и одной молекулой соседнего слоя. Количество соседей одной молекулы (в данном случае равное четырем) называется координационным числом и легко измеряется рентгеноструктурным методом. Как видим, ажурная сеть водородных связей превращает молекулярную структуру льда в рыхлую конструкцию с большим количеством пустот.

Если очень сдавить лед I, то он перейдет в другие кристаллические формы, и хотя структура его несколько изменится, но основные элементы тетраэдрической конструкции сохранятся. При умеренных давлениях (лед II, VI и IX) часть водородных связей выходит из тетраэдрической структуры (благодаря чему лед становится несколько плотнее), но любые четыре ближайшие атома кислорода по-прежнему объединяются водородными связями. Даже при очень больших давлениях (лед VIII и VII) локально сохраняется тетраэдрическая структура.

Впервые молекулярную структуру льда установил в начале нашего века английский ученый Уильям Брэгг, разработавший рентгеноструктурный метод анализа кристаллов. Он обнаружил, что каждая молекула H 2 O во льду окружена четырьмя другими молекулами. Но он смог исследовать именно молекулярную структуру льда, установить же, как в этой структуре располагаются атомы кислорода и водорода, ни Брэгг да и никто другой в то время не могли. Брэгг пользовался рентгеноструктурным методом, который в то время позволял наблюдать лишь сравнительно крупные атомы, такие, как кислород или кремний. Небольшие атомы вроде водорода не видны при рентгеноструктурном анализе. Лишь в конце 40-х годов XX века, когда появились новые, более чувствительные спектроскопические методы, удалось установить расположение атомов водорода в структуре льда.

Однако еще в 1932 г. ученик Брэгга профессор Бернал смог чисто умозрительно понять, как должны располагаться в молекулярной структуре льда атомы кислорода и водорода.

Бернал шел от конфигурации молекулы H 2 O. Он понял, что именно молекула воды определяет всю структуру льда. Рассуждал Бернал следующим образом: каждый атом водорода может "зацепиться" только за один "чужой" атомом кислорода, связывая тем самым два атома кислорода ("свой" и "чужой" атомы) одной водородной связью, следовательно, каждая молекула H 2 O может соединиться с помощью водородных связей с четырьмя соседними молекулами, две из которых образуют свои атомы водорода и две - атомы соседних молекул, а так как молекула H 2 O "однобока", то такая конфигурация должна быстро заполнить пространство, образуя тетраэдрическую структуру.

Эти гипотезы были позднее подтверждены спектроскопическими исследованиями и сейчас известны как "правила Бернала-Фаулера". Действительно, оказалось, что каждый атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода, находящимися на линии O-O. С двумя "своими" атомами он связан ковалентной связью, а с двумя "чужими" - с помощью водородной связи. Вообще говоря, определения "свой", "чужой" не совсем точно описывают молекулярную жизнь льда. Как было установлено, ни один водород не фиксирован на своем месте. Каждый водород точно знает только свою связь O-O, но на этой линии у него есть два возможных положения - около "своего" и около "чужого" атомов кислорода. В каждом из этих положений он проводит в среднем половину своего жизненного времени. Если обозначить, как это принято в химии, черточкой валентную связь, а точками - водородную, то можно сказать, что во льду непрерывно идет реакция:

O-H....O ↔ O....H-O

Как видим, молекулярная жизнь льда довольно динамична. Но это касается только атомов водорода атомы кислорода прочно сидят на своих местах и расстояние в каждой паре O-O сохраняется неизменным и равным 2,76 A.

Очевидно, что непоседливость атомов водорода безусловно должна влиять на электрические и диэлектрические свойства льда. Лед обладает довольно высокой электропроводностью. Возможно, эта особенность льда объясняется тем, что в присутствии внешнего электрического поля перескоки атомов водорода становятся более направленными.

Структура реального льда не является абсолютно идеальной, в ней, как и в любом другом кристалле, встречают дефекты. Датский исследователь И. Бьеррум установил, что дефекты льда могут быть двух видов: 1) на линии O-O нет ни одного атома водорода (бьеррумовский Л-дефект); 2) на линии O-O находится два атома водорода (Д-дефект). Разумеется энергия дефекта больше энергии бездефектной связи, поэтому дефекты не сидят на одной и той же связи все время, а довольно интенсивно мигрируют по всей структуре льда. При этом они ведут себя так, как будто они являются некими частицами разных знаков. Два одинаковых дефекта (например, Д-дефекты) будут отталкиваться - ведь один дефект приводит к увеличению локальной энергии, а уж два дефекта иметь рядом тем более энергетически невыгодно. Интуитивно также ясно, что два различных дефекта будут притягиваться и при встрече аннигилировать - уничтожать друг друга.

Во льду концентрация дефектов невелика - всего один на 2,5 миллиона молекул. Так что бьеррумовские дефекты для льда - это тонкости, почти незаметные для структуры льда. Иное дело в воде, где концентрация таких дефектов возрастает в 25 тысяч раз и составляет величину один дефект на 100 молекул. Величина эта настолько значительна, что становится ясно - в воде бьеррумовские дефекты играют существенную роль. Была предпринята даже попытка описывать воду как лед с большой концентрацией дефектов, которая, в общем-то, оказалась не очень состоятельной, но тем не менее построенная таким образом теория смогла объяснить некоторые явления.

Теперь перейдем к воде в жидком состоянии. Современное понимание молекулярной структуры воды ведет свою историю со статьи английских ученых Бернала и Фаулера, которая появилась в 1933 г. в августовском номере только что созданного международного журнала по химической физике Journal of Chemical Physics. Эта статья остается одной из самых замечательных вех на тернистом пути познания природы.

В то время существовало довольно простое - скорее филологическое, чем естественнонаучное - объяснение аномальных свойств воды. Считалось, что вода, ассоциированная жидкость, т.е. ее молекулы объединяются в большие дегидрольные супермолекулы (H 2 O) 2 , (H 2 O) 3 , . . . (H 2 O) n , благодаря которым вода и обладает аномальными свойствами. Было совершенно не ясно, почему и как именно молекулы H 2 O объединяются, как распределяются различные ассоциаты по объему воды. И самое главное, такой подход, вообще говоря, не объяснял природу особых свойств воды.

