Строение молекулы воды

К.х.н. О.В. Мосин

МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ В АНАЛИЗЕ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ

Если нам захочется посмотреть, как устроена молекула воды, то придется в первую очередь вспомнить ее состав. Молекула воды состоит из одного атома кислорода, связанного ковалентной связью с двумя атомами водорода H₂O (формула воды). В молекуле воды главное действующее лицо — атом кислорода. Вспомним его энергетическую диаграмму (рисунок слева):

Два неспаренных р-электрона атома кислорода О очень реакционноспособны. Они всегда готовы образовать химические связи с двумя s-электронами атомов водорода.

Рис. Так выглядит перекрывание р-орбиталей кислорода с s-орбиталями двух атомов водорода (рисунок справа):

Таким образом, из двух атомов водорода и одного атома кислорода получается угловая молекула воды которую можно условно изобразить еще так:

Рис. Молекула воды имеет угловую форму (ниже слева)

Поскольку атомы водорода друг от друга заметно отталкиваются, угол между химическими связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород — кислород не прямой (90°), а немного больше — 104,5°. Химические связи эти полярные: кислород гораздо электроотрицательнее водорода и подтягивает к себе электронные облака, образующие химические связи. Вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода — положительный. Поэтому и вся молекула воды тоже попадает в отряд «химических полярников» — веществ, молекулы которых представляют собой электрические диполи.

Строение молекулы воды Н₂О можно проанализировать с помощью метода молекулярных орбиталей (МО). Схема молекулярных орбиталей молекулы воды приведена ниже.

 

Рис. Схема расположения координатных осей (а) и энергетическая диаграмма орбиталей молекулы Н₂О (б).

Для построения схемы молекулярной орбитали молекулы воды Н₂О совместим начало координат с атомом кислорода, а атомы водорода расположим в плоскости xz (Подробнее см. Г.Грей «Электроны и химическая связь»,М., изд-во «Мир», 1967, с.155-62 и G.L.Miessier, D.A.Tarr, «Inorganic Chemistry», Prantice Hall Int.Inc., 1991, p.153-57).

В формировании суммарной молекулярной орбитали воды принимают участие отдельные атомные орбитали водорода и кислорода, обладающие одинаковой симметрией и близкими энергиями. Однако вклад атомных орбиталей атомов водорода и кислорода в образование общей молекулярной орбитали молекулы воды разный, что отражается в разных величинах коэффициентов в соответствующих линейных комбинациях атомных орбиталей. Взаимодействие (перекрывание) 1sатомной орбитали водорода, 2sи 2р_zатомной орбитали кислорода приводит к образованию  2a₁-связывающей и 4a₁-разрыхляющей молекулярной орбиталей.

Рис. Перекрывание 2s(а), 2p_x- (б) и 2p_я(в) орбиталей атома кислорода с 1s-орбиталями двух атомов водорода молекулы воды.

 

Из этих данных и умозаключений можно сделать следующие выводы.

1. Молекула Н₂О диамагнитна.

2. Электроны на связывающих 2а₁ и 1b₁ орбиталях обеспечивают связи ОН, а на несвязывающих (3а₁ и 1b₂) орбиталях соответствуют свободным электронным парам в молекуле Н₂О, как это описывается в рамках метода валентных связей.

3. Принципиальным отличием метода молекулярных орбиталей от метода валентных связей является разная энергия ионизации занятых молекулярных орбиталей, составляющая (в эВ) 27.3 (2а₁), 16.2 (1b₁), 14.5 (3а₁) и 12.6 (1b₂), соответственно.

4. Метод молекулярных связей (в отличие от метода валентных связей) позволяет оценить разницу в энергиях молекулярных орбиталей. В частности, существенным является различие в энергии двух несвязывающих орбиталей 3а₁ и 1b₂. Это связано с различной природой орбиталей — 1b₂ локализована на атоме кислорода, тогда как 3а₁ образована с участием атомной орбитали водорода и кислорода и не является локализованной. Локализация электронов на 1b₂ молекулярной орбитали приводит к тому, что отрицательный заряд в молекуле Н₂О сосредоточен вблизи атома кислорода, а положительный — вблизи атомов водорода. Таким образом, молекула Н₂О оказывается полярной (дипольный момент μ = l. q = 1.84D). Это соответствует и простым соображениям электроотрицательности: связывающие электроны смещаются к более электроотрицательному атому.

Так как у молекулы Н₂О в образовании связей принимают в основном участие 2р-орбитали кислорода и 1s-орбитали водорода, то можно ожидать, что угол НО- Н должен быть близким к 90о. Однако из эксперимента следует, что этот угол равен 104.5о. Причина такого различия заключается в том, что этот угол соответствует минимуму энергии. Согласно квантово-механическим расчетам, энергия молекулы зависит не только от энергии молекулярных орбиталей и числа электронов на них, но и от валентного угла НО- Н. В приближении метода валентных связей увеличение угла НО- Н от 90о (характерного для взаимодействия р-орбиталей) до 104.5о связано с взаимным отталкиванием положительно заряженных атомов водорода.

При переходе от Н₂О к другим двухатомным молекулам Н₂S, H₂Se и H₂Te диаграммы молекулярных орбиталей изменяются, что обусловлено увеличением энергий исходных АО халькогенов: Е_3s = -20.7 эВ; Е_3р = -12.0 эВ; Е_4s = 20.8 эВ; Е_4р = 11.9 эВ. Поэтому растет участие ns-атомных орбиталей халькогена в образовании молекулярных орбиталей. При этом несвязывающий характер орбиталей nb₂ сохраняется, а связывающий характер орбиталей 2а₁ усиливается. В целом, по мере увеличения энергии атомных орбиталей nsи nруменьшается разность сумм энергий молекулярных и атомных орбиталей, которые характеризуют прочность молекул Н₂Э. Вклады nратомных орбиталей атомов халькогенов в энергию молекулярной орбитали уменьшаются, и соответственно понижается локализация электронов на атомах и полярность молекул. Вероятно, благодаря этому уменьшаются валентные углы НЭ- Н в молекулах халькогенов. Именно так, с точки зрения теории молекулярных орбиталей, объясняется понижение устойчивости молекул H₂S, H₂Sе, H₂Te по сравнению с молекулой Н₂О.

К.х.н. О.В. Мосин

 

Молекулярное строение льда. Структура воды. Некоторые другие элементы и решетки

Пользовательского поиска

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 4C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.

Кроме того, при температуре ниже 30C с увеличением давления от атмосферного до 0,2ГПа 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 немонотонно, 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 в1884 году. Его авторство цитирует Э.Ф.Фрицман в монографии «Природа воды. Тяжёлая вода», изданной в1935 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. В1933 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 4C 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.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

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 повсему объёму, известна для давлений вплоть до0,3 ГПа, то есть захватывая области существования льда II.

От атмосферного давления до границы, разделяющей льды I и II, эта температура падает от231 до180 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 неудалось. Так возрождение модели двух состояний поставило вопрос о неоднородности сетки водородных связей в жидкой воде. Разобраться в этой неоднородности можно только спомощью 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 кдругу, 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 вводе изучали много раз. Однако подробных сведений о структуре эти эксперименты дать немогут. 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 . 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, а до шестого 3,1 . 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 иизучение 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 намногие 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 такиеже 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 не ясно, 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

Лёд — минерал с хим. формулой H 2 O , представляет собой воду в кристаллическом состоянии.
Химический состав льда: Н — 11,2%, О — 88,8%. Иногда содержит газообразные и твердые механические примеси.
В природе лёд представлен, главным образом, одной из нескольких кристаллических модификаций, устойчивой в интервале температур от 0 до 80°C, имеющей точку плавления 0°С. Известны 10 кристаллических модификаций льда и аморфный лёд. Наиболее изученным является лёд 1-й модификации — единственная модификация, обнаруженная в природе. Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного и др.), а также в виде снега, инея и т.д.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура льда похожа на структуру : каждая молекула Н 2 0 окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76Α и размещенных в вершинах правильного тетраэдра. В связи с низким координационным числом структура льда является ажурной, что влияет на его плотность (0,917). Лед имеет гексагональную пространственную решётку и образуется путём замерзания воды при 0°С и атмосферном давлении. Решётка всех кристаллических модификаций льда имеет тетраэдрическое строение. Параметры элементарной ячейки льда (при t 0°С): а=0,45446 нм, с=0,73670 нм (с — удвоенное расстояние между смежными основными плоскостями). При понижении температуры они меняются крайне незначительно. Молекулы Н 2 0 в решётке льда связаны между собой водородными связями. Подвижность атомов водорода в решётке льда значительно выше подвижности атомов кислорода, благодаря чему молекулы меняют своих соседей. При наличии значительных колебательных и вращательных движений молекул в решётке льда возникают трансляционные соскоки молекул из узла пространственной их связи с нарушением дальнейшей упорядоченности и образованием дислокаций. Этим объясняется проявление у льда специфических реологических свойств, характеризующих зависимость между необратимыми деформациями (течением) льда и вызвавшими их напряжениями (пластичность, вязкость, предел текучести, ползучесть и др.). В силу этих обстоятельств ледники текут аналогично сильно вязким жидкостям, и, таким образом, природные льды активно участвуют в круговороте воды на Земле. Кристаллы льда имеют относительно крупные размеры (поперечный размер от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров). Они характеризуются анизотропией коэффициента вязкости, величина которого может меняться на несколько порядков. Кристаллы способны к переориентации под действием нагрузок, что влияет на их метаморфизацию и скорости течения ледников.

СВОЙСТВА

Лёд бесцветен. В больших скоплениях он приобретает синеватый оттенок. Блеск стеклянный. Прозрачный. Спайности не имеет. Твердость 1,5. Хрупкий. Оптически положительный, показатель преломления очень низкий (n = 1,310, nm = 1,309). В природе известны 14 модификаций льда. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии и обозначающегося как лёд I , образуются в условиях экзотических — при очень низких температурах (порядка -110150 0С) и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

МОРФОЛОГИЯ

В природе лёд — очень распространенный минерал. В земной коре существует несколько разновидностей льда: речной, озёрный, морской, грунтовый, фирновый и глетчерный. Чаще он образует агрегатные скопления мелкокристаллических зерен. Известны также кристаллические образования льда, возникающие сублимационным путем, т. е. непосредственно из парообразного состояния. В этих случаях лед имеет вид скелетных кристаллов (снежинки) и агрегатов скелетного и дендритного роста (пещерный лёд, изморозь, иней и узоры на стекле). Крупные хорошо огранённые кристаллы встречаются, но очень редко. Н. Н. Стуловым описаны кристаллы льда северо-восточной части России, встреченные на глубине 55-60 м. от поверхности, имеющие изометрический и столбчатый облик, причем длина наибольшего кристалла равнялась 60 см., а диаметр его основания — 15 см. Из простых форм на кристаллах льда выявлены только грани гексагональной призмы (1120), гексагональной бипирамиды (1121) и пинакоида (0001).
Ледяные сталактиты, называемые в просторечии «сосульки», знакомы каждому. При перепадах температур около 0° в осенне-зимние сезоны они растут повсеместно на поверхности Земли при медленном замерзании (кристаллизации) стекающей и капающей воды. Они обычны также в ледяных пещерах.
Ледяные забереги представляют собой полосы ледяного покрова из льда, кристаллизующегося на границе вода-воздух вдоль краёв водоёмов и окаймляющие края луж, берега рек, озёр, прудов, водохранилищ, и тп. при незамерзающей остальной части водного пространства. При их полном срастании на поверхности водоёма образуется сплошной ледяной покров.
Лёд образует также параллельно-шестоватые агрегаты в виде волокнистых прожилков в пористых грунтах, а на их поверхности — ледяные антолиты.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Лёд образуется в основном в водных бассейнах при понижении температуры воздуха. На поверхности воды при этом появляется ледяная каша, сложенная из иголочек льда. Снизу на неё нарастают длинные кристаллики льда, у которых оси симметрии шестого порядка размещаются перпендикулярно к поверхности корочки. Соотношения между кристаллами льда при разных условиях образования показаны на рис. Лед распространен всюду, где имеется влага и где температура опускается ниже 0° С. В некоторых районах грунтовый лед оттаивает только на незначительную глубину, ниже которой начинается вечная мерзлота. Это так называемые районы вечной мерзлоты; в областях распространения многолетнемерзлых пород в верхних слоях земной коры встречаются так называемые подземные льды, среди которых различают современный и ископаемый подземный лёд. Не менее 10% всей площади суши Земли покрывают ледники, слагающая их монолитная ледяная порода носит название ледниковый лёд. Ледниковый лёд образуется в основном из скопления снега в результате его уплотнения и преобразования. Ледниковый покров занимает около 75% площади Гренландии и почти всю Антарктиду; самая большая мощность ледников (4330 м.) – установлена близ станции Бэрд (Антарктида). В центральной Гренландии толщина льда достигает 3200 м.
Месторождения льда общеизвестны. В местностях с холодной долгой зимой и коротким летом, а также в высокогорных районах образуются ледяные пещеры со сталактитами и сталагмитами, среди которых наиболее интересными являются Кунгурская в Пермской области Приуралья, а также пещера Добшине в Словакии.
В результате замерзания морской воды образуется морской лёд. Характерными свойствами морского льда являются солёность и пористость, которые определяют диапазон его плотности от 0,85 до 0,94 г/см 3 . Из-за такой малой плотности льдины возвышаются над поверхностью воды на 1/7-1/10 своей толщины. Морской лёд начинает таять при температуре выше -2,3° С; он более эластичен и труднее поддается раздроблению на части, чем лёд пресноводный.

