3.1 Молекула воды.

Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобедрен­ный треугольник с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине (рис. 3.1).

Рис. 3.1.

Атом кислорода в молекуле воды присо­единяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода, и тем самым приобретает отрицательный заряд. В свою очередь, оба атома водорода, лишенные электронов, становятся положительно заряженными протонами. Молекула воды поэтому обра­зует электрический диполь.

Полярное строение воды и возникающие в воде электрическое поле обусловливают большую диэлектрическую проницае­мость воды — величину, показывающую, во сколько раз силы взаи­модействия электрических зарядов уменьшаются в воде по сравне­нию с силами их взаимодействия в вакууме. Высокая диэлектриче­ская проницаемость воды предопределяет ее большую ионизирую­щую способность, т.е. способность расщеплять молекулы других веществ, что обусловливает сильное растворяющее действие воды. Каждая молекула воды, обладающая двумя положительными и двумя отрицательными зарядами, способна образовать четыре так называемые водородные связи, т.е. соединения положительно заря­женного ядра водорода (протона), химически связанного в одной молекуле с отрицательно заряженным атомом кислорода, принадле­жащим другой молекуле.

Молекулярное строение воды изучено еще недостаточно, но боль­шинство исследователей придерживается в настоящее время следую­щих взглядов на молекулярную структуру воды. Водяной пар состо­ит преимущественно из мономерных (одиночных) молекул воды, т.е. водородные связи практически не реализуются. В твердом состоянии (лед) строение воды в высокой степени упорядочено. В кристаллах льда молекулы воды составляют гексагональную систему с прочными водородными связями. Такая структура весьма рыхлая и, как иногда говорят, «ажурная». Вода в жидком состоянии занимает промежуточное положение между паром и льдом. В такой воде сохраняются элементы «льдоподобного» молекулярного карка­са, а его пустоты частично заполняются одиночными молекулами. Поэтому «упаковка» молекул в воде, находящейся в жидком состоя­нии, более плотная, чем у льда, и плавление льда приводит не к уменьшению, а к «аномальному» увеличению плотности.

Переход от полностью упорядоченной рыхлой молекулярной структуры, свойственной льду, к более плотной структуре, свойствен­ной воде в жидком состоянии, не происходит мгновенно в процессе плавления льда, а продолжается и в жидкой воде. При повышении температуры наряду с упомянутым уплотнением «упаковки» молекул происходит и свойственное всем веществам увеличение объема воды вследствие роста интенсивности теплового движения молекул. В ди­апазоне повышения температуры от 0 до 4° С преобладает процесс уплотнения воды, при температуре выше 4° С — тепловое расшире­ние. Поэтому вода обладает «аномальным» свойством — наиболь­шей плотностью не при температуре плавления, а при 4° С.

Присущие воде водородные связи примерно в десять раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства других жидкостей. Поэтому для преодоления этих связей при плавлении, испарении и нагревании воды необходимо гораздо больше энергии, чем в случае других жидкостей. Это определят ряд «аномалий» тепловых свойств воды.

Водород и кислород имеют несколько природных изотопов: ¹Н («обычный» водород), ²Н, или D («тяжелый» водород, или дейте­рий), ³Н, или Т (радиоактивный «сверхтяжелый» водород, или тритий), ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О. Поэтому и сама вода имеет переменный изо­топный состав. Природная вода — это смесь вод разного изотопного состава. Наиболее распространена вода, состоящая из изотопов ¹Н и ¹⁶О, доля других изотопных видов воды ничтожна — менее 0,27%. Воду с изотопным составом ¹Н₂¹⁶О называют «обычной» водой и обозначают просто Н₂О, остальные виды воды (кроме ³Н₂О) называют «тяжелой» водой. Иногда «тяжелой» водой считают лишь дейтериевую воду ²Н₂О (или D₂O). Вода с изотопным составом ³Н₂О (или Т₂О) — так называемая «сверхтяжелая» вода. Ее на Земле находится всего 13—20 кг. Приведенные в дальнейшем сведения относятся только к «обычной» воде.