Пытаясь найти собственное понимание молекулярной структуры воды, Бернал начал с анализа экспериментальных фактов. Нельзя сказать, чтобы в то время, в 30-е годы XX века, этих фактов было достаточно, но все-таки они были. Благодаря блестящим исследованиям создателя рентгеноструктурного анализа кристаллов Уильяма Брэгга прояснилась молекулярная структура льда. Кроме данных о структуре льда, в распоряжении Бернала были рентгенограммы жидкой воды, а также полученные с помощью таких рентгенограмм так называемые функции радиального распределения, т.е. относительное содержание молекул, находящихся на тех или иных расстояниях друг от друга. Помимо чисто экспериментальных фактов, Бернал имел возможность, разумеется, пользоваться идеями, гипотезами и предположениями, которых к началу 30-х годов накопилось уже довольно много. Однако обилие этих идей могло скорее помешать, чем помочь разработке теории воды. За исключением, пожалуй, одной старой идеи, восходящей еще к знаменитому Вильгельму Рентгену, который высказал предположение, что молекулярная структура льда каким-то образом должна повторяться и в структуре жидкой воды. Одно время эта идея пользовалась большой популярностью среди ученых, но все попытки применить ее к описанию природы аномальных свойств воды оканчивались неудачей. Даже самое простое свойство воды - то, что она тяжелее льда, - не удавалось объяснить с помощью этой идеи. Более того, казалось, что эта особенность воды просто противоречит ей. В самом деле, если допустить существование в воде какой-то сильно искаженной структуры льда, то вода должна быть легче. Любое нарушение четкой структуры, любой беспорядок только увеличивает объем, занимаемый структурой. Следовательно, такая вода должна быть легче льда.

В общем, несмотря на красоту и заманчивость рентгеновской идеи, воспользоваться ею до 30-х годов никто не смог. Она так и оставалась в "банке идей" скорее как эстетическая, чем логическая категория, как общее утверждение, что "вода - это жидкость, еще сохранившая воспоминание о кристаллической структуре, из которой она произошла" (формулировка французского физика Клемена Дюваля).

Анализируя природу воды, Бернал много времени потратил на изучение льда. Он был уже близок к той теории льда, о которой мы говорили выше. Но сама по себе теория льда, не способная перейти в теорию воды, особой ценности не представляет. А вот с водой все по-прежнему оставалось неясно.

И тут вмешался случай, которому было угодно, чтобы дождливой осенью 1932 г. профессор Бернал поехал с группой английских ученых в Советский Союз. Случаю было также угодно, чтобы в день отлета английской делегации на Москву опустился густой осенний туман. Аэрофлот в то время не баловал своих клиентов роскошными залами, поэтому Берналу не оставалось ничего другого, как бродить в тумане вокруг аэродрома. Совершенно случайно его спутником в этих прогулках оказался очень любознательный человек, профессор Р. Фаулер. "Больше всего прочего, - вспоминал позднее Бернал, - нас занимал туман, нас окружавший, и естественно, что о нем и пошла речь. Туман состоит из воды... и профессор Фаулер, большой знаток термодинамики, но не очень сведующий в структурных вопросах, попросил меня объяснить структуру воды, как я эти проблему понимаю. И тут я задумался над ней заново - в свете наших московских дискуссий". Прогулка двух профессоров продолжалась более двенадцати часов и оказалась очень плодотворной, им удалось найти простое и красивое решение проблемы воды. Через несколько месяцев совместная работа Бернала и Фаулера появилась в печати и стала основой современного понимания молекулярной природы воды.

Рассказывая Фаулеру о воде, профессор Бернал упомянул и старую идею Рентгена, в которую уже мало кто верил. Совершенно неожиданно они нашли чрезвычайно важный аргумент в пользу этой идеи. Он был получен методом "от простого". "А что было бы с водой, - спросил Фаулер, если бы оно не обладала молекулярной структурой? Например, какова была бы плотность такой воды?" В такой воде каждая молекула H 2 O должна быть окружена не менее чем шестью соседями, как при любой плотной упаковке. Можно рассчитать, что плотность такой воды была бы не 1 г/см 3 , а 1,8 г/см 3 . Так как ни при каких температурах плотность реальной воды и близко не приближается к этой цифре, то отсюда следует, что в жидкой воде при любой температуре существует какая-то молекулярная структура, скорее всего похожая на молекулярную структуру льда. Именно эта структура удерживает молекулы воды от плотной упаковки.

Позднее это предположение было подтверждено рентгеноструктурным анализом, с помощью которого удалось установить, что так называемое "координационное число" воды (т.е. среднее число соседей любой молекулы) равно 4,4. Так как координационное число льда равно 4, то число соседей "среднестатистической" молекулы H 2 O при переходе из твердого в жидкое состояние возрастает лишь на 0,4 соседа. Следовательно, из каждых 10 молекул воды 8 по-прежнему окружены четырьмя соседями, а около двух других появятся две новые молекулы.

Да но как теперь быть с аномальным поведением льда при плавлении? Ведь выше мы как будто пришли к выводу, что искажение структуры должно приводить к снижению плотности любой субстанции. Обсуждая это противоречие, Бернал и Фаулер пришли в конце концов к выводу, что при плавлении льда происходит не искажение, а перестройка структуры, при этом дальний порядок льда разрушается, но внутри небольших областей молекулярная кристаллоподобная конструкция сохраняется. В то время уже было известно, что подобная перестройка может привести к увеличению плотности. Бернал и Фаулер в своей статье сослались на данные рентгеноструктурного анализа тридимита и кварца, которые очень близки к соответствующим данным для льда и воды. Тридимит и кварц - это два различных кристаллических состояния кремнезема SiO 2 . Химический состав кварца и тридимита одинаков, молекулярные структуры также одинаковы - как в кварце, так и в тридимите молекулы образуют тетраэдрические конструкции. Но плотность кварца приблизительно на 10% больше плотности тридимнта. Почему же одна и та же структура, одни и те же молекулы, а плотность разная? Ответ на этот вопрос Берналу и Фаулеру был известен. Так как и кислород и кремний являются достаточно крупными атомами, то они хорошо видны на рентгенограммах, поэтому все тонкости структур этих кристаллов в 30-е годы уже были выяснены. Эти тонкости состоят в том, что расстояние между ближайшими молекулами в этих кристаллах одинаковы, а вот расстояние до следующих (не ближайших) соседей у них различно, т.е. первые координационные сферы у них одинаковы, а размер второй сферы у кварца 4,2 A, а у тридимита - 4,5 A. Это и объясняет различия плотности кварца и тридимита.

Если же вспомнить, что, во-первых, лед также имеет тетраэдрическую структуру и, во-вторых, что плотность льда и воды отличаются на 9%, то легко понять уверенность Бернала и Фаулера в том, что структура льда подобна структуре тридимита, а структура воды подобна структуре кварца. Далеко не все детали их теории выдержали испытание временем, позднее появились более изощренные теории, но их статья в Journal of Chemical Physics остается одной из наиболее важных вех на теоретическом пути познания воды.