ПРИМЕНЕНИЕ

В конце 1980-х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5-7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10-15 до 30-45 минут.
Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ — иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец.

Лед (англ. Ice) — H 2 O

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание)	4/A.01-10
Nickel-Strunz (10-ое издание)	4.AA.05
Dana (8-ое издание)	4.1.2.1
Hey’s CIM Ref.	7.1.1

Льдообразование всегда связано с возникновением поверхности раздела фаз. Затрачиваемая при этом работа Лк расходуется в основном на преодоление межфазового поверхностного натяжения первичного зародыша кристалла льда, вероятность т возникновения которого определяется законами статистической физики.

Кристаллизуемость воды обычно характеризуется связанными с ее переохлаждением основными двумя факторами: скоростью зарождения центров кристаллизации wi и линейной скоростью кристаллизации о>2.

Вязкие жидкости с минимальными значениями W\ и Шг даже при относительно небольшой скорости охлаждения могут быть, минуя кристаллизацию, переведены в твердое аморфное (стеклообразное) состояние. Маловязкая вода с высокими значениями W\ и w2 для такого перехода требует очень большой скорости охлаждения (>4000°С/с), чтобы «проскочить» температурную зону максимальной коисталлизации.

По Френкелю Г112], даже в абсолютно чистой свободной жидкости, в случае ее достаточного переохлаждения могут возникать благодаря флюктуациям зародыши кристаллов критического размера, которые при благоприятных условиях и становятся центрами кристаллизации. Для развития кристаллизации необходимо, чтобы количество возникающих кристаллов превосходило количество разрушающихся. Предположение о том, что вода в предкристаллизационном состоянии содержит множество зародышей твердой фазы, в известной мере подтверждается, например, аномальным увеличением скорости звука в воде при температуре около 0° С.

Практически затравками кристаллизации воды являются всегда присутствующие в ней незначительные твердые примеси, которые дополнительно уменьшают межфазное поверхностное натяжение и работу кристаллизации Ак. Для возбуждения кристаллизации в переохлажденной воде (и водяном паре) наиболее эффективны микроза- травки из льда или из вещества, практически изоморфного льду, например из йодида серебра (Agl).

При кристаллизации (и плавлении) льда всегда на границе раздела фаз в результате частичной поляризации возникает разность электрических потенциалов, причем сйла toKa устанавливается Пропорциональной скорости фазового превращения. Кристаллизация воды, связанной, например, капилляром, требует предварительного восстановления соответствующей структуры воды, в том числе нарушен- — ных капилляром водородных связей.

В обычном случае образовавшиеся в зонах достаточно переохлажденной воды кристаллы внутриводного льда при симметрии среды и теплоотдачи растут в направлениях их оптических осей. При этом рост кристаллов происходит скачками и наиболее энергично у вершин и ребер, т. е. там, где больше ненасыщенных связей.

При кристаллизации воды, требующей переохлаждения ее, температура возникающей фазы — зародыша кристалла внутриводного льда в принципе равна температуре фазового превращения 0°С. Вокруг образующихся зародышей кристаллов льда из-за выделения теплоты кристаллизации возникает скачок температуры, местное переохлаждение воды ликвидуется и отдельные возникшие зародыши льда могут расплавиться. Поэтому для поддержания процесса льдообразования необходимо непрерывное отнятие теплоты кристаллизации. При 0° С может иметь место динамическое равновесие льда и воды.

Процесс кристаллизации поверхностного льда локализуется в пограничном слое переохлажденной воды. По данным Коста , переохлаждение воды при образовании поверхностного льда является функцией линейной скорости кристаллизации воды на охлаждаемой поверхности и составляет от -0,02° до -0,11° С при скоростях от 2 до 30 мм/мин. При этом температура смоченной поверхности льда должна быть ниже 0° С.

При кристаллизации вода превращается в лед — новую, термодинамически более устойчивую фазу. Частично происходит и обратное превращение вещества, однако преобладает переход молекул в твердую фазу. Возникающее в случае кристаллизации восстановление (по Поплу — выпрямление) водородных связей и другие явления изменяют кварцеобразную структуру жидкой воды на менее плотную структуру льда.

Так как при обычной тридимитообразной структуре льда каждая его молекула связана с тремя молекулами ее структурного слоя и одной молекулой соседнего слоя, то координационное число молекул у льда равно четырем. Изменения ряда физических свойств воды при охлаждении и замораживании наглядно отражают превращения ее структуры.

Так, в случае охлаждения воды при нормальном давлении 0,101325 МПа с температуры t=4° С (277,15 К) до *=0°С (273,15 К) плотность ее рв падает с 1000 до 999,9 кг/м3, а при превращении в лед дополнительно снижается до 916,8 кг/м3 (рл« «917(1-0,00015 t). По расчету отношение масс 1 моля воды и льда составляет 18,02: 19,66 «0,916.

При кристаллизации воды, требующей отнятия удельной теплоты гл=334 кДж/кг, теплоемкость изменяется с св=4,23 до сл= =2,12 кДж/ (кг-К), а теплопроводность с Яв=0,55 до Ял53 =2,22 Вт/ (м К). По сравнению с водой у льда средняя диэлектрическая проницаемость меньше в 30 раз, а электропроводность в 500 и более раз.

Аномальное падение плотности воды вызывается в основном уменьшением компактности среднего расположения молекул. Особенности воды и льда, в частности, объясняются изменениями в соотноеНйях количеств молекул С временно фиксированным положёнйеМ и молекул, перемещающихся, а также влиянием водородных связей, полостей в структурах и полимеризацией молекул.

Возникающие при кристаллизации воды монокристаллы льда не имеют идеальной кристаллической решетки из-за неизбежных дефектов структуры, в частности типа дислокаций (сдвигов), вызываемых нарушением упаковки молекул и чередования атомных плоскостей.

Тепловое движение вызывает дислокационный выход отдельных микрочастиц в междуузлия кристаллических решеток и образование вакансий («дырок») в структуре кристалла, подобных вакансиям, имеющимся в жидкостях, в частности в воде. Считается, что дефекты дислокаций являются одной из причин большой пластичности льда, от которой зависит долговременная прочность ледяных холодильников. Обычно лед кристаллизуется в тридимитообразной гексагональной системе. Однако при температуре ниже -120° С лед из пара имеет алмазообразную кубическую структуру. При температуре ниже -160° С и большой скорости охлаждения пар в вакууме превращается в стеклообразный, практически аморфный лед с плотностью 1300-2470 кг/м3. Монокристаллы внутриводного и поверхностного льда возникают при переохлаждении из молекул воды с минимальной энергией.

По Альтбергу , природный внутриводный (донный) лед образуется в реке за счет конвективного заноса переохлажденной поверхностной воды внутрь потока и последующей кристаллизации ее преимущественно на песчинках и других твердых предметах.

В случае образования поверхностного льда в водоеме возникающие при температуре атмосферы обычно ниже 0°С отдельные монокристаллы льда объединяются, в частности, в игловидные горизонтальные кристаллы, которые по мере роста пересекаются и создают решетку. Промежутки ледяной решетки заполняются монокристаллами, также объединенными в кристаллиты, которые и завершают догше- ночную стадию образования сплошной корки поликристаллического льда в основном с хаотическим расположением кристаллов. При сильном ночном излучении тепла поверхностью спокойной воды корка льда может образоваться даже при положительной температуре.

На дальнейший рост кристаллов первоначальной корки льда влияют соседние кристаллы. При этом в связи с анизотропией роста имеет место преимущественное развитие кристаллов двух видов: а) с вертикальными оптическими осями, перпендикулярными поверхности льдообразования,- при спокойной воде с относительно большим градиентом температур и б) с горизонтальными осями, параллельными поверхности льдообразования,- при движущейся воде и примерной изотермии ее.

Обеспеченные питанием растущие кристаллы проявляют так называемую кристаллизационную силу, отталкивающую препятствия. При медленной кристаллизации и хорошей циркуляции пресной воды большинство примесей воды оттесняется и образуется прозрачный лед зеленовато-голубого оттенка. Лед образуется в основном с правильно ориентированными крупными кристаллитами в виде призмы с поперечником порядка нескольких миллиметров и с относительно небольшим количеством примесей. При быстрой кристаллизации и слабой циркуляции воды лед получается непрозрачным, белого цвета (матовый лед) и представляет собой в этом случае тело с хаотическим расположением сростков мелких кристаллов обычно с поперечником менее 1 мм, перемежающихся с твердыми, жидкими и газообразными (воздух) примесями. При быстрой кристаллизации воды с повышенным количеством примесей они иногда располагаются не только между кристаллами, но и на базисных плоскостях внутри их. Прослойки между кристаллитами всегда содержат гораздо больше примесей, чем прослойки между монокристаллами. Межкристаллические прослойки имеют в частном случае речного льда толщину порядка 3 мкм при температуре замораживания -2° С к 0,3 мкм при температуре около -20° С. Отмечается, что размеры кристаллов льда из воды с примесью водорастворимых солей обратно пропорциональны скорости замораживания и концентрации солей.

Если лед образуется не на плоской поверхности воды, а в очень мелких водяных каплях, присутствующих, например, в облаках, где может иметь место значительное переохлаждение воды (до -40° С и ниже), то начало кристаллизации ее возможно не снаружи, а изнутри капель, где образуется внутриводный лед. Крупные же капли воды после переохлаждения обычно начинают замерзать снаружи.

При кристаллизации пресной воды растущий ледяной фронт бывает почти гладким. При этом вода, содержащая при О9 С около 40 г.воздуха в тонне (при 30°С — только 20 г), во время кристаллизации при движении фронта выделяет воздух во вне- или в межкристаллит- ное пространство.

При кристаллизации соленой воды (начинается при температуре, определяемой составом и концентрацией солей) растущий ледяной фронт бывает шероховатым, с выступами, вершины которых находятся в зонах наименьшей концентрации солей. В первую очередь кристаллизуется вода, менее связанная гидратацией с ионами солей. В дальнейшем ионы солей могут в той или иной степени дегидратироваться и соли выпадут из раствора в соответствии с их растворимостью. При этом могут образовываться и соответствующие температуре кристаллогидраты. Во льду с водорастворимыми примесями последние в основном размещаются в ячейках из кристаллов, что важно, например, при производстве рассольного льда.

При образовании льда среди других структур обычно происходит их деформация, в частности в случае замерзания влажного грунта или воды в пористом зероторе. Наименьшая деформация обеспечивается при быстром и равномерном отвердевании воды в биологических средах с криопротекторами (глицерин и др.). В этом случае одна часть воды «остекловывается», а другая связывается или образует микрокристаллы, располагающиеся преимущественно вне биологических клеток. Особым является процесс кристаллизации льда сублимацией из пара (и обратное явление возгонки при испарении льда).

Для эксплуатации ледяных холодильников имеет значение как испарение ограждений из льда, так и образование сублимационного льда в виде «снежной шубы». При достаточно низких температурах сублимированный лед образуется в виде снежинок, например в высоких облаках. Кристаллизация атмосферного льда в виде снега начинается на затравках, в данном случае — пылинках. Образование и рост кристаллических снежинок, состоящих из обычного или сублимированного льда, связаны с температурой, давлением и влажностью атмосферы. Только кристаллически оформившиеся и достигшие критической массы крупные снежинки спускаются на землю.

Следует заметить, что рост крупных снежинок за счет мелких кристаллов и капель связан с повышенной упругостью водяного пара для малых кристаллов и капель. Упругость же пара зависит от кривизны и поверхностного натяжения водяных капель или ледяных кристаллов. Искусственное внесение затравок льдообразования в облака уже практически применялось в Приднепровье для снегования озимых посевов при малоснежной зиме.

Плавление льда. Льдообразованию предшествует то или иное переохлаждение воды, а плавлению — процесс предплавления, не связанный практически с перегревом твердой фазы, так как с поверхности лед при нормальном давлении начинает плавиться при температуре (ГС (273,15 К). При плавлении в отличие от кристаллизации не преодолевается значительная сила поверхностного натяжения воды. Дальний порядок размещения молекул, присущий льду, изменяется при плавлении на ближний порядок, свойственный воде.