Как это часто бывает, теория Бернала-Фаулера оказалась верной лишь в своей методологической части, а многие ее детали не подтвердились дальнейшими экспериментами. В частности, никаких кварцеподобных структур обнаружить в жидкой воде не удалось. А вот представление о воде как о жидкости с сильно развитым ажурным каркасом находило все больше и больше подтверждений.

Бесспорным достижением XX века явилось ясное понимание того, что структура льда как-то сохраняется и в воде, или, пользуясь формулировкой Клемена Дюваля, - вода помнит свое происхождение. Но почему она помнит, а другие жидкости лишены этой способности? Ведь лед (если забыть, что он существует не в "своем" температурном диапазоне), в общем-то, довольно обычный кристалл. Наличие у него особой молекулярной структуры не так уж и странно. Все кристаллы образуют какие-нибудь (подчас удивительные) структуры. Но при плавлении они порождают вполне тривиальные, обычные жидкости. Лед тоже плавится и тоже порождает жидкость, но она необычна. Почему? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что молекулы большинства веществ удерживаются в узлах своих кристаллических структур довольно слабыми вандерваальсовыми или электрическими силами. Молекулы же H 2 O удерживаются в гексагональной структуре льда водородными связями, отличие которых от вандерваальсова и электростатического взаимодействий весьма существенно. Водородные связи значительно сильнее и, самое главное, их действие строго направлено в пространстве. Последнее свойство приводит к тому, что водородная связь при плавлении льда разрушается только "сразу", она не может постепенно "ухудшаться", прежде чем окончательно разорваться . Это очень важное отличие льда от других кристаллов. Ведь при нагревании кристалла в первую очередь усиливается тепловое движение отдельных молекул которые постепенно все дальше и дальше отклоняются от всего узла идеальной кристаллической структуры. И вот здесь проявляется эффект направленности водородных связей. Предположим, что все молекулы кристалла сидят в узлах идеальной структуры. И вдруг одна молекула выскакивает из своего узла и удаляется от него на некоторое расстояние. В обычном веществе эта молекула все равно сохраняет связь со своими соседями по кристаллической решетке. Конечно, сцепление между ними ухудшается, энергия взаимодействия увеличивается, но связь остается. Если же подобное событие происходит во льду, то непоседливая молекула обязательно разорвет все свои водородные связи, она не может "чуть-чуть" отклониться от узла кристаллической решетки, сохранив при этом все свои водородные связи. Ведь водородные связи ее соседей протянуты в совершенно определенную точку пространства, и если молекула уходит из этой точки, то тем самым она теряет возможность "замкнуть" свои два протона и два неподеленных электрона. На первый взгляд, может показаться, что как раз вода должна быстро забыть свое кристаллическое прошлое. Получается, что молекулы H 2 O "порывают" со своим прошлым сразу и бесповоротно. Строго говоря, так и должно быть, если бы сразу большое количество молекул во льду могло разорвать все свои водородные связи. Но чтобы такое событие произошло в молекулярной жизни льда, нужно сконцентрировать в одном месте сразу довольно большую (по молекулярным масштабам) энергию.

Отдельная молекула воды не может постепенно накапливать энергию, чтобы по достижении определенного энергетического уровня оторваться от соседей. Воспользовавшись известным физическим лексиконом, можно сказать, что каждая молекула льда сидит в глубокой энергетической яме с совершенно отвесными краями. Выскочить из такой ямы очень трудно, а если выскочившая молекула "оступится", она сразу окажется внизу, в структуре идеального льда. Поэтому, во-первых, вероятность разрыва водородных связей мала, а во-вторых освободив из кристаллической структуры всего одну молекулу H 2 O, лед отдаст сразу довольно большую энергетическую дань кинетическим процессам плавления и тем самым может сохранять значительное число молекул в кристаллической структуре.

Энергетические ямы, в которых находятся другие вещества, имеют иной вид. Между состояниями, соответствующими кристаллу и жидкости, находится целый ряд промежуточных состояний. Поэтому молекулы обычных веществ могут постепенно накапливать энергию, переходя из одной промежуточной ямы в другую. Если же какая-либо молекула потеряет часть энергии, то она окажется не в самом низу ямы, а может задержаться в каком-либо промежуточном состоянии. В результате этого довольно быстро в процесс плавления вовлекаются все молекулы кристалла. Средняя энергия молекул постепенно растет, при этом индивидуальные колебания энергии молекул не слишком велики. Если изобразить плавление обычного кристалла в некоем фазово-энергетическом пространстве, то можно будет увидеть, что при плавлении все молекулы держатся довольно компактной группой. В самом деле, каждая точка такого пространства обозначает энергетический уровень молекул. В начале плавления все точки сольются в одну сплошную точку, соответствующую кристаллическому состоянию. В процессе плавления обычного вещества эта точка поползет вверх, постепенно размываясь и распадаясь на отдельные точки. Потом центральная точка распадется на более мелкие точки, которые, в свою очередь, будут также распадаться, и завершится этот процесс образованием большого, относительно плотного роя точек с центром, соответствующим жидкому состоянию. Картина плавления льда в такой интерпретации будет выглядеть совершенно иначе. Своеобразие энергетического профиля молекул льда позволяет достаточно большому числу молекул H 2 O во время плавления сохранять кристаллическую гексагональную структуру из водородных связей, в каждый момент времени в процессе плавления фактически участвует лишь небольшое количество молекул воды. В начале плавления все молекулы "сидят" на энергетическом уровне, соответствующем состоянию льда. По мере нагревания льда отдельные молекулы вырываются из кристаллической структуры и сразу оказываются на энергетическом уровне молекул без водородных связей. Между этими двумя уровнями идет непрерывный обмен, часть "жидких" молекул встраивается в гексагональную структуру, из которой за это же время какая-то часть молекул освобождается. По мере нагревания льда число уходящих из ледяной структуры молекул растет, а число возвращающихся падает. Но даже после полного завершения плавления достаточно большая часть водородных связей, существовавших во льду, сохраняется и в воде.

Описанная выше картина плавления льда - это идеализация, соответствующая так называемой двухструктурной модели воды, т.е. модели, в которой допускаются только два состояния молекул H 2 O - либо совершенно свободные мономеры, либо полностью включенные в гексагональную структуру. В этой связи может возникнуть вопрос: а допустима ли такая смесь мономеров и гексагональной решетки? Вспомним: структура льда рыхлая, в ней много пустот, атомы расположены довольно просторно. Каждая полость окружена шестью молекулами H 2 O, а каждая молекула - шестью полостями, которые образуют сплошные микроскопические каналы. Автор одной из первых физических теорий воды советский ученый О. Самойлов вычислил размер полостей и установил, что в них вполне может разместиться одна молекула воды, не задевая и не разрушая основного каркаса водородных связей. Самойлов высказал еще в 40-х годах XX века предположение, что в процессе плавления льда часть водородных связей разрывается, появляются свободные мономеры H 2 O, которые и заполняют частично полости водородного каркаса.

В 1952 г. американским ученым Хеггсу, Хастеду и Буханану удалось по данным зависимости диэлектрических свойств воды от температуры установить, что при 25 °C в жидкой воде 67% всех молекул H 2 O сохраняют все четыре водородные связи, 23,2% по три водородные связи, 7,6% - по две водородные связи и лишь 0,2% - полностью свободных молекул. Несомненно, реальная структура воды сложнее той, которую предполагают двухструктурные модели, однако благодаря своей простоте они довольно наглядны и в качестве "нулевого" приближения подходят.

Были предложены и другие теории молекулярного состояния воды. Например, английский физик Д.Ж. Попл предполагал, что при плавлении льда водородные связи вообще не рвутся, а как-то "изгибаются". Профессор Бернал, развивая его идею, построил новую теорию воды, согласно которой молекулы H 2 O образуют небольшие замкнутые кольца из четырех, пяти и более молекул. Но подавляющее большинство этих колец, считал Бернал, состоит только из пяти молекул, так как угол H-O-H в молекуле воды близок к 108° - углу правильного пятиугольника.

Л. Полинг в 1952 г. высказал предположение, что структура воды подобна структуре клатратных гидратов типа Cl 2 10H 2 O. Эйринг выдвинул теорию значащих структур, которая предполагает, что в воде существует две кристаллоподобные структуры: лед I и лед III. Водородные связи в структуре льда III несколько сжаты и слегка изогнуты, поэтому лед этот на 20% плотнее льда I.

Г. Намети и X. Шерага предположили, что каждая молекула воды может находиться в одном из пяти допустимых энергетических состояний, определяемых тем, сколько водородных связей она образует (0, 1, 2, 3 или 4). Предполагается, что молекулы собираются в льдоподобные "рои". Проделав обычный для статистической механики анализ, Намети и Шерага нашли количество молекул воды в отдельных роях, образующих 4, 3 и 2 водородные связи. Полученный таким образом молярный объем системы имеет минимум при 4 °C, другие параметры также неплохо соответствуют экспериментальным результатам. Однако теория Намет и Шерага, как и двухструктурная модель, противоречит целому ряду спектроскопических данных. Это общий недостаток всех теории, предполагающих существование четко различающихся структур в воде. В реальной воде, по-видимому существует широкий и непрерывный спектр различных молекулярных структур.

Все теории (здесь мы упомянули лишь некоторые) более или менее согласуются с наблюдаемыми экспериментальными данными, но для каждой из них рано или поздно обнаруживались факты, которые они не могли объяснить. Это, разумеется, не означает, что теории неверны. Каждая из них представляла определенную степень приближения к истинной реальной картине физического состояния воды и работала на будущую окончательную теорию.

С появлением компьютеров и возможностей моделировать на них самые разные процессы удалось резко сократить число достоверных теорий. С помощью таких экспериментов удалось точно определить, какая доля молекул воды сохраняет все четыре водородные связи, какая - три, две, одну и сколько в воде совершенно свободных молекул-мономеров. На рисунке показана полученная с помощью машинного эксперимента гистограмма распределения водородных связей в воде при 10 °C.

Как видим, в воде существует довольно значительная часть всех видов молекул - от полностью свободных до полночью связанных. Гистограммы для других температур похожи но в случае более высоких температур максимум гистограммы (который в случае 10 °C приходится на значение 2,3 водородные связи на молекулу) смещается в область меньших значений числа водородных связей.

Оказалось, что в воде с равным успехом образуются как пяти-, так и шестиугольники, без какого-либо предпочтения одних другим. Это, кстати, означает, что водородные связи могут растягиваться и искривляться. Полученный таким образом результат перечеркнул все модели "айсбергов", которые постулировали, что вода - это море полностью свободных молекул, в котором плавают более или менее крупные фрагменты ледяных структур. Хотя кластеры с 1, 2, 3 ... числом водородных связей и присутствуют, но доля их мала. Так как ледяные структуры образуют только шестиугольники, то такой поход, разумеется, совершенно исключает возможность появления в воде пятиугольных структур.

Обобщая результаты многочисленных компьютерных экспериментов, можно сказать, что топологию молекулярной структуры воды нельзя трактовать в виде какой-либо гексагональной структуры льда со случайно разорванными водородными связями. Более того, эта структура представляет собой единое целое в любом объеме воды. Машинные эксперименты показали, что сеть водородных связей находится выше "порога критической перколяции". Это означает, что в любом объеме воды всегда найдется по крайней мере одна сплошная цепочка из водородных связей, пронизывающая весь объем воды.

Как же теперь, в свете результатов компьютерных экспериментов, можно представить физическую природу воды? На молекулярном уровне вода, по-видимому, представляет собой случайным образом организованную трехмерную сеть водородных связей. Локально эта сеть стремится к тетраэдрической конфигурации. Это означает, что ближайшие соседи среднестатистической молекулы воды в основном располагаются в вершинах четырехгранной пирамиды, окружающей молекулу воды. Сеть содержит значительное число сильно напряженных водородных связей, причем именно эти связи играют фундаментальную роль в возникновении особых аномальных свойств воды. Любая молекула воды, связи которой достаточно напряжены, может быстро изменить все свое ближайшее окружение, переключив свои напряженные связи на новых соседей. Все это приводит к тому, что общая топология всей сети водородных связей воды чрезвычайно изменчива и разнообразна. В процессе плавления льда четкая, но рыхлая тетраэдрическая структура заменяется менее определенной, но более компактной сетью водородных связей. Увеличение плотности происходит за счет образования более компактных локальных структур (например, переход к пятиугольникам из водородных связей) и за счет искривления водородных связей. При нагревании талой воды переход к более компактным структурам доминирует до 4 °C, после которого превалируют процессы, связанные с обычным термическим расширением.

Структура жидкости

Если с какой-либо фиксированной молекулой воды связать систему координат, то для наблюдателя, находящегося в этой системе, структура воды будет зависеть от характерного масштаба времени, с которым он будет наблюдать молекулярную жизнь воды. У воды существуют два характерных временных параметра. Как и у всякого вещества, будь то жидкость или твердое тело, существует период колебаний отдельной молекулы τ υ . Для воды эта величина составляет значение 10 -13 с. В жидкости, кроме периода колебаний молекул около своего положения равновесия τ υ , имеется еще одно характерное время - время "оседлой жизни" τ D , т.е. среднее время существования данного локального окружения одной молекулы. Для воды τ D ~ 10 -11 с, т.е. прежде чем перескочить на новое место, молекула воды совершает 100 колебаний на одном месте.