Внутренняя энергия в случае плавления льда возрастает. Исходя из удельной теплоты плавления льда 334 кДж/кг и теплоты возгонки 2840 кДж/кг, характеризующей разрыв всех молекулярных связей, можно степень ослабления молекулярных связей при плавлении принять равной 12%. Из них примерно 9% приходится на водородные связи и только 3% на связи ван дер Ваальса.

В случае плавления льда длительность пребывания молекул в положении равновесия резко меняется. Энергия активации (потенциальный барьер) Е уменьшается, так как Е воды меньше Е льда. Всегда имеющиеся дефекты структуры кристаллической решетки и примеси дополнительно уменьшают энергию активации. Плавление льда обычно начинается с поверхности его, на гранях и ребрах кристаллов, а также в местах расположения примесей, являющихся затравками плавления. Поверхность плавящегося льда всегда микрошероховата.

Наиболее сложен процесс плавления льда в составе других структур, например в случае льдистого грунта. Водорастворимые соли во льду способствуют плавлению его как снаружи, так и внутри.

Необходимо подчеркнуть, что в свежем расплаве льда временно сохраняются некоторые физические особенности, более близкие ко льду, чем к воде околонулевой температуры. Присущие льду молекулярные свойства временно передаются талой воде, чем, видимо, «и обусловливают ее повышенную биологическую активность. Электрические процессы при плавлении льда, а также особая активность льда и свежеталой воды могут влиять, например, на охлаждаемые тающим льдом пищевые продукты. Технологически также важно, что тающий лед хорошо поглощает многие газы, а следовательно, и запахи.

Более подробно физика и химия воды и льда рассматриваются в монографиях Фрицмана , Дорси и Флетчера , специально процесс плавления — в работе Уббелоде , структура воды и льда -в трудах Шумского , Зацепиной , Эйзенберга и Кауцмана .

Свойства воды

Почему вода — вода?

Среди необозримого множества веществ вода с ее физико-химическими свойствами занимает совершенно особое, исключительное место. И это надо понимать буквально.

Почти все физико-химические свойства воды — исключение в природе. Она действительно самое удиви­тельное вещество на свете. Вода удивительна не только многообразием изотоп­ных форм молекулы и не только надеждами, которые связаны с ней как с неиссякаемым источником энер­гии будущего. Кроме того, она удивительна и своими — самыми обычными свойствами.

Как построена молекула воды?

Как построена одна молекула воды, теперь известно очень точно. Она построена вот так.

Хорошо изучено и измерено взаимное расположение ядер атомов водорода и кислорода и расстояние между ними. Оказалось, что молекула воды нелинейна. Вместе с электронными оболочками атомов молекулу воды, если на нее взглянуть «сбоку», можно было бы изобра­зить вот так:

т. е. геометрически взаимное расположение зарядов в молекуле можно изобразить как простой тетраэдр. Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно одинаково.

Сколько молекул воды в океане?

Одна. И этот ответ не совсем шутка. Конечно, каждый может, посмотрев в справочник и узнав, сколько в Мировом океане воды, легко сосчитать, сколько всего в нем содержится молекул Н2О. Но такой ответ будет не вполне верен. Вода — вещество особен­ное. Благодаря своеобразному строению отдельные молекулы взаимодействуют между собой. Возникает особая химическая связь вследствие того, что каждый из атомов водорода одной молекулы оттягивает к себе электроны атомов кислорода в соседних молекулах. За счет такой водородной связи каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя другими соседними молекулами, подобно тому как это изображено на схеме. Правда, эта схема чересчур упро­щена — она плоская, иначе не изобразишь на рисунке. Представим себе несколько более верную картину. Для этого нужно учесть, что плоскость, в которой расположены водородные связи (они обозначены пунктиром), в молекуле воды направлена перпендикулярно к плос­кости расположения водородных атомов.

Все отдельные молекулы Н2О в воде оказываются связанными в единую сплошную пространственную сетку — в одну гигантскую молекулу. Поэтому вполне оправдано утверждение некоторых ученых физико-химиков, что весь океан — это одна молекула. Но не следует понимать это утверждение слишком буквально. Хотя все молекулы воды в воде и связываются между собой водородными связями, они в то же бремя находятся в очень сложном подвижном равновесии, сохра­няя индивидуальные свойства и единичных молекул и образуя сложные агрегаты. Подобное представление приложимо не только к воде: кусок алмаза тоже одна молекула.

Как построена молекула льда?

Никаких особых молекул льда нет. Молекулы воды благодаря своему замечательному строению соединены в куске льда друг с другом так, что каждая из них связана и окружена четырьмя другими молекулами. Это приводит к возникновению очень рыхлой струк­туры льда, в которой остается очень много свободного объема. Правильное кристаллическое строение льда выражается в изумительном изяществе снежинок и в красоте морозных узоров на замерзших оконных сте­клах.

Как же все-таки построены молекулы воды в воде?

К сожалению, этот очень важный вопрос изучен еще недостаточно. Строение молекул в жидкой воде очень сложно. Когда лед плавится, его сетчатая структура частично сохраняется в образующейся воде. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул — из агрегатов, сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распадается, их размеры стано­вятся меньше.

Взаимное притяжение ведет к тому, что средний раз­мер сложной молекулы воды в жидкой воде значи­тельно превышает размеры одной молекулы воды. Такое необычайное молекулярное строение воды обу­словливает ее необычайные физико-химические свой­ства.

Какова должна быть плотность воды?

Правда, очень странный вопрос? Вспомните, как была установлена единица массы — один грамм. Это масса одного кубического сантиметра воды. Значит, не может быть никакого сомнения в том, что плотность воды должна быть только такой, какая она есть. Можно ли в этом сомневаться? Можно. Теоретики подсчитали, что если бы вода не сохраняла рыхлую, льдоподобную структуру в жидком состоянии и ее молекулы были бы упакованы плотно, то и плотность воды была бы гораздо выше. При 25°С она была бы равна не 1,0, а 1,8 г/см3.

При какой температуре вода должна кипеть?

Этот вопрос тоже, конечно, странен. Ведь вода кипит при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, всем известно, что именно температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении и выбрана в каче­стве одной из опорных точек температурной шкалы, условно обозначенной 100°С.

Однако вопрос поставлен иначе: при какой темпера­туре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от поло­жения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева.

Если сравнивать между собой одинаковые по составу химические соединения различных элементов, принад­лежащих к одной и той же группе таблицы Менделеева, то легко заметить, что чем меньше атомный номер эле­мента, чем меньше его атомный вес, тем ниже темпера­тура кипения его соединений. Вода по химическому составу может быть названа гидридом кислорода. Н2Те, h3Se и h3S — химические аналоги воды. Если просле­дить за температурами их кипения и сопоставить, как изменяются температуры кипения гидридов в других группах периодической системы, то можно довольно точно определить температуру кипения любого гидрида, так нее как и любого другого соединения. Сам Менделе­ев таким способом смог предсказать свойства химиче­ских соединений еще не открытых элементов.

Если же определить температуру кипения гидрида кислорода по положению его в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при -80° С. Следо­вательно, вода кипит приблизительно на сто восемьде­сят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения воды — это наиболее обычное ее свойство — оказывается необычайным и удивительным.

Свойства любого химического соединения зависят от приро­ды образующих его элементов и, следовательно, от их поло­жения в периодической систе­ме химических элементов Менделеева. На этих графиках приведены зависимости темпе­ратур кипения и плавления водородных соединений IV и VI группы периодической системы. Вода является порази­тельным исключением. Благо­даря очень малому радиусу протона силы взаимодействия между ее молекулами столь велики, что разделить их очень трудно, поэтому вода кипит и плавится при ано­мально высоких температурах.

График А. Нормальная зави­симость температуры кипения гидридов элементов IV группы от их положения в таблице Менделеева.

График Б. Среди гидридов элементов VI группы вода об­ладает аномальными свойства­ми: вода должна была бы ки­петь при минус 80 – минус 90° С, а кипит при плюс 100° С.

График В. Нормальная зави­симость температуры плавле­ния гидридов элементов IV группы от их положения в таблице Менделеева.

График Г. Среди гидридов элементов VI группы вода на­рушает порядок: должна была бы плавиться при минус 100 °С, а ледяные сосульки тают при 0°С.

При какой температуре вода замерзает?

Не правда ли, вопрос не менее странен, чем предыду­щие? Ну кто же не знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить: при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей химической приро­дой? Оказывается, гидрид кислорода на основании егс положения в таблице Менделеева должен был бы за­твердевать при ста градусах ниже нуля.

Сколько существует жидких состояний воды?

На такой вопрос не так просто ответить. Конечно, тоже одно — привычная нам всем жидкая вода. Но вода в жидком состоянии обладает такими необыкно­венными свойствами, что приходится задуматься: пра­вилен ли такой простой, казалось бы, не вызывающий

никаких сомнений ответ? Вода — единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а затем по мере повышения температуры начинает рас­ширяться. Примерно при 4°С у воды наибольшая плот­ность. Эту редкостную аномалию в свойствах воды объ­ясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор совершенно необы­чайного состава: это раствор воды в воде.

При плавлении льда сначала образуются крупные сложные молекулы воды. Они сохраняют остатки рых­лой кристаллической структуры льда и растворены в обычной низкомолекулярной воде. Поэтому сначала плотность воды низкая, но с повышением температуры эти большие молекулы разрушаются, и поэтому плот­ность воды растет, пока не начнет преобладать обычное тепловое расширение, при котором плотность воды снова падает. Если это верно, то возможны несколько состояний воды, только их никто не умеет разделить. И пока неизвестно, удастся ли когда-нибудь это сделать. Такое необычайное свойство воды имеет огромное значение для жизни. В водоемах перед наступлением зимы постепенно охлаждающаяся вода опускается вниз, пока температура всего водоема не достигнет 4°С. При дальнейшем охлаждении более холодная вода остается сверху и всякое перемешивание прекращается. В результате создается необычайное положение: тон­кий слой холодной воды становится как бы «теплым одеялом» для всех обитателей подводного мира. При 4°С они чувствуют себя явно неплохо.

Что должно быть легче — вода или лед?

Кто же этого не знает… Ведь лед плавает на воде. В океане плавают гигантские айсберги . Озера зимой покрыты плавающим сплошным слоем льда. Конечно, лед легче воды.

Но почему «конечно»? Разве это так ясно? Наоборот, объем всех твердых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном расплаве. А вот лед плавает в воде. Это свойство воды — аномалия в природе, исключение, и притом совершенно замечательное исключение.

Положительные заряды в мо­лекуле воды связаны с атома­ми водорода. Отрицательные заряды — это валентные элек­троны кислорода. Их взаим­ное расположение в молекуле воды можно изобразить в ви­де простого тетраэдра.

Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами и лед был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее жидкой воды. Зимой намерзающий сверху более плотный лед тонул бы в воде, непрерывно опускаясь на дно водоема. Летом лед, защищенный толщей холодной воды, не мог бы растаять. Постепенно все озера, пруды, реки, ручьи промерзли бы нацело, превратившись в гигантские ледяные глыбы. Наконец, промерзли бы моря, а за ними и океаны. Наш прекрасный цветущий зеленый мир стал бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тон­ким слоем талой воды.

Сколько существует льдов?

В природе на нашей Земле — один: обычный лед. Лед — горная порода с необычайными свойствами. Он твердый, но течет, как жидкость, и существуют огром­ные ледяные реки, медленно стекающие с высоких гор. Лед изменчив — он непрерывно исчезает и образуется вновь. Лед необычайно прочен и долговечен — десятки тысячелетий хранит он в себе без изменений тела мамонтов, случайно погибших в ледниковых трещинах. В своих лабораториях человек сумел открыть еще, по крайней мере, шесть различных, не менее удиви­тельных льдов. В природе их найти нельзя. Они могут существовать только при очень высоких давлениях. Обычный лед сохраняется до давления 208 МПа (мегапаскалей), но при этом давлении он плавится при — 22 °С. Если давление выше, чем 208 МПа, возникает плот­ный лед — лед-Ш. Он тяжелее воды и тонет в ней. При более низкой температуре и большем давлении — до 300 МПа — образуется еще более плотный лед-П. Дав­ление сверх 500 МПа превращает лед в лед-V. Этот лед можно нагреть почти до 0 ° С, и он не растает, хотя и нахо­дится под огромным давлением. При давлении около 2ГПа (гигапаскалей) возникает лед-VI. Это буквально горячий лед — он выдерживает, не плавясь, темпера­туру 80° С. Лед-VII, найденный при давлении ЗГПа, пожалуй, можно назвать раскаленным льдом. Это самый плотный и тугоплавкий из известных льдов. Он плавится только при 190° выше нуля.