Два эти параметра разбивают временную шкалу на три области, каждой из которых соответствует своя структура жидкости. Если наблюдатель будет пользоваться достаточно малым временным масштабом, т.е. будет смотреть в течение времени, много меньшего τ υ , то он увидит хаотически разбросанные молекулы, среди которых трудно усмотреть какой-либо порядок. Тем не менее это беспорядочное расположение молекул называют мгновенной, или М-структурой.

Чтобы понять, почему все-таки этот беспорядок называют структурой, наблюдателю необходимо перейти к более длительному временному масштабу. Но не слишком, точнее, больше чем τ υ , но меньше чем τ D . На этом временном интервале реальные молекулы уже не будут видны, наблюдатель сможет увидеть лишь точки, вокруг которых они совершают свои колебания. Оказывается, что эти точки в воде расположены довольно регулярно и образуют четкую структуру, называемую К-структурой, что означает "колебательно усредненная".

М- и К-структуры воды подобны таким же структурам льда. Чтобы увидеть различия этих структур у воды и льда, нужно понаблюдать за ними несколько дольше, т.е. с характерным временем, много большим чем τ D . Наблюдаемую в этом случае картину называют Д-структурой - диффузионно усредненной. В отличие от льда Д-структура воды полностью размыта из-за частых перескоков молекул воды на большие расстояния (эти перескоки составляют процесс самодиффузии молекул воды). Д-структура образуется диффузионным усреднением К-структур и не может быть описана каким-либо особым расположением точек в пространстве. Сторонний наблюдатель видит, что, по сути дела, никакой Д-структуры жидкости и не существует (заметим, что именно Д-структура как полное статистическое усреднение ансамбля молекул определяет термодинамические свойства воды.).

И тем не менее Д-структура существует, и ее можно увидеть. Наблюдатель, находящийся на некоторой молекуле воды, увидит, что его собственная молекула, перемещается хаотически по всему объему воды, каждый раз оказывается в более или менее упорядоченном окружении. Он увидит, что чаще всего "его" молекулу будут окружать четыре других молекулы H 2 O, иногда соседей окажется пять, иногда шесть, в среднем как мы знаем, их будет 4,4. Таким образом, Д-структурой воды можно считать картину, видимую наблюдателем.

Такой подход к описанию структуры воды чаще всего используется при интерпретации спектроскопических данных, потому что различные спектроскопические методы - рентгеновский, ЯМР, диэлектрическая релаксация, комбинационное рассеяние нейтронов - способны "считывать" молекулярные данные с различным характерным временем разрешения.

Перемещение молекул доказывается обычно броуновским движением. Каплю воды, в которой плавают очень легкие частицы твердого нерастворимого вещества, рассматривают под микроскопом и наблюдают, что частицы беспорядочно перемещаются в массе воды. Каждая такая частица состоит из множества молекул и не облачает самопроизвольным движением. Частицы испытывают удары со стороны движущихся молекул воды, которые заставляют их всё время менять направление движения, а это означает, что сами молекулы воды движутся беспорядочно.

Содержание: Необходимо различать, с одной стороны, воду и, с другой растворенные в ней вещества, обусловливающие химический, состав и минерализацию воды. Геологические судьбы раство­рителя и растворенного вещества могут идти своими, обособленными путями. Вода чаще всего попадает в земную кору и из атмосферы, а растворенное вещество заимствуется в основ­ном из горных пород и почв. Возьмем воду в чистом виде, без солей, и рассмотрим те ее особенности строения и свойства, от которых зависит растворяющая способность, воды.

Состав воды. Вода - химическое соединение кислорода и водорода, которое принято обозначать формулой Н 2 О. На самом деле во­да имеет более сложный состав. Обычный молекуляр­ный вес воды 18, но встречаются молекулы с молекулярным весом 19, 20, 21, 22. Эти молекулы состоят из более тяжелых атомов водорода и кислорода, имеющих атомные веса соот­ветственно более 1 и 16, У водорода два стабильных изотопа: протий (Н) и дейтерий (D); отношение Н: D =6800. Кроме того, известен тритий (Т) - радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12,5 лет. У кислорода три стабильных изотопа: О 16 , О 17 , О 18. Молекулы воды могут состоять из различных устойчивых изотопов Н 2 О 16 , НDO 16 , D 2 О 16 , Н 2 О 18 , НDO 18 , D 2 О 18 , Н 2 О 17 , НDO 18 , D 2 О 17 .

Изотопная разновидность воды, в которой протий замещен дейтерием, называется тяжелой водой. Однако в природе до сих пор не открыта ни собственно легкая, ни тяжелая вода. Тяжелую воду в настоящее время приготовляют искусст­венно в больших количествах для различных технических це­лей Тяжелая вода отличается от обычной не только физиче­скими свойствами, но и физиологическим воздействием на организм.

Особый геохимический и практический интерес представ­ляет дейтерии (D). Электронная оболочка атома дейтерия, так же как и протия, состоит из одного электрона, но ею яд­ро - дейтон- примерно вдвое тяжелее и состоит из двух частиц - протона и нейтрона. Дейтерий применяется в совре­менной ядерной технике как взрывчатое вещество. В будущем он будет использоваться как горючее в термоядерных энерге­тических установках. Запасы термоядерной энергии дейтерия, имеющиеся в воде земных океанов, примерно в сто миллио­нов превосходят запасы энергии ископаемого топлива (угля, нефти, газа, торфа).

Различные по генезису природные воды имеют неодина­ковый изотопный состав. Одной из главных причин, создающих дифференциацию изотопов в природных водах, является процесс испарения Уп­ругость паров тяжелой воды несколько ниже упругости паров обычной, а так как процесс испарения является основным фактором круговорота воды, то обогащение вод тяжелыми изотопами в местах испарения и обеднение ими в местах кон денсации может вызвать заметную разницу в плотности воды.

Установлена следующая зако­номерность распределения изотопов водорода в поверхностных и атмосферных водах:

1. Пресные поверхностные воды рек, озер и других водое­мов, наполняющихся главным образом за счет атмосферных осадков, содержат дейтерия меньше, чем океанические воды.

2 Изотопный состав пресных поверхностных вод определяется физико-географическими условиями их нахождения.

Строение воды. Еще в двадцатых годах нашего века на основе учения о полярной структуре молекул воды были разработаны простейшие представления об ассоциации молекул в жидкой воде как результате взаимодействия диполей. Эти представления заключаются в следующем.