Лед-VII обладает необыкновенно высокой твердостью. Этот лед может стать даже причиной вне­запных катастроф. В подшипниках, в которых враща­ются валы мощных турбин электростанций, развива­ется огромное давление. Если в смазку попадет хотя бы немного воды, она замерзнет, несмотря на то что темпе­ратура подшипников очень высока. Образовавшиеся частицы льда-VII, обладающие огромной твердостью, начнут разрушать вал и подшипник и быстро выведут их из строя.

Может быть, лед и в космосе есть?

Как будто бы есть, и при этом очень странный. Но открыли его ученые на Земле, хотя такой лед на нашей планете существовать не может. Плотность всех извест­ных в настоящее время льдов даже при очень высоких давлениях, лишь очень немного превышает 1 г/см3. Плотность гексагональной и кубической модификации льда при очень низких давлениях и температурах, даже близких к абсолютному нулю, немного меньше едини­цы. Их плотность равна 0,94 г/см3.

Но оказалось, что в вакууме , при ничтожных давле­ниях и при температурах ниже -170° С, при условиях, когда образование льда происходит при его конденса­ции из пара на охлаждаемой твердой поверхности, воз­никает совершенно удивительный лед. Его плотность… 2,3 г/см3. Все известные до сих пор льды кристалличе­ские, а этот новый лед, по-видимому, аморфный, он характеризуется беспорядочным относительным распо­ложением отдельных молекул воды; определенная кри­сталлическая структура у него отсутствует. По этой причине его иногда называют стеклянным льдом. Уче­ные уверены, что этот удивительный лед должен возникать в космических условиях и играть боль­шую роль в физике планет и комет. Открытие такого сверхплотного льда было для физиков неожиданным.

Что нужно, чтобы лед растаял?

Очень много тепла. Гораздо больше, чем для плавле­ния такого лее количества любого другого вещества. Ис­ключительно большая удельная теплота плавления -80 кал (335 Дж) на грамм льда — таклее аномальное свойство воды. При замерзании воды такое нее количе­ство тепла снова выделяется.

Когда наступает зима, образуется лед, выпадает снег и вода отдает обратно тепло, подогревает землю и воз­дух. Они противостоят холоду и смягчают переход к суровой зиме. Благодаря этому замечательному свойст­ву воды на нашей планете существует осень и весна.

Сколько тепла нужно, чтобы нагреть воду?

Очень много. Больше, чем для нагревания равного количества любого другого вещества. Чтобы нагреть грамм воды на один градус, необходима одна калория (4,2 Дж). Это больше чем вдвое превышает теплоем­кость любого химического соединения.

Вода — вещество, необычайное далее в самых обы­денных для нас свойствах. Конечно, эта способность воды имеет очень большое значение не только при варке обеда на кухне. Вода — это великий распредели­тель тепла по Земле. Нагретая Солнцем под экватором, она переносит тепло в Мировом океане гигантскими потоками морских течений в далекие полярные обла­сти, где жизнь возможна только благодаря этой удиви­тельной особенности воды.

Почему в море вода соленая?

Это, пожалуй, одно из самых важных следствий одного из самых удивительных свойств воды. В ее моле­куле центры положительных и отрицательных зарядов сильно смещены относительно друг друга. Поэтому вода обладает исключительно высоким, аномальным значе­нием диэлектрической проницаемости. Для воды е = 80, а для воздуха и вакуума е = 1. Это значит, что два лю­бых разноименных заряда в воде взаимно притяги­ваются друг к другу с силой, в 80 раз меньшей, чем в воздухе. Ведь по закону Кулона:

Но все же межмолекулярные связи во всех телах, определяющие прочность тела, обусловлены взаимо­действием между положительными зарядами атомных ядер и отрицательными электронами. На поверхности тела, погруженного в воду, силы, действующие между молекулами или атомами, ослабевают под влиянием воды почти в сотню раз. Если оставшаяся прочность связи между молекулами становится недостаточной, чтобы противостоять действию теплового движения, молекулы или атомы тела начинают отрываться от его поверхности и переходят в воду. Тело начинает раство­ряться, распадаясь либо на отдельные молекулы, как сахар в стакане чаю, либо на заряженные частицы — ионы, как поваренная соль.

Именно благодаря аномально высокой диэлектриче­ской проницаемости вода — один из самых сильных растворителей. Она даже способна растворить любую горную породу на земной поверхности. Медленно и неотвратимо она разрушает даже граниты, выщелачи­вая из них легкорастворимые составные части.

Ручьи, речки и реки сносят растворенные водой при­меси в океан. Вода из океана испаряется и вновь возвра­щается на землю, чтобы снова и снова продолжать свою вечную работу. А растворенные соли остаются в морях и океанах.

Не думайте, что вода растворяет и сносит в море только то, что легко растворимо, и что в морской воде содержится только обычная соль, которая стоит на обе­денном столе. Нет, морская вода содержит в себе почти все элементы, существующие в природе. В ней есть и магний, и кальций, и сера, и бром, и йод, и фтор. В меньшем количестве в ней найдены железо, медь, никель, олово, уран, кобальт, даже серебро и золото. Свыше шестидесяти элементов нашли химики в морской воде. Наверное, будут найдены и все осталь ные. Больше всего в морской воде поваренной соли. Поэтому вода в море соленая.

Можно ли бегать по поверхности воды?

Можно. Чтобы в этом убедиться, посмотрите летом на поверхность любого пруда или озера. По воде не только ходит, но и бегает немало живого и быстрого народца. Если учесть, что площадь опоры лапок у этих насекомых очень мала, то нетрудно понять, что, несмо­тря на их небольшой вес, поверхность воды выдержи-вает, не прорываясь, значительное давление.

Может ли вода течь вверх?

Да, может. Это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднима­ется вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питатель­ные вещества на большую высоту — от глубоко скры­тых в земле корней к листьям и плодам. Сама движется вода вверх в порах промокательной бумаги, когда вам приходится высушивать кляксу, или в ткани полотенца, когда вытираете лицо. В очень тонких трубочках — в капиллярах — вода может подняться на высоту до нескольких метров.

Чем это объясняется?

Еще одной замечательной особенностью воды — ее исключительно большим поверхностным натяжением. Молекулы воды на ее поверхности испытывают дей­ствие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэтому каждая молекула на ее поверхности втягивается внутрь жидкости. В результате возникает сила, стягивающая поверхность жидкости, У воды она особенно велика: ее поверхностное натяжение состав­ляет 72 мН/м (миллиньютона на метр).

Может ли вода помнить?

Такой вопрос звучит, надо признать, очень необыч­но, но он вполне серьезен и очень важен. Он касается большой физико-химической проблемы, которая в своей наиболее важной части еще не исследована. Этот вопрос только поставлен в науке, но ответа на него она еще не нашла.

Вопрос в том: влияет или нет предыдущая история воды на ее физико-химические свойства и возможно ли, исследуя свойства воды, узнать, что происходило с ней ранее, — заставить саму воду «вспомнить» и расска­зать нам об этом. Да, возможно, как это ни кажется удивительным. Проще всего это можно понять на про­стом, но очень интересном и необычайном примере — на памяти льда.

Лед — это ведь вода. Когда вода испаряется — меняется изотопный состав воды и пара. Легкая вода испаряется хотя и в ничтожной степени, но быстрее тяжелой.

При испарении природной воды состав изменяется по изотопному содержанию не только дейтерия, но и тяжелого кислорода. Эти изменения изотопного состава пара очень хорошо изучены, и так же хорошо исследо­вана их зависимость от температуры.

Недавно ученые поставили замечательный опыт. В Арктике, в толще огромного ледника на севере Гренлан­дии, была заложена буровая скважина и высверлен и извлечен гигантский ледяной керн длиной почти полтора километра. На нем были отчетливо различимы годичные слои нараставшего льда. По всей длине керна эти слои были подвергнуты изотопному анализу, и по относительному содержанию тяжелых изотопов водо рода и кислорода — дейтерия и 18О были определены температуры образования годичных слоев льда на каждом участке керна. Дата образования годичного слоя определялась прямым отсчетом. Таким образом была восстановлена климатическая обстановка на Земле на протяжении тысячелетия. Вода все это сумела запомнить и записать в глубинных слоях гренландского ледника.

В результате изотопных анализов слоев льда была построена учеными кривая изменения климата на Земле. Оказалось, средняя температура у нас подвер­жена вековым колебаниям. Было очень холодно в XV в., в конце XVII в. и в начале XIX. Самые жаркие годы были 1550 и 1930.

Тогда в чем же состоит загадка «памяти» воды?

Дело в том, что за последние годы в науке постепенно накопилось много поразительных и совершенно непо­нятных фактов. Одни из них установлены твердо, дру­гие требуют количественного надежного подтвержде­ния, и все они еще ждут своего объяснения.

Например, еще никто не знает, что происходит с водой, протекающей сквозь сильное магнитное поле. Физики-теоретики совершенно уверены, что ничего с ней при этом происходить не может и не происходит, подкрепляя свою убежденность вполне достоверными теоретическими расчетами, из которых следует, что после прекращения действия магнитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была. А опыт показывает, что она изменяется и становится другой.

Велика ли разница? Судите сами. Из обычной воды в паровом котле растворенные соли, выделяясь, отлага­ются плотным и твердым, как камень, слоем на стенках котельных труб, а из омагниченной воды (так ее теперь стали называть в технике) выпадают в виде рыхлого осадка, взвешенного в воде. Вроде разница невелика. Но это зависит от точки зрения. По мнению работников тепловых электростанций, эта разница исключительно валена, так как омагниченная вода обеспечивает нор­мальную и бесперебойную работу гигантских электро­станций: не зарастают стены труб паровых котлов, выше теплопередача, больше выработка электроэнер­гии. На многих тепловых станциях давно установлена магнитная подготовка воды, а как и почему она работа­ет, не знают ни инженеры, ни ученые. Кроме того, на опыте подмечено, что после магнитной обработки воды в ней ускоряются процессы кристаллизации, растворе­ния, адсорбции, изменяется смачивание… правда, во всех случаях эффекты невелики и трудно воспроизво­димы.

Действие магнитного поля на воду (обязательно быстротекущую) длится малые доли секунды, а «по­мнит» вода об этом десятки часов. Почему — неизвест­но. В этом вопросе практика далеко опередила науку. Ведь далее неизвестно, на что именно действует магнит­ная обработка — на воду или на содержащиеся в ней примеси. Чистой-то воды ведь не бывает.

«Память» воды не ограничивается только сохране­нием последствий магнитного воздействия. В науке существуют и постепенно накапливаются многие факты и наблюдения, показывающие, что вода как будто бы «помнит» и о том, что она раньше была замо­рожена.

Талая вода, недавно получившаяся при таянии куска льда, как будто бы тоже отличается от той воды, из которой этот кусок льда образовался. В талой воде быстрее и лучше прорастают семена, быстрее развива­ются ростки; далее как будто бы быстрее растут и развиваются цыплята, которые получают талую воду. Кроме удивительных свойств талой воды, установлен­ных биологами, известны и чисто физико-химические отличия, например талая вода отличается по вязкости, по значению диэлектрической проницаемости. Вязкость талой воды принимает свое обычное для воды значение только через 3-6 суток после плавления. Почему это так (если это так), толее никто не знает.

Большинство исследователей называют эту область явлений «структурной памятью» воды, считая, что все эти странные проявления влияния предыдущей исто­рии воды на ее свойства объясняются изменением тон­кой структуры ее молекулярного состояния. Может быть, это и так, но… назвать — это еще не значит объяснить. По-прежнему в науке существует важная проблема: почему и как вода «помнит», что с нею было.

Откуда на Земле взялась вода?

Вечно по всем направлениям Вселенную пронизы­вают потоки космических лучей — потоки частиц с огромной энергией. Больше всего в них протонов — ядер атомов водорода. В своем движении в космосе наша планета непрерывно подвергается «протонному обстрелу». Пронизывая верхние слои земной атмосфе­ры, протоны захватывают электроны, превращаются в атомы водорода и немедленно вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. Расчет показывает, что еже­годно почти полторы тонны такой «космической» воды рождается в стратосфере. На большой высоте при низкой температуре упругость водяного пара очень мала и молекулы воды, постепенно накапливаясь, конденсиру­ются на частицах космической пыли, образуя таин­ственные серебристые облака. Ученые предполагают, что они состоят из мельчайших ледяных кристалликов, возникших из такой «космической» воды. Подсчет показал, что воды, появившейся таким образом на Земле за всю ее историю, как раз хватило бы, чтобы родились все океаны нашей планеты. Значит, вода при­шла на Землю из космоса? Но…

Геохимики не считают воду небесной гостьей. Они убеждены, что у нее земное происхождение. Породы, слагающие земную мантию, которая лежит между цен­тральным ядром Земли и земной корой, под влиянием накапливающегося тепла радиоактивного распада изо­топов местами расплавлялись. Из них выделялись лету­чие составные части: азот , хлор, соединения углерода, серы, больше всего выделялось водяных паров.

Какое же количество могли выбросить при изверже­ниях все вулканы за все время существования нашей планеты?

Ученые подсчитали и это. Оказалось, что такой изверженной «геологической» воды тоже как раз хва­тило бы, чтобы заполнить все океаны.

В центральных частях нашей планеты, образующих ее ядро, воды, наверное, нет. Вряд ли она там может существовать. Одни ученые считают, что далее если и присутствуют там и кислород и водород, то они должны вместе с другими элементами образовывать новые для науки, неизвестные металлоподобные формы соедине­ний, обладающих высокой плотностью, устойчивых при тех огромных давлениях и температурах, что царят в центре земного шара.

Другие исследователи уверены, что ядро земного ша­ра состоит из железа. Что на самом деле находится не так уж далеко от нас, у нас под ногами, на глубинах, пре­вышающих 3 тыс. км, пока еще никому не известно, но воды там, наверное, нет.

Больше всего воды в недрах Земли находится в ее мантии — слоях, расположенных под земной корой и простирающихся примерно на глубину до 3 тыс. км. Геологи считают, что в мантии сосредоточено не менее 13 млрд. куб. км воды.

Самый верхний слой земной оболочки — земная кора содержит еще примерно 1,5 млрд. куб. км воды. Почти вся вода в этих слоях находится в связанном состоянии — она входит в состав горных пород и мине­ралов, образуя гидраты. В этой воде не выкупаешься и ее не выпьешь.

Гидросферу — водную оболочку земного шара образуют еще примерно 1,5 млрд. куб. км воды. Почти все это количество содержится в Мировом океане. Он занимает около 70% всей земной поверхности, его пло­щадь — свыше 360 млн. кв. км. Из космоса наша планета выглядит совсем не как земной шар, а, скорее, как водяной шар.

Средняя глубина Океана — около 4 км. Если срав­нить эту «бездонную глубину» с размерами самого зем­ного шара, средний диаметр которого равенкм, то тогда, наоборот, придется признать, что мы живем на мокрой планете, она только слегка смочена водой, да и то не по всей поверхности. Вода в океанах и морях соле­ная — пить ее нельзя.

На суше воды совсем немного: всего только около 90 млн. куб. км. Из них более 60 млн. куб. км находится под землей, почти все это соленые воды. Около 25 млн. куб. км твердой воды лежит в горных и ледниковых рай­онах, в Арктике, в Гренландии, в Антарктиде. Эти запасы воды на земном шаре заповедны.

Во всех озерах, болотах, созданных человеком водо­хранилищах и в почве содержится еще 500 тыс. куб. км воды.

Вода присутствует и в атмосфере. В воздухе всегда, даже в самых безводных пустынях, где нет ни капли воды и никогда не идет дождь, и то находится немало водяных паров. Кроме того, по небу всегда плывут обла­ка, собираются тучи, идет снег, льют дожди, над землей стелются туманы. Все эти запасы воды в атмосфере подсчитаны точно: все они, вместе взятые, составляют всего только 14 тыс. куб. км.

Кристаллическая структура льда: молекулы воды соединены в правильные шестиугольники Кристаллическая решётка льда: Молекулы воды H 2 O (чёрные шарики) в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх соседок. Молекула воды (в центре) связана с четырьмя ближайшими соседними молекулами водородными связями. Лёд – кристаллическая модификация воды. По последним данным лёд имеет 14 структурных модификаций. Среди них есть и кристаллические (их большинство) и аморфные модификации, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии, образуются в условиях экзотических при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда. Самое необычное свойство льда это удивительное многообразие внешних проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может выглядеть совершенно по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев пушистого снега, плотной блестящей корки льда или гигантских ледниковых масс.

Снежинка это монокристалл льда – разновидность гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. Над тайной их красоты и бесконечного разнообразия не одно столетие бьются учёные. Жизнь снежинки начинается с того, что в облаке водяного пара при понижении температуры образуются кристаллические зародыши льда. Центром кристаллизации могут быть пылинки, любые твердые частицы или даже ионы, но в любом случае эти льдинки размером меньше десятой доли миллиметра уже имеют гексагональную кристаллическую решетку Водяной пар, конденсируясь на поверхности этих зародышей, образует сначала крошечную гексагональную призму, из шести углов которой начинаю т расти одинаковые ледяные иголочки боковые отростки, т.к. температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки веточки. Подобные кристаллы называют дендритами, то есть похожими на дерево. Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и концентрацией водяного пара. Ее форма меняется, до последнего подчиняясь законам гексагональной симметрии. Так снежинки становятся разными. До сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых.

Цвет льда зависит от его возраста и может быть использован для оценки его прочности. Океанический лед в первый год своей жизни белый, потому что он насыщен воздушными пузырьками, от стенок которых свет отражается сразу же, не успев поглотиться. Летом поверхность льда тает, теряет прочность, и под тяжестью ложащихся сверху новых слоев пузырьки воздуха сжимаются и исчезают совсем. Свет внутри льда проходит больший путь, чем прежде, и выходит наружу, имея голубовато-зеленый оттенок. Голубой лед старше, плотнее и прочнее белого «пенистого», насыщенного воздухом. Полярные исследователи это знают и выбирают для своих плавучих баз, научных станций и ледовых аэродромов надежные голубые и зеленые льдины. Бывают черные айсберги. Первое сообщение в печати о них появилось в 1773 г. Черный цвет айсбергов вызван деятельностью вулканов — лёд покрыт толстым слоем вулканической пыли, которая не смывается даже морской водой. Лед неодинаково холоден. Есть очень холодный лед, с температурой около минус 60 градусов, это лед некоторых антарктических ледников. Намного теплее лед гренландских ледников. Его температура равна примерно минус 28 градусам. Совсем «теплые льды» (с температурой около 0 градусов) лежат на вершинах Альп и Скандинавских гор.

Плотность воды максимальна при +4 C и равна 1 г/мл, при понижении температуры уменьшается. При кристаллизации воды плотность резко уменьшается, для льда она равна 0,91 г/см 3. Благодаря этому лед легче воды и при замерзании водоёмов лед скапливается сверху, а на дне водоёмов оказывается более плотная вода с температурой 4 ̊ С. Плохая теплопроводность льда и покрывающего его снежного покрова предохраняет водоёмы от замерзания до дна и создаёт тем самым условия для жизни обитателей водоёмов зимой.

Ледники, ледяные покровы, вечная мерзлота, сезонный снежный покров существенно влияют на климат больших регионов и планеты в целом: даже те, кто никогда не видел снега, чувствуют на себе дыхание его масс, скопившихся на полюсах Земли, например, в виде многолетних колебаний уровня Мирового океана. Лед имеет столь большое значение для облика нашей планеты и комфортного обитания на ней живых существ, что ученые отвели для него особую среду криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору. Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме Nh5F) во льде крайне низкая. Общие запасы льда на Земле около 30 млн. км 3. Больше всего льда сосредоточено в Антарктиде, где толщина его слоя достигает 4 км.

Молекулярное сито

МАРКИ	NANOMOL	ZEOLAN К- СЕРИЯ	MULTIMOL
АДСОРБЦИЯ ВОДЫ (RH 32%, С 23°)	более 24%	20%	более 24%
НАСЫПНАЯ ПЛОТНОСТЬ, г/дм3	830 ± 5%	830 ± 5%	830 ± 5%
ГРАНУЛЯЦИЯ
автоматическое заполнение	0.5-0.8 мм	0.5-0.8 мм
полуавтоматическое и ручное заполнение	1-1.5 мм	1-1.5 мм	1.0-2.0 мм
ручное заполнение	1.4-1.8 мм	1.4-1.8 мм	2.0-3.0 мм
ДЕЛЬТА-Т	>40°С	>37°С	>40°С
	после 3 часов контакта с воздухом при RH 32%, С 23° (после 30 минут нагревания 40мг МС до 60°С)
	<10 мл	<10 мл	<10 мл
УПАКОВКА
25 кг коробка	V	V	V
160 кг бочки	V	V	V
650 кг биг-бэг	V	V	V
СЕРТИФИКАЦИЯ	МС сертифицировано институтом Розенхайм (Германия) в соответствии с EN-1279-2
	сертификат TUV-Sud (Германия) в соответствии с ISO 9001-2000

Молекулярное строение тел – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

• Участники:Терёхина Софья Анатольевна,Дёмина Светлана Алексеевна
• Руководитель:Парфенова Наталья Анатольевна

Цель : провести эксперимент и доказать, что все вещества состоят из молекул.

Актуализация

Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Однако лишь за последние 150 лет развилось и было экспериментально обосновано современное учение о молекулах и атомах – молекулярная теория. Одним из основателей молекулярной теории был Демокрит. Суть учения Демокрита сводилась к следующему: не существует ничего, кроме атомов; атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме; различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами нет. Учение Демокрита существует давно, однако и нынешнее учение основано на предположениях того времени.

Введение

Изучая физику в 7 классе, мы обнаружили в учебнике множество интересных экспериментов и решили провести некоторые из них. Нас очень заинтересовали эксперименты, связанные с такими явлениями как диффузия, смачиваемость, свойства газов и жидкостей.

Цель: проверить экспериментально, что все вещества состоят из молекул.

Задачи:

1. Провести эксперименты;
2. Сделать выводы из результатов экспериментов.

Гипотеза: все вещества состоят из молекул.

Основная часть

Эксперимент №1

Гипотеза: молекулы непрерывно движутся.

Приборы и материалы: два стакана с тёплой и холодной водой, кристаллики марганцовки, чайная ложка.

Ход опыта

Мы опустили в каждый стакан примерно одинаковое количество марганцовки. Мы видим, что в стакане с холодной водой марганцовка растворяется медленнее, чем в стакане с тёплой водой.

Это происходит потому, что явление диффузии протекает быстрее при более высоких температурах, так как скорость движения молекул с повышением температуры увеличивается.

Это явление мы часто встречаем в повседневной жизни. Например, когда утром готовим чай. Если вода горячая, сахар растворяется сразу. Если вода холодная, сахар нужно долго размешивать.

Это явление встречается и в природе. Осьминог, чтобы скрыться от преследования, выпускает в воду чернила, которые быстро растворяются в воде.

Эксперимент №2

Гипотеза: между молекулами есть расстояние.

Приборы и материалы: пластмассовая бутылка с водой, ёмкость для воды.

Ход опыта

Мы попытались сжать бутылку, наполненную водой. Она не поддалась.

Затем мы вылили воду и снова закрыли бутылку. Теперь мы попробовали её сжать. Она сжалась.

Это произошло из-за того, что расстояние между молекулами газа гораздо больше расстояния между молекулами воды, поэтому газы сжимаются легко, а вода практически несжимаема.

Это свойство применяется на заводах, где используется гидравлический пресс.

Эксперимент №3

Гипотеза: Между молекулами существует взаимное притяжение.

Приборы и материалы: кусок влажного мыла, стеклянная тарелка

Ход опыта

Мы сильно прижали кусок мыла, смоченного водой к тарелке и повернули его несколько раз. Перевернули тарелку и увидели, что мыло прилипло к ней и не падает.

Это объясняется тем, что между молекулами тарелки и молекулами воды, смочившей мыло. действует взаимное притяжение.

Это явление встречается в быту. Благодаря смачиваемости мы можем писать ручкой и рисовать красками, стирать одежду, мыть посуду.

Также это явление встречается и в природе. Например, если почва не смачивалась бы водой, то все растения погибли.

Выводы

Мы доказали, что:

1. все вещества состоят из молекул;
2. молекулы непрерывно движутся;
3. между молекулами есть расстояние;
4. между молекулами существуют взаимное притяжение и отталкивание.

Список используемой литературы: Учебник по физике Перышкина А.В. для 7 класса.

Ссылки на видеоролики:

https://yadi.sk/i/PzG3PT-n3JXmRA

https://yadi.sk/i/UZfZEdZ83JXkrW

https://yadi.sk/i/TnfQ_DE63JXkNL

Добро влияет на структуру воды созидательно, доказал японский ученый | Новости | Известия

C древнейших времен человечество приписывает чудесные свойства воде. Последние исследования подтверждают это. Ранее считалось, что вода не может образовывать долгоживущих структур. Однако расчеты ученых показали, что она представляет собой иерархию правильных объемных структур, в основе которых лежит кристаллоподобный «квант воды», состоящий из 57 её молекул. Эта структура энергетически стабильна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей. «Кванты воды» могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, что приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников. Они состоят из 912 молекул воды, которые практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей.