Одной из особенностей строения молекулы воды является несимметричное расположение атомов водорода вокруг атома кислорода они расположены не по прямой, проведенной через центр атома кислорода, а под некоторым углом (рис 1). Центры ядер атомов водорода расположены на расстояние 0,95 А от центра атома кислорода. Угол между линиями, соединяющими центры атомов кислорода и водорода, равен 105 0 . Связь между атомами кислорода и водорода в молекуле во­ды осуществляется электронами . Вследствие несимметрично­сти распределения электрических зарядов молекула воды об­ладает полярностью, т.е. имеет два полюса - положитель­ный и отрицательный, которые так же, как и магнит, создают вокруг нее силовые ноля.

Таким образом, для молекул воды характерно дипольных: строение (диполи). Их изображают в виде овалов, полюса которых имеют противоположные по знаку электрические заря­ды. При достаточном сближении молекулы воды начинают действовать друг на друга своими силовыми нолями. При этом положительно заряженный полюс одной молекулы притягива­ет отрицательно заряженный полюс другой. В результате мо­гут получиться агрегаты из двух, трех и, по-видимому, более молекул (рис. 2).

Такие группировки молекул воды называются дигидролями (Н 2 О) 2 и тригидролями (Н 2 О) . Следовательно, в воде одновременно присутствуют одиночные (моногидроли), двой­ные я тройные молекулы. Содержание их меняется в зависи­мость от температуры. Во льдe доминируют тройные молеку­лы, обладающие наибольшим объемом . При повышении тем­пературы скорость молекул возрастает, и силы притяжения между молекулами оказываются недостаточными для удер­жания их друг около друга. В жидком состоянии вода пред­ставляет смесь дигидролей, тригдролей и моногпдролей. По мере увеличения температуры тройные и двойные молекулы распадаются, и при 10О°С вода состоит главным образом из моногидролей.

Химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее от других природных тел.

1. При нагревании воды от 0 до 4°С объем воды не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность ее достигается не в точке замерзания (0 0 С), а при 4 0 С (точнее 3,98 0).

2. Вода при замерзании расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается.

3. Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как этого следовало бы ожи­дать.

4. Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с теплоемкостью других тел.

5. Вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способ­ностью, чем другие жидкости.

6. Вода обладает самым большим поверхностным натя­жением из всех жидкостей - 75 эрг/см 2 (глицерин - 65, ам­миак - 42, а все остальные ниже 30 эрг/см 2), за исключени­ем ртути - 436 эрг/см 2 .

Поверхностное натяжение и плотность определяют высо­ту, на которую может подняться жидкость в капиллярной си­стеме при фильтровании через пористые среды.

Причина перечисленных аномальных свойств воды заключается в особенностях строения ее молекул.

Вода как растворитель. Если поместить воду во внешнее электрическое поле, то молекулы ее иод действием поля стремятся расположиться в пространстве так, как показано на

Это явление назы­вается ориентационной поляризацией, которой обладают вещества с полярными молекулами. Высокая полярность моле­кул воды является одной из важнейших причин ее высокой активности при многих химических взаимодействиях. Она же служит причиной и электролитической диссоциации в во­де, солей, кислот и основании. С нею связана также и раство­римость электролитов в воде.

Растворение есть не только физический, но и химический процесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя. Вода об­ладает способностью растворять многие вещества, т. е. да­вать с ними однородные физико-химические системы перемен­ного состава (растворы). Растворенные в природных водах, соли находятся: преимущественно в диссоциированном состоя­нии, в виде ионов. В твердом кристаллическом состоянии ион­ные соединения состоят из закономерно расположенных положительных и отрицательных ионов. Молекулы в этом слу­чае отсутствуют . Так, например, в галите, как эта определено рентгеновским структурным анализом, каждый ион Na + окружен шестью ионами С1 - , а каждый нон С1 - окружен шестью ионами натрия. Ионы взаимодействуют между собой, они притягивают друг друга (ионная связь).

В чем состоит механизм растворения? Молекулы воды в силу особенностей своего строения и возникающего из-за это­го вокруг них силового поля обладают способностью притяги­вать молекулы других веществ. Процесс растворения заклю­чается как раз во взаимодействии частиц растворяющегося вещества с частицами воды. При соприкосновении с водой какой-нибудь соли ноны, образующие ее кристаллическую ре­шетку, будут притягиваться противоположно заряженными частицами молекул воды. Например, при погружении в воду кристаллов галита ион натрия (катион) будет притягиваться, отрицательным полюсом, а ион хлора (анион) - положитель­ным полюсом молекулы воды (рис. 4). Чтобы ионы кристал­лической решетки оторвались друг от друга и перешли в ра­створ, необходимо преодолеть силу притяжения этой решетки. При растворении солей такой силой является притяжение ио­нов решетки молекулами воды, характеризумое так называе­мой энергией гидратации. Если при этом энергия гидратации будет по сравнению с энергией кристаллической решетки достаточно велика, ионы будут оторваны от последней и перейдут в раствор.

В зависимости от природы вещества при его растворении обычно происходит выделение или поглощение тепла. Ионы растворенного вещества притягивают и удерживают вокруг себя определенное число молекул воды, которые образуют оболочку, называемую гпдратной. Таким образом, в водном растворе ионы являются гидратированными, т. е. химически связанными с молекулами воды

При кристаллизации многих солей часть гидратной воды захватывается кристал­лическими решетками . Подобную кристаллизационную воду содержит гипс СаSO 4 *2H 2 O, мирабилит Na 2 SO 4 * 10H 2 O, бишофит MgCl 2 *6H 2 O, астраханит Na 2 SO 4 *MgSO 4 *4H 2 O, сода Na 2 СO 3 *10H2O. Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами.

Сильные электролиты при растворении в воде полностью диссоциируют на ионы. К ним относятся почти все соли, мно­гие минеральные кислоты, основания щелочных и щелочнозе­мельных металлов. Диссоциация сильного электролита, на­пример NаС1, изображается уравнением

NаС1 Nа + +С1 -

В кристалле галита нет молекул NаС1. При растворении кристаллическая структура разрушается, гидратированные ионы переходят в раствор. Молекулы в растворе отсутствуют. Поэтому лишь условно можно говорить о недиссоциированных молекулах растворов сильных электролитов. Это скорее будут ионные пары (Nа + +С1 -), т.е.

находящиеся близко друг около друга противоположно заряженные ионы (сбли­зившиеся до расстояния, равного сумме радиусов ионов). Это якобы недиссоциированные молекулы, или, как их называют, квазимолекулы.

Слабые электролиты при растворении в воде лишь ча­стично диссоциируют на ионы. К ним относятся почти все ор­ганические кислоты, некоторые минеральные кислоты, напри­мер Н 2 СО, Н 2 S, Н 2 SіО 3 , многие основания металлов. К сла­бым электролитам относится вода.

Кроме электролитов в растворе находятся и неэлектроли­ты, молекулы которых хотя и имеют гидратную оболочку, но "настолько прочны, что не распадаются на ионы (О 2 , N 2).

В зависимости от величины частиц растворенного всщества различают истинные и коллоидные растворы. Растворы называют истынними, когда растворенное вещество находится в них в ионизированном состоянии. В ионном растворе по принципу элктронейтральности всегда содержатся равные количества эквивалентов катионов и анионов. В природных условиях ионные растворы образуются при растворении простых солей.

Коллоидными называются такие растворы, в которых вещество находится не в ионизированном состоянии, а в виде групп молекул, так называемых «коллоидных частиц». Размеры частиц в коллоидных растворах лежат, примерно, в пределах от 10 до 2000 А В устойчивых коллоидных растворах частицы в большинстве случаев несут электрические заряды различные по величине, но одинаковые по знаку для всех частиц данной коллоидной системы. Коллоидные растворы называются золями. Золи способны переходить в гели, т.е. превращаться в студнеобразные массы в результате укрупнения коллоидных частиц (процесс коагуляции).

В природе коллоидные растворы могут быть органическими и неорганическими. Последние образуются преимущественно при гидролитическом расщеплении различных силикатов. Силикаты при гидролизе выделяют заключающиеся в них основания (щелочные и щелочноземельные металлы), дающие начало истинным растворам. Но, кроме того, при гидролизе в раствор переходят кремнй, железо, алюминий и другие металлы, образующие, большей частью, коллоидные растворы.

Многие вещества вступают с водой в реакцию обменного разложения, называемую гидролизом. При гидролизе имеет место сдвиг равновесия диссоциации воды Н О Н + ОН за счет связывания одного из ее ионов ионами растворенного вещества с образованием малодиссоциированного или труднорастворимого продукта. Следовательно, гидролиз – это химическое взаимодействие ионов растворенной соли с водой, сопровождающиеся изменением реакции среды. Ввиду обратимости гидролизаравновесие этого процесса зависит от всех тех фактров, которые вообще влияют на равновесие ионного обмена. В частности, оно сильно (иногда – практически нацело) сдвигается в сторону разложения соли, если продукты последнего (чаще всего в виде основных солей) труднорастворимые.

В природе явление гидролиза играют большую роль. Например, основной химической формой выветривания минералов магматических породявляется гидролиз.

Растворимость солей. В воде могут растворятся твердые, жидкие и газообразные вещества. По растворимости в воде все вещества делятся на три группы: 1) хорошо растворимые, 2) плохо растворимые и 3) практически не растворимые. Необходимо подчеркнуть, что абсолютно нерастворимых веществ нет.

Минерализацию природных вод создают обычно немногие простые соли: хлориды, сульфиды, гидрокарбонаты натрия, магния, кальция.

В кристале галита нет молекул NaCl. При растворении кристаллическая структура разрушается, гидратированные ионы переходят в раствор. Молекулы в растворе отсутствуют. Поэтому лишь условно можно говорить о недиссоциированных молекулах растворов сильных электролитов. Это скоее ионные пары (Na + Cl ), т.е. находящиеся близко друг около друга противоположно заряженные ионы. Это недиссоциированные молекулы, а квазимолекулы.

Слабые электролиты при растворении в воде лиш частично диссоциируют на ионы. К ним относятся почти все органические кристаллы, некоторые минеральные кислоты, например Н СО, Н S, Н SiO , многие основания металлов. К слабым электролитам относится вода.

Кроме электролитов в растворе находятся и неэлектролиты, молекулы которых хотя и имеютгидратную оболочку, но настолько прочны, что не распадаются на ионы (О , N ).

В зависимости от величины частиц растворенного вещества различают истинные и коллоидные растворы. Растворы называют истинными, когда растворенное вещество находится в них ионизированном состоянии.

Растворимость твердых веществ в воде зависит не толь­ко от их химической природы, но и от температуры, давления и от наличия в ней газов и примесей.

Растворимость хлористого натрия мало меняется при повышении температуры от до 60°С (из­менение растворимости дано в г на 100 мг воды). Раствори­мость же карбоната и сульфата натрия сильно возрастает.

На растворимость кремнекислоты температура оказывает большое влияние. В системе кремнекислота - вода, изучен­ной в интервале от 0 до 200°, зависимость растворимости от температуры носит линейный характер. В обычных усло­виях растворимость кремнекислоты очень низкая.

К числу солей, понижающих свою растворимость с ростом температуры, относится Са SO 4 .

Как известно, растворимость данной соли уменьшается в присутствии другой соли, имеющей с ней одноименный ион, и, наоборот, повышается, если в растворе находятся неодноименные ионы. Например, пределы растворимости СаSO 4 в присутствии различных солеи сильно меняются. При наличии в растворе большого количества хлористого натрия (порядка 100 г/л) растворимость СаSO 4 , достигает 5-6 г/л

Из главнейших солей наинизшая растворимость у карбонатов щелочных земель, но она увеличивается в несколько раз, если вода содержит двуокись углерода (СО 2) Растворение идет по схеме:

СаСО 3 + Н 2 О + СО 2 Са(НСО 3) 2 Са ++ +2НСО 3 ;

MgСО 3 + Н 2 О + СО 2 Mg(НСО 3) 2 Mg ++ +2НСО 3 .

Реакции эти носят обратимый характер и протекают до наступления определенного равновесия. В результате указанных реакции в воде появляются гидрокарбонаты кальция и магния. Следует отметить, что ни гидрокарбонатов кальция, ни гидрокарбонатов магния в твердом виде не существует. Минерализация широко распространенных в природе гидро­карбонатных магниево-кальциевых вод обычно достигает 500-600 мг/л. В присутствии больших количеств СО 2 раство­римость Са(НСО 3) 2 и Mg(НСО 3) 2 может превосходить 1 г/л (углекислые минеральные воды).

При увеличении температуры растворимость гидрокарбонатов кальция н магния сильно уменьшается и при 100° падает до 0. При высокой температуре эти соли разлагаются с выделением СО 2 и выпадением карбонатов в осадок

Са(НСО 3) 2 →СаСО 3 +Н 2 О+СО 2 ;

Mg(НСО 3) 2 →MgСО 3 +Н 2 О+СО 2 ;

Отсюда следует, что гидрокарбонатные кальциевые и магниевые воды в глубинных условиях существовать не могут, а, стало быть, и не существуют такого состава термальные воды.

Обогащение вод солями совершается не только путем простого растворения. Природные растворы образуются так же при гидролитическом расщеплении некоторых минералов. К числу минералов, непосредственно в воде нерастворимых, но способных гидролитически расщепляться, относятся различные силикаты-алюмосиликаты, ферросиликаты и пр., - составляющие 75% всех минералов земной коры. Под влияни­ем воды и углекислоты при выветривании силикаты отдают в раствор основания Na + , K + , Ca ++ , Mg ++ . Указанные основания образуют, соединяясь с СО 2 , углекислые и двууглекислые соли или, при соответствующих условиях, сульфатные н хлоридные соли.