Это свойство объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия. Именно за счет этого осуществляется построение структурных элементов воды в ячейки, размером до 0,5—1 микрон. Их можно непосредственно наблюдать при помощи контрастно-фазового микроскопа. Структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей, особо следует выделить её реагирование на изменение состояния электромагнитного вакуума. Некоторые исследователи считают, что мозг, состоящий на 90% из воды, может изменять структуру вакуума. Наблюдалось также воздействие людей на свойства воды. Оно бывает настолько мощным, что тестовые микроорганизмы не только прекращают движение, но погибают и даже растворяются в ней. Японский исследователь Масару Эмото приводит еще более удивительные доказательства информационных свойств воды. За время работы он сделал более 10 000 фотографий.

Доктор Эмото использовал Анализатор Магнитного Резонанса (MRA) для нескольких функций, включая качественный анализ воды. Он заметил, что никакие два образца не образуют абсолютно похожих кристаллов и что форма кристаллов отражает свойства воды. Согласно доктору Эмото, современная медицина сосредотачивает свои наблюдения на молекулярном (химическом) уровне. Однако чтобы успешно заниматься лечением, нужно обратиться глубже молекулярного уровня — на уровень атомов, и даже микрочастиц. В основе любой сотворенной вещи, считает доктор Мамото, лежит источник энергии ХАДО (HADO) — вибрационная частота, волна резонанса. (ХАДО — определенная волна колебаний электронов атомного ядра. Поле магнитного резонанса всегда присутствует там, где существует ХАДО. Таким образом, ХАДО может интерпретироваться непосредственно как область магнитного резонанса, которая является одним типом электромагнитной волны. MRA измеряет магнитный резонанс ХАДО.

Доктор Эмото пришел к выводу, что, «все вещи лежат в пределах вашего собственного сознания». Таким образом, он верит, что мы должны стараться поднимать наш уровень ХАДО, например, посылая благословение нашей пище, а пить воду в отсутствие отрицательных эмоций. Также были исследованы образцы воды из различных водных источников всего мира. Вода подвергалась различным видам воздействия, таким как музыка, изображения, электромагнитное излучение, мысли одного человека и групп людей, молитвы, напечатанные и произнесенные слова. К примеру, такой эксперимент: на бутылках с водой две надписи — на одной «спасибо», на другой «ты глухой». Вода сформировала красивые кристаллы, в доказательство того, что «спасибо» одержало верх над «ты глухой». Таким образом, добрые слова сильнее злых. Если один человек, молится с глубоким, ясным и чистым чувством, кристаллическая структура воды будет ясна и чиста. И даже если небольшая группа людей имеет беспорядочные мысли, кристаллическая структура воды тоже будет неоднородна. Однако если все объединятся, кристаллы получатся красивыми, как при чистой и сосредоточенной молитве одного человека. Под влиянием мыслей вода изменяется мгновенно.

Кристаллическая структура воды состоит из кластеров (большая группа молекул). Слова, подобные слову «дурак» уничтожают кластеры. Негативные фразы и слова формируют крупные кластеры или вообще их не создают, а положительные, красивые слова и фразы создают мелкие, напряженные кластеры. Более мелкие кластеры дольше хранят память воды. Если есть слишком большие промежутки между кластерами, другая информация может легко проникнуть в эти участки и разрушить их целостность, таким образом стереть информацию. Туда также могут проникнуть микроорганизмы. Напряженная плотная структура кластеров оптимальна для длительного сохранения информации. Доктором Эмото много проведно экспериментов с целью найти то слово, которое сильнее всего очищает воду, и в результате обнаружил, что это не одно слово, а сочетание двух слов: «Любовь и Благодарность».

Масару Эмото предполагает, что если провести исследования, то можно найти большее число тяжких преступлений в том обществе, где люди чаще сквернословят. В природе существует 10% болезнетворных микроорганизмов и 10% полезных, остальные 80% могут менять свои свойства от полезных до вредных. Доктор Эмото полагает, что примерно такая пропорция существует и в человеческом обществе. Доктор Эмото верит, что вода является хранителем информации и отражает сознание человечества. На основании своих исследований он делает выводы: Добро влияет на структуру воды созидательно, зло разрушает ее. Добро первично, зло вторично. Добро активно, оно работает само, если убрать злую силу.

Поэтому молитвенные практики мировых религий включают в себя очищение сознания от суеты, «шума» и эгоизма. Человеческое сознание гораздо сильнее влияет на бытие, чем действия. Слова могут непосредственно влиять на биологические структуры. Процесс совершенствования основан на любви, милосердии, сострадании и благодарности. Об этом сообщает Newsinfo.

О какой форме водорода идет речь, когда говорят о водородной воде, молекулярном водороде и их пользе

Просмотров: 13528

Время прочтения: 15 минут

Тема: о молекулярном водороде

Дата: 19.09.2019

Содержание:

1. Путаница разных форм водорода — атомарного, молекулярного и ионов водорода
2. Строение атома водорода
3. Молекула водорода. Ее образование и свойства
4. Ионы водорода, анионы, катионы
5. Ионы гидроксония
6. Польза молекулярного водорода

 

Путаница разных форм водорода — атомарного, молекулярного и ионов водорода

В видеороликах и текстах о водородной воде постоянно приходится сталкиваться с путаницей — говоря о генераторах водородной воды, упоминают ионы водорода — например, анионы водорода или катионы водорода. Говорят еще об ионах гидроксония.

 

Строение атома водорода

Разберемся, что это такое:
Атом водорода — самый распространенный атом во вселенной — очень простой и состоит только из одного протона и одного электрона.

 

<

Молекула водорода. Ее образование и свойства

Молекула водорода состоит из 2х атомов водорода:

Молекула водорода H₂ — это не ион водорода, это неполярная молекула с нейтральным зарядом.

 

Ионы, анионы, катионы

Ионы — это частицы, имеющие заряд. Например, если от атома водорода отобрать электрон, получится положительно заряженный катион водорода Н⁺. А если к атому водорода добавить еще 1 электрон, то получится отрицательно заряженный анион водорода H^—.

Положительный ион водорода это H⁺ (катион, то есть движущийся к катоду, отрицательному электроду), атом водорода без электрона, фактически один протон.

 

Ионы гидроксония

Иногда в видеороликах о генераторах водородной воды можно услышать о ионах гидроксония. Что это такое, ион гидроксония?
В воде в положительно заряженные ионы водорода H⁺ “присоединяется” к молекулам воды Н₂О и получается такая конструкция:

или вот так

Это и есть ион гидроксония.

Если в среде много ионов водорода с положительным зарядом H⁺ — среда кислая, показатель pH меньше 6, например, 2 или 3.

 

Польза молекулярного водорода

Когда говорят о пользе водорода имеется в виду польза молекулярного водорода в виде раствора газа в воде или  газа самого — а не любой вид ионов водорода.

 

 

Чем отличаются молекулы воды и молекулы льда?

Понятие молекулы ( и производные от него представления о молекулярном строении вещества, структуры собственно молекулы) позволяет понимать свойства веществ создающих мир. Современные, как и ранние, физико-химические исследования опираются и базируются на грандиозном открытие об атомно-молекулярном строении вещества. Молекула – единая «деталь» всех веществ, существование которой предположил ещё Демокрит. Потому именно её структура и взаимосвязь с другими молекулами (образуя определенное строение и состав) и определяет/объясняет все различия между веществами, их видом и свойствами.

Сама молекула, будучи не самой мельчайшей составной частью вещества (коей является атом) имеет определенную структуру, свойства. Определяется структура молекулы числом вхожих в неё определенных атомов и характером связи (ковалентной) между ними. Состав этот неизменен, даже если вещество преобразуется в другое состояние(как примеру, происходит с водой – об этом пойдет речь дальше).

Молекулярное строение вещества фиксируется формулой, которая сообщает информацию об атомах, их количестве. Кроме того, молекулы составляющие вещество/тело не статичны: и сами являются подвижными – атомы вращаются, взаимодействуя между собой (притягиваются/отталкиваются).

Характеристики воды, её состояния

Состав такого вещества, как вода (равно как и её химическая формула) знаком каждому. Каждую её молекулу составляют три атома: атом кислорода, обозначающийся буквой «О», и атомы водорода – латинская «Н», в количестве 2-х. Форма молекулы воды не симметрична (схожа с равнобедренным треугольником).

Молекула воды

Вода, как вещество, составляющие её молекулы, реагирует на внешнюю «обстановку», показатели окружающей среды — температуру, давление. Зависимо от последних вода способна изменять состояние, которых три:

1. Наиболее привычное, естественное для воды состояние жидкое. Молекулярная структура (дигидроль) своеобразного порядка, при котором одиночные молекулы заполняют (водородными связями) пустоты.
2. Состояние пара, при котором молекулярная структура (гидроль) представлена одиночными молекулами между которыми не образуются водородные связи.
3. Твердое состояние (собственно лед), имеет молекулярную структуру (тригидроль) с прочными и устойчивыми водородными связями.

Помимо данных различий, естественно, разнятся и способы «перехода» вещества из одного состояния (жидкого) в другие. Эти переходы и трансформируют вещество, и провоцируют передачу энергии (выделение/поглощение). Среди них есть процессы прямые – преобразование жидкой воды в пар (испарение), в лед (замерзание) и обратные – в жидкость из пара (конденсация), из льда (таяние). Также и состояния воды — парообразное и лед — могут трансформироваться друг в друга: возгонка – лед в пар, сублимация – обратный процесс.

Специфичность льда как состояния воды

Широко известно, что лед замерзает ( трансформируется из воды) при пересечении температурой в сторону уменьшения границы в ноль градусов. Хотя, в этом всем понятном явлении, есть свои нюансы. К примеру, состояние льда неоднозначно, различны его виды, модификации. Отличаются они первоочередно условиями, при которых возникают – температурой, давлением. Таких модификаций насчитывается аж пятнадцать.

Лед в разных своих видах имеет различное молекулярное строение (молекулы же неотличимы от молекул воды). Природный и естественный лед, в научной терминологии обозначающийся как лед Ih — вещество с кристаллической структурой. То есть, каждая молекула с четырьмя окружающими её «соседками» (расстояние между всеми равное) создают геометрическую фигуру тетраэдр. Другие фазы льда обладают более сложной структурой, к примеру высокоупорядоченная структура тригонального, кубического или моноклинного льда.

Основные отличия льда от воды на молекулярном уровне

Первое и напрямую не относящееся к молекулярному строению воды и льда различие между ними – показатель плотности вещества. Кристаллическая структура, присущая льду, образовываясь, способствует одновременному уменьшению плотности (с показателя почти в 1000 кг/м³ до 916,7 кг/м³). А это стимулирует увеличение объема на 10%.

Основное же отличие в молекулярном строении этих агрегатных состояний воды (жидкого и твердого) в количестве, виде и силе водородных связей между молекулами. Во льду же (твердом состоянии) ими объединены пять молекул, а собственно связи водородные прочнее.

Сами молекулы веществ воды и льда, как упоминалось ранее, одинаковы. Но в молекулах льда атом кислорода (для создания кристаллической «решетки» вещества) образовывает водородные связи (две) с молекулами-«соседками».

Отличает вещество воды в разных её состояниях (агрегатных) не только структура расположения молекул (молекулярное строение), но и движение их, сила взаимосвязи/притяжения между ними. Молекулы воды в жидком состоянии достаточно слабо притягиваются, обеспечивая текучесть воды. В твердом же льду наиболее сильно притяжение молекул, потому и мала их двигательная активность (она обеспечивает постоянство формы льда).

Структура жидкой воды — динамическая смесь тетраэдрических структур и структур типа «кольцо и цепь»

Природа динамической сети водородных связей жидкой воды в условиях окружающей среды на протяжении десятилетий бросала вызов как экспериментальным, так и теоретическим исследователям и остается предметом интенсивных дискуссий. В этой работе мы рассмотрели структурную проблему сети водородных связей жидкой воды на основе точного молекулярно-динамического моделирования ab initio .Настоящая работа ясно показала, что жидкая вода не описывается точно статической картиной, состоящей в основном из тетраэдрических молекул воды, и в ней не преобладают структуры типа «кольцо и цепь». Вместо этого структура воды представляет собой динамическую смесь тетраэдрических структур и структур типа «кольцо и цепь» с небольшим уклоном в сторону первой. В среднем каждая молекула воды образует около трех водородных связей с окружающими молекулами воды. Настоящее точное ab initio молекулярно-динамическое моделирование жидкой воды стало возможным благодаря использованию основанной на фрагментах теории возмущений Меллера – Плессета второго порядка (MP2) с большим набором базисов для обработки большого количества молекул воды.Этот уровень теории ab initio достаточно точен для описания взаимодействий с водой, а смоделированные структурные и динамические свойства жидкой воды, включая функции радиального распределения, коэффициент диффузии, дипольный момент, и т. Д. , полностью согласуются с экспериментальными данными. наблюдения.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Fresh Outlook Foundation | Вода

Конечно, большинство из нас знает, что молекулы воды состоят из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода — отсюда химическая формула H ₂ O.Мы также знаем некоторые свойства воды, такие как ее способность действовать как растворитель для многих соединений, поглощать и выделять тепло, проникать в небольшие пространства в почве и камнях, образовывать лед, который плавает на поверхности водоемов, переносить питательные вещества и отходы. в живых организмах и действуют как главная сила, способная изменить поверхность земли. Но как это простое соединение может делать такие удивительные вещи? Ответ кроется в структуре самой молекулы воды — шедевра простоты, который поддерживает сложность всей нашей планеты.

Атомы водорода и кислорода соединяются, образуя V-образную молекулу с атомами водорода на одном конце и кислородом на другом. Эта конфигурация создает высокополярную молекулу, имеющую положительный заряд на водородном конце и отрицательный на кислородном. Затем каждый конец притягивает противоположно заряженные концы других молекул воды и образует соединения, называемые водородными связями.

Из-за своей низкой молекулярной массы вода при обычных температурах обычно является газом, но молекулы связаны настолько прочно, что вода остается в жидком состоянии — свойство, которое, очевидно, очень важно для всей жизни.

Полярная природа молекулы воды делает ее отличным растворителем для самых разных соединений. По сути, считается универсальным растворителем. Когда в воду добавляется другое вещество, например соль (хлорид натрия, NaCl), молекула NaCl диссоциирует, позволяя положительно заряженному иону натрия присоединяться к отрицательному концу молекулы воды, а отрицательно заряженному иону хлора — к положительному концу молекулы. конец. Это предотвращает преобразование молекулы хлорида натрия, таким образом удерживая соль в растворе.

Это свойство позволяет воде действовать как транспортная среда для перемещения питательных веществ и отходов к тканям растений и животных и внутри них — еще одно свойство, необходимое для жизни. Фактически, вода участвует в большинстве химических реакций на Земле. Вода также обладает способностью растворять молекулы кислорода, что делает возможным существование водных организмов.

Прочные связи между молекулами воды также создают прочную пленку на поверхности воды (это поверхностное натяжение). Эта пленка позволяет воде удерживать материалы с большим весом и плотностью.Для многих насекомых поверхностное натяжение важно для их жизненного цикла и имеет решающее значение для выживания. Волны создаются, когда поверхностное натяжение используется для передачи энергии от ветра к воде. Волны важны для диффузии кислорода в поверхностных водоемах.

V-образная молекула воды состоит из одного атома кислорода (красный) и двух атомов водорода (серый). Эта конфигурация делает конец водорода положительно заряженным, а противоположный конец — отрицательным.

Из-за своей полярной природы молекулы воды притягиваются к молекулам других веществ.Это можно увидеть в тканях растений, почве, стекле, бумаге и многих других материалах. Заряженные концы молекул воды « протягиваются » к молекулам другого вещества и прилипают к ним, в то же время таща за собой прикрепленные молекулы воды (это капиллярное действие). Таким образом, вода действительно может перемещаться. вверх стеклянной трубкой и втянутся в бумажное полотенце или губку, позволяя нам впитывать пролитую воду. Что еще более важно, это свойство позволяет воде перемещаться в небольшие пространства, например, между зернами почвы и камнями, и отвечает за движение воды (и питательных веществ) через растения, делая возможной жизнь растений.

Очень уникальное и важное свойство воды проявляется в процессе замерзания. В большинстве веществ охлаждение сближает молекулы, что приводит к увеличению плотности, которая достигает максимума в твердом состоянии. При более высокой плотности твердое тело будет тяжелее, чем его жидкое состояние, и впоследствии утонет. Но лед (твердая вода) плавает поверх жидкой воды. Как это возможно? И снова, чтобы получить ответ, нужно посмотреть на взаимодействие молекул воды.

По мере охлаждения вода становится плотнее, пока не достигнет температуры 4 градусов Цельсия — точки наивысшей плотности.По мере того, как он продолжает охлаждаться, молекулы начинают ориентироваться в кластеры, при этом каждая молекула соединяется посредством водородных связей с четырьмя другими в тетраэдрическом расположении. Поскольку молекулы постепенно образуют эти сложные структуры, они не так плотно упакованы вместе, и плотность увеличивается — вода расширяется.

При 0 градусах Цельсия (точка замерзания) кристаллы льда фактически состоят из колец этих тетраэдров, образующих высокоупорядоченный, но слабо структурированный комплекс молекул.Молекулы в кристаллах льда не так плотно упакованы, как в жидкой воде вокруг них, что означает, что они легче и впоследствии всплывают вверх — отсюда и образование льда на поверхности водоемов.

Если бы вода действовала так же, как и другие материалы, лед бы тонул, а озера и реки замерзали бы снизу вверх. Следовательно, водная жизнь не может существовать в холодном климате. Северные водоемы также, вероятно, никогда полностью не растают.

Водородная связь между молекулами воды создает прочную пленку на поверхности воды, которая имеет решающее значение для водных организмов.

Водородные связи между молекулами воды трудно разорвать, для этого требуется много энергии. Это придает воде необычно высокую температуру кипения, тем самым позволяя поглощать большое количество энергии до того, как произойдет изменение температуры. Это касается и таяния льда, поскольку процесс таяния требует много энергии. Это свойство делает воду очень хорошим материалом для передачи тепла, используемого при обогреве и охлаждении. Способность воды поглощать и накапливать тепло также важна для регулирования климата Земли.Озера и океаны действуют как регуляторы температуры, влияющие на климат.

Вода также может переносить большие количества тепла вокруг Земли. Водяной пар поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение, что предотвращает нанесение вреда жизни на Земле, а также препятствует утечке инфракрасного излучения, исходящего от Земли, в космос, тем самым сохраняя землю в тепле.

Вода — главная сила в изменении поверхности земли. Опять же, именно взаимодействие молекул позволяет ему иметь такой эффект.Вода проникает в трещины в горных породах, замерзает, расширяется, а затем раскалывает камень на части, вызывая эрозию. Из-за сильной связи между молекулами вода имеет необычно высокую вязкость, что замедляет стекание и дает больше времени для растворения материалов.

Движение ледников было и остается основным фактором изменения формы земной поверхности. Опять же, это возможно только из-за сильной связи между молекулами. Слои кристаллов льда могут проходить друг над другом, не разрывая водородные связи, тем самым предотвращая разрушение кристаллов.

Жизнь на Земле не может существовать без воды. Без сомнения, это самое важное и важное вещество на планете. Но все сводится к удивительным свойствам этой простой трехатомной молекулы. Это действительно молекулярный шедевр.

Рик де Врис — директор по развитию Fresh Outlook Foundation. Он имеет опыт работы в области исследований и наук об окружающей среде, а также имеет многолетний опыт написания и редактирования материалов для СМИ, связанных с окружающей средой.

вода: структура молекулы воды

Многие физические и химические свойства воды обусловлены ее структурой. Атомы в молекуле воды расположены двумя связями H – O под углом примерно 105 °, а не на прямо противоположных сторонах атома кислорода. Асимметричная форма молекулы возникает из-за тенденции четырех электронных пар в валентной оболочке кислорода располагаться симметрично в вершинах тетраэдра вокруг ядра кислорода.Две пары, связанные с ковалентными связями (см. Химическая связь), удерживающие атомы водорода, слегка сближены, в результате чего угол между этими связями составляет 105 °. Такое расположение приводит к образованию полярной молекулы, поскольку существует чистый отрицательный заряд на кислородном конце (вершине) V-образной молекулы и чистый положительный заряд на водородном конце. Электрический диполь вызывает притяжение между соседними противоположными концами молекул воды, причем каждый кислород может притягивать два соседних атома водорода двух других молекул воды.Такая водородная связь, как ее еще называют, наблюдалась и в других водородных соединениях. Хотя водородные связи значительно слабее, чем ковалентные связи, удерживающие молекулы воды вместе, они достаточно сильны, чтобы сохранять воду в жидком состоянии при обычных температурах; его низкая молекулярная масса обычно приводит к превращению его в газ при таких температурах.

Различные другие свойства воды, такие как высокая удельная теплоемкость, обусловлены этими водородными связями. Когда температура воды понижается, кластеры молекул образуются за счет водородных связей, при этом каждая молекула связана с другими четырьмя водородными связями, причем каждый атом кислорода стремится окружить себя четырьмя атомами водорода в тетраэдрическом расположении.Таким образом образуются гексагональные кольца атомов кислорода с чередующимися атомами в более высокой или более низкой плоскости, чем их соседи, для создания изогнутой трехмерной структуры.

Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторские права © 2012, Columbia University Press. Все права защищены.

См. Другие статьи в энциклопедии: Соединения и элементы

(PDF) Как свойства воды закодированы в ее молекулярной структуре и энергии

(101) Извеков С.; Вот, Г. А. Мультимасштабная крупнозернистая смесь смешанных бислоев фосфолипидов / холестерина

. J. Chem. Теория вычисл. 2006,2,

637-648.

(102) Булдырев, С.В .; Kumar, P .; Debenedetti, P.G .; Россский, П. Дж .;

Стэнли, Х. Э. Термодинамика водоподобной сольватации в сферической симметричной модели растворителя

с двумя характеристическими длинами. Proc. Natl.

Acad. Sci. США 2007,104, 20177−20182.

(103) Шелл, М.С. Относительная энтропия является фундаментальной для многомасштабных

и обратных термодинамических задач.J. Chem. Phys. 2008,129,

144108−144108.

(104) Wang, H .; Junghans, C .; Кремер К. Сравнительное атомистическое и крупнозернистое исследование

воды: что мы теряем при крупнозернистом?

Eur. Phys. J. E: Soft Matter Biol. Phys. 2009, 28, 221−229.

(105) Любарцев А .; Мирзоев, А .; Chen, L .; Лааксонен, А. Систематика

Крупнозернистые модели молекул с помощью метода инверсии Ньютона

. Фарадей Обсуди. 2010,144,43−56.

(106) Ларини, Л.; Lu, L .; Вот, Г. А. Мультимасштабный крупнозернистый метод

. VI. Реализация трехчастичных крупнозернистых потенциалов.

J. Chem. Phys. 2010, 132, 164107.

,

(107) Brini, E .; Algaer, E. A .; Ganguly, P .; Li, C .; Родригес-Роперо, Ф .;

ван дер Вегт, Н. Ф. Систематические крупнозернистые методы для мягкого вещества

Simulations-A Review. Soft Matter 2013,9, 2108-2119.

(108) Hoogerbrugge, P .; Коелман, Дж. Моделирование микроскопических

гидродинамических явлений с диссипативной динамикой частиц.

Europhys. Lett. 1992, 19, 155.

,

(109) Espanol, P .; Уоррен П. Статистическая механика диссипативных частиц

Динамика частиц. Europhys. Lett. 1995, 30, 191.

(110) Marrink, S.J .; Risselada, H.J .; Ефимов, С .; Tieleman, D. P .; De

Vries, A.H. Силовое поле MARTINI: крупнозернистая модель для моделирования биомолекул

. J. Phys. Chem. B 2007,111, 7812−7824.

(111) Есилевский, С.О .; Schäfer, L.V .; Sengupta, D .; Марринк, С.J.

Поляризуемая модель воды для крупнозернистого поля MARTINI Force

. PLoS Comput. Биол. 2010,6, e1000810.

(112) Ягла, Э. А. Интерпретация водных аномалий в рамках моделей

с размягчением керна. Braz. J. Phys. 2004,34,17−23.

(113) Хаимович А .; Шелл, М.С. Аномальное водоподобное поведение в сферически-симметричных моделях воды

, оптимизированных с помощью относительной энтропии

. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 1901−1915.

(114) Vilaseca, P .; Францезе, Г. Изотропные потенциалы мягкого ядра с

двумя шкалами характерных длин и аномальным поведением. J. Non-

Cryst. Твердые тела 2011,357, 419-426.

(115) Torres-Carbajal, A .; Кастанеда-Приего, Р. Характеристика

термодинамики, структуры и динамики водоподобной модели

в 2-х и 3-х измерениях. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016,18, 17335−

17340.

(116) Kumar, R .; Скиннер, Дж.L. Имитационная модель воды с явным взаимодействием трех молекул

. J. Phys. Chem. В 2008,112, 8311-8318.

(117) Бабин В .; Leforestier, C .; Паесани, Ф. Разработка «первых принципов

» водного потенциала с гибкими мономерами: димерный потенциал

Поверхность энергии, спектр VRT и второй вириальный коэффициент. J. Chem.

Теория вычисл. 2013,9, 5395-5403.

(118) Бабин В .; Medders, G.R .; Паэсани, Ф. Разработка «первых принципов

» водного потенциала с гибкими мономерами.II: Тример

Поверхность потенциальной энергии, третий вириальный коэффициент и небольшие кластеры.

J. Chem. Теория вычисл. 2014,10, 1599-1607.

(119) Fennell, C.J .; Li, L .; Дилл К. А. Простые жидкие модели с скорректированной диэлектрической проницаемостью

. J. Phys. Chem. B 2012,116, 6936−6944.