Основная литература: ОЛ 1 .

Дополнительная литература : ДЛ 5,7.

Контрольные вопросы:

1. Назовите природные основные изотопы?

2. Какие особые качества воды?

3. Как происходит процесс растворения галита?

4.Вещества по растворимости как подразделяются и называются?

Состав воды можно выяснить с помощью реакции разложения электрическим током. Образуется два объема водорода на один объем кислорода (объем газа пропорционален количеству вещества):

2H 2 O = 2H 2 + O 2

Вода состоит из молекул. Каждая молекула содержит два атома водорода, соединенные ковалентными связями с одним атомом кислорода. Угол между связями около 105°:
O - H
H

Поскольку кислород является более электроотрицательным элементом (сильным окислителем), общая электронная пара ковалентной связи смещается к атому кислорода, на нем образуется частичный отрицательный заряд δ−, на атомах водорода - частичный положительный δ+. Соседние молекулы притягиваются друг к другу противоположными зарядами - это обуславливает сравнительно высокую температуру кипения воды.

Вода при комнатной температуре - бесцветная прозрачная жидкость. Температура плавления 0º C, температура кипения при атмосферном давлении - 100° С. Чистая вода не проводит электрический ток.

Интересной особенностью воды является то, что она имеет наибольшую плотность 1 г/см 3 при температуре около 4° С . При дальнейшем понижении температуры плотность воды снижается. Поэтому с наступлением зимы верхние замерзающие слои воды становятся легче и не погружаются вниз. Лед образуется на поверхности. Промерзания водоема до дна обычно не происходит (к тому же лед тоже имеет плотность меньше воды и плавает на поверхности).

Химические свойства :

К основным загрязнителям природной воды относятся сточные воды промышленных предприятий, содержащие соединения ртути, мышьяка и других токсичных элементов. Стоки животноводческих комплексов, городов могут содержать отходы, вызывающие бурное развитие бактерий. Большую опасность для природных водоемов представляет неправильное хранение (не обеспечивающее защиту от атмосферных осадков) или применение удобрений и ядохимикатов, смываемых в водоемы. Транспорт, особенно водный, загрязняет водоемы нефтепродуктами и бытовым мусором, выбрасываемым недобросовестными людьми прямо в воду.

Для охраны вод необходимо вводить замкнутое водоснабжение промышленных предприятий, комплексную переработку сырья и отходов, строительство очистных сооружений, экологическое воспитание населения.

* Для электролиза воды используются растворы солей

2. Опыт. Распознавание соли угольной кислоты среди трех предложенных солей.

Качественной реакцией на карбонаты служит взаимодействие с кислотами, сопровождающееся бурным выделением углекислого газа:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

или, в ионном виде:

CO 3 2− + 2H + = H 2 O + CO 2

Доказать, что выделяется именно оксид углерода (IV), можно, пропуская его через раствор известковой воды, что вызывает её помутнение:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

Чтобы распознать соль угольной кислоты, добавляем во все три пробирки немного кислоты (чтобы не вылилась через край при «вскипании»). Где будет выделяться бесцветный газ без запаха, там находится карбонат.

Значение воды для жизнедеятельности растения

Лекция 10. Водный обмен.

1. Значение воды для жизнедеятельности растений

2. Структура и свойства воды

3. Водный обмен в растительной клетке

3.1. Формы воды в растительных клетках

3.2. Водный потенциал. Осмос. Транспорт воды в растительной клетке

4. Осмотическое поглощение воды

5. Механизмы передвижения воды

6. Верхний и нижний концевые двигатели

7. Передвижение воды по сосудам

8. Влияние водного дефицита на физиологические процессы

9. Особенности водообмена разных экологических групп растений

В тканях растений вода составляет 70-95% строительной массы. Роль воды в целом организме многообразна. Рассмотрим функции воды в биологических объектах:

Водная среда объединяет все части организма в единое целое. В теле растения вода представляет собой непрерывную среду на всем протяжении, от воды, поглощаемой корнями, до листьев, испаряющих воду в атмосферу.

Вода – важнейший растворитель и среда для биохимических реакций;

Вода участвует в упорядочении структур в клетках, она входит в состав молекул белков, определяя их конформацию;

Вода – метаболтт и непосредственный участник биохимических реакций. Например, при фотосинтезе вода – донор электронов, она необходима для гидролиза, для синтеза веществ.

Вода – главный компонент в транспортной системе растений;

Вода – терморегулирующий фактор, она зхащищает растения от резких колебаний температуры;

Вода – амортизатор при механических воздействиях;

Благодаря явлениям осмоса и тургора обеспечивает упругое состояние клеток (все растения по способности регулировать объем, содержащейся в них влаги делятся на пойкилогидротермные и гомеогидротермные. Пойкилогидротермные – не могут регулировать объем воды в организме, например, водоросли, водные растения и др. Гомеогидротермные растения могут регулировать объем воды в организме с помощью устьиц).

Вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. В каждом из этих состояний структура воды неодинакова. При мгновенном замораживании с помощью жидкого азота молекулы воды не успевают построиться в кристаллическую решетку и вода приобретает твердое стеклообразное состояние (состояние витрификации). Это свойство воды позволяет замораживать живые организмы без повреждения. Для кристаллического состояния воды характерно большое разнообразие форм (например, снежинки).

2.1. Физические свойства воды.

1. Плотность.

При 4 о С и давлении 1 атм. один см 3 воды весит один грамм. Т.е. плотность воды равна 1. При замерзании объем воды увеличивается на 11%.

2. Точки кипения и замерзания .

При давлении 1 атм. температура кипения воды равна 100 о С, температура замерзания 0 о С. С увеличением давления температура замерзания снижается через каждые 130 атм. на 1 о С, а температура кипения увеличивается.

3. Теплота плавления

Теплота плавления льда равна 0,335 кДж/ч. Лед при нормальном давлении может иметь температуру от -1 до -7 о С. Теплота парообразования воды 2,3 кДж/ч.

4. Теплоемкость.

Величина теплоемкости воды в 5-30 раз выше, чем у других веществ. Теплоемкость – количество теплоты, необходимое для повышения температуры на 1 о С. Эта особенность воды объясняется сцеплением молекул друг с другом (когезией) за счет водородных связей.

5. Поверхностное натяжение и прилипание.

На поверхности воды (из-за способности молекул к когезии) создается поверхностное натяжение. Вода обладает также свойством адгезии (прилипания), что необходимо при подъеме воды против гравитационных сил.