(120) Izadi, S .; Онуфриев А.В. Предел точности моделей жесткой трехточечной воды

. J. Chem. Phys. 2016, 145, 074501.

,

(121) Cisneros, G.A .; Викфельдт, К.Т .; Оямяэ, Л .; Lu, J .; Xu, Y .;

Torabifard, H .; Bartók, A. P .; Csányi, G .; Молинеро, В .; Паэсани, Ф.

Моделирование молекулярных взаимодействий в воде: от попарного к множеству-

Функции потенциальной энергии тела. Chem. Ред. 2016, 116, 7501−7528.

(122) Бен-Наим А. Статистическая механика «водоподобных» частиц в двух измерениях.

. I. Физическая модель и применение уравнения Йевика. J. Chem. Phys. 1971,54, 3682−3695.

(123) Сильверштейн, К.В.; Haymet, A. D. J .; Дилл К. А. Простая модель

воды и гидрофобный эффект. Варенье. Chem. Soc. 1998,120,

3166-3175.

(124) Silverstein, K. A. T .; Haymet, A. D. J .; Дилл, К. А. Молекулярная модель

гидрофобной сольватации. J. Chem. Phys. 1999,111, 8000-8009.

(125) Silverstein, K. A. T .; Dill, K. A .; Хаймет, А. Д. Гидрофобность

в простой модели воды: энтропийный штраф как сумма конкурирующих условий

посредством полного углового расширения.J. Chem. Phys. 2001,114, 6303−

6314.

(126) Хрибар, Б .; Саутхолл, Н. Т .; Влахи, В .; Дилл К.А. Как ионы влияют на структуру воды. Варенье. Chem. Soc. 2002, 124, 12302-12311.

(127) Урбич, Т .; Влахи, В .; Калюжный, Ю.В .; Саутхолл, Н. Т .; Дилл К.

А. Двумерная модель воды: теория и компьютер

Моделирование. J. Chem. Phys. 2000, 112, 2843–2848.

(128) Урбич, Т .; Влахи, В .; Калюжный, Ю.В .; Дилл, К.A. Ориентация —

Теория зависимых интегральных уравнений для двумерной модели

воды. J. Chem. Phys. 2003,118, 5516-5525.

(129) Truskett, T. M .; Дилл, К. А. Простая статистическая механическая модель

воды. J. Phys. Chem. B 2002,106, 11829-11842.

(130) Truskett, T. M .; Дилл, К. А. Прогнозирование фазовой диаграммы

воды и аномалий жидкого состояния. J. Chem. Phys. 2002, 117, 5101-5104.

(131) Urbic, T .; Дилл, К. А. Статистическая механическая теория для двухмерной модели воды.J. Chem. Phys. 2010, 132, 224507.

(132) Урбич Т. Аналитическая модель трехмерных молекул воды Mercedes-Benz

. Phys. Rev. E 2012,85, 061503.

(133) Lukşič, M .; Urbic, T .; Хрибар-Ли, Б .; Дилл, К. А. Простая модель

гидрофобной гидратации. J. Phys. Chem. B 2012,116, 6177-6186.

(134) Williamson, C.H .; Hall, J. R .; Феннелл, К. Дж. Двумерное молекулярное моделирование

с использованием потенциалов Розы. J. Mol. Liq. 2017, 228,

,

, 11-18.

(135) Марешаль Ю. В водородной связи и молекуле воды.

Физика и химия воды, водных и биологических сред .; Maréchal, Y.,

Ed .; Elsevier: Amsterdam, 2007.

(136) Kumar, P .; Булдырев, С. В .; Стэнли, Х.Э. Тетраэдрическая энтропия

для воды. Proc. Natl. Акад. Sci. США, 2009, 106, 22130−22134.

(137) Shadrack Jabes, B .; Nayar, D .; Dhabal, D .; Молинеро, В .;

Чакраварти, К. Вода и другие тетраэдрические жидкости: порядок,

Аномалии и решения.J. Phys .: Condens. Дело 2012, 24, 284116.

(138) Памук, Б .; Allen, P. B .; Фернандес-Серра, М.-В. Электронные и

ядерные квантовые эффекты на фазовый переход Ice XI / ice Ih. Phys.

Ред. B: Конденс. Matter Mater. Phys. 2015, 92, 134105.

,

(139) McKenzie, R.H .; Bekker, C .; Athokpam, B .; Рамеш, С. Г. Эффект

квантового движения ядер на водородные связи. J. Chem. Phys. 2014,

140, 174508.

(140) Habershon, S .; Маркланд, Т.E .; Манолопулос, Д. Э.

Конкурирующие квантовые эффекты в динамике модели гибкой воды.

J. Chem. Phys. 2009, 131, 024501.

(141) Li, X.-Z .; Уокер, B .; Михаэлидес, А. Квантовая природа водородной связи

–

. Proc. Natl. Акад. Sci. США, 2011, 108, 6369−6373.

(142) Zeidler, A .; Лосось, P. S .; Fischer, H.E .; Neuefeind, J.C .;

Simonson, J.M .; Lemmel, H .; Rauch, H .; Маркланд, Т. Е. Кислород как зонд

для определения структуры воды и оксидных материалов.Phys.

Rev. Lett. 2011,107, 145501.

(143) Markland, T. E .; Берн, Б. Дж. Распутывание квантово-механических

эффектов в воде с использованием изотопного фракционирования. Proc. Natl. Акад. Sci. США

2012 109, 7988-7991.

(144) Romanelli, G .; Ceriotti, M .; Manolopoulos, D. E .; Pantalei, C .;

Senesi, R .; Андреани, К. Прямое измерение конкурирующих квантовых эффектов

на кинетическую энергию тяжелой воды при плавлении. J. Phys.

Chem.Lett. 2013,4, 3251-3256.

(145) Lamb, D .; Скотт, В. Д. Линейные скорости роста ледяных кристаллов

, выращенных из паровой фазы. J. Cryst. Рост 1972,12,21−31.

(146) Shultz, M. J .; Bisson, P.J .; Брумберг, А. Лучший форвард:

Соревнование «Кристальное лицо» на границе раздела «Лед-вода». J. Phys. Chem. В

2014,118, 7972–7980.

(147) Бентли, У.А. Годовая сводка ежемесячного обзора погоды

за 1902 год; Правительственная типография: Вашингтон, округ Колумбия, 1903 г.

(148) Bentley, W. A .; Хамфрис, У. Дж. Снежные кристаллы, 1-е изд;

McGraw-Hill: New York, 1931.

(149) Furukawa, Y .; Веттлауфер, Дж. С. Снежные и ледяные кристаллы. Phys.

Сегодня 2007,60 (12), 70−71.

Chemical Reviews Review

DOI: 10.1021 / acs.chemrev.7b00259

Chem. Ред. XXXX, XXX, XXX − XXX

X

Структура воды: свойства

Для инструктора

Эти материалы для студентов дополнить Наука о воде и общество Инструкторские материалы.Если вы хотите, чтобы у ваших учеников был доступ к учебным материалам, мы предлагаем вам либо укажите им на студенческую версию в котором отсутствуют обрамляющие страницы с информацией, предназначенной для факультет (и этот ящик). Или вы можете скачать эти страницы в нескольких форматах которые вы можете включить в свой веб-сайт курса или в местную систему управления обучением. Узнайте больше об использовании, изменение и совместное использование учебных материалов InTeGrate.

Исследования показали, что кластеризация молекул воды происходит в растворах из-за так называемых водородных связей (слабое взаимодействие), которые составляют около 10% от силы ковалентной связи воды.Это немаловажно, и для разрыва связей требуется энергия или она достигается за счет образования водородных связей. Такие связи не являются постоянными, и происходит постоянное разрушение и реформирование облигаций, которые, по оценкам, длятся несколько триллионных долей секунды. Тем не менее, большая часть молекул воды связана в любой момент в растворе. Но эта структура приводит к другим важным свойствам воды.

В рамках этого курса мы рассмотрим только шесть из этих важных свойств:

1. Тепловая мощность
2. Скрытая теплота (плавления и испарения)
3. Тепловое расширение и плотность
4. Поверхностное натяжение
5. Точки замерзания и кипения
6. Свойства растворителя

Как упоминалось выше, эти свойства имеют значение для физических и биологических процессов на Земле.Фактически, большое количество воды буферизует изменения окружающей среды на поверхности Земли, а это означает, что, например, изменения температуры поверхности Земли относительно незначительны. Таким образом, высокая теплоемкость воды способствует непрерывности жизни на Земле, потому что вода охлаждается / нагревается медленно по сравнению с землей, помогая удерживать и переносить тепло, сводя к минимуму экстремальные температуры и помогая поддерживать однородную температуру тела в организмах. Однако есть и другие эффекты свойств воды. Его низкая вязкость позволяет быстрому потоку выравнивать перепады давления.Его высокое поверхностное натяжение позволяет передавать энергию ветра к поверхности моря, способствуя нисходящему перемешиванию кислорода в крупных водоемах, таких как океан. Кроме того, это высокое поверхностное натяжение помогает отдельным клеткам организмов сохранять свою форму и контролировать поведение при падении (вы видели «Жизнь муравья»?). Кроме того, высокая скрытая теплота испарения очень важна для передачи тепла / воды в атмосфере и является важным компонентом передачи тепла из низких широт, где приток солнечной энергии более интенсивен, в высокие широты, где наблюдается дефицит солнечной энергии.

Найдите несколько минут, чтобы узнать, почему вода — самое интересное и важное вещество во Вселенной.

---

4.2 Химический состав воды | Межмолекулярные силы

Какие свойства воды позволяют ей оставаться в жидкости? фаза в большом диапазоне температур? Объясните, почему это важно для жизни на земле.

Высокая температура кипения и низкая температура плавления. Вода имеет сильную водородные связи между молекулами. Эти облигации требуют много энергии, прежде чем они сломаются. Это ведет к вода, имеющая более высокую температуру кипения, чем если бы была только более слабые диполь-дипольные силы.Вода также имеет высокий удельная теплоемкость. Если бы у воды не было такого большого пробега в котором это жидкость, водоемы замерзли бы быстрее, уничтожая в них жизнь. Также, если температура кипения воды была ниже, чем у всей воды может испариться в жаркий день, что приведет к тому, что вся жизнь умереть.

Какое свойство воды позволяет океанам действовать как тепло? водохранилища? Как это влияет на Землю климат?

Вода способна поглощать инфракрасное излучение (тепло) от солнце.Эта тепловая энергия хранится в океанах. Без этот эффект, тепло от солнца вызовет дневная температура на Земле станет невыносимой горячий.

молекул воды и льда

Вода имеет важное значение воздействие на все биологические системы.То, что делает воду такой уникальной, — это два очень важных характеристики.

Вода — полярная молекула

Молекула воды образуется при двух атомах водородной связи ковалентно с атомом кислорода. В ковалентной связи электроны разделяются между атомами. В воде деление неравное. Атом кислорода притягивает электроны сильнее, чем водород, что придает воде асимметричный распределение заряда. Молекулы с частичным отрицательным и положительным концом заряды известны как полярные молекулы.Именно это полярное свойство позволяет воде для разделения полярных молекул растворенных веществ и объясняет, почему вода может растворять так много вещества.

---

Вода очень когезионный .

Положительные регионы в одной воде будут привлекать отрицательно заряженные регионы. в других водах. Штрихами показана водородная связь. В водородной связи водород атом разделяют два других атома. Донор — это атом, к которому водород более тесно связан. Акцептор (имеющий частичный отрицательный заряд) — это атом, который притягивает атом водорода.Нажмите здесь или на изображение слева, чтобы просмотреть фильм о двух молекулах воды.

Водородные связи намного слабее ковалентных. Однако при большом количестве водородных связей действуют в унисон, они оказывают сильное влияние. Этот в случае с водой.

См .: водородные связи в воде и льду — Водородные связи воды и льда с использованием Jsmol

Жидкая вода имеет частично упорядоченную структуру в которых постоянно образуются и разрываются водородные связи.

См. Флэш-фильм о молекулах воды в действии.

---

С другой стороны, лед имеет жесткий решетчатая структура.

дюйм жидкая вода: каждая молекула связана водородными связями примерно с 3,4 другими молекулами воды. молекулы. Во льду каждая молекула связана водородными связями с 4 другими молекулами.

Сравните две структуры ниже. Обратите внимание на пустые места внутри ледяная структура.

Во льду Ih, каждая вода образует четыре водородные связи с расстоянием O — O, равным 2.76 Ангстрем в ближайший кислородный сосед. Углы O-O-O составляют 109 градусов, что типично для тетраэдрической согласованная структура решетки. Плотность льда Ih составляет 0,931 г / куб. см. Для сравнения: плотность составляет 1,00 г / куб. См. для воды.

Есть известны одиннадцать различных форм кристаллического льда.