§ 1. Вода как вещество, её молекулярная структура и изотопный состав

Вода – это простейшее устойчивое химическое вещество-соединение водорода с кислородом. Это оксид водорода Н₂О. В чистом виде вода – вещество бесцветное, без вкуса и запаха (11,19 % весовых Н и 88,81 % О₂, молекулярный вес 18,0160). Молекула воды несимметрична: в виде равнобедренного треугольника с двумя ядрами водорода в основании и ядом кислорода в вершине

О

__----

0,97х10^-8 см

105⁰

Н 1,53 х 10^-8 см Н

Рис. 1. Строение молекулы воды

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 (рис. 1).

Полярное строение воды и возникающее в воде электрическое поле обуславливает большую диэлектрическую проницательность (показывает во сколько раз силы взаимодействия электрозарядов уменьшаются в воде по сравнению с вакуумом), которая предопределяет большую её ионизирующую способность, т.е. способность расщеплять молекулы других веществ, что обуславливает сильное растворяющее действие воды. Поэтому вода – сильный растворитель.

В зависимости от агрегатного состояния организация молекул может быть различной (рис. 2):

1) В кристаллах льда молекулы воды составляют гексагональную систему с прочными водородными связями. Эта структура рыхлая, ажурная, чем и объясняется резкое снижение плотности льда, в результате чего он плавает на воде. Во льду преобладают молекулярные агрегаты тригидроли – (Н₂О)₃.

2) В жидкой воде обычна тетраэдрическая структура, при которой 4 молекулы по вершинам тетраэдра окружают пятую. Здесь преобладают дигидроли – (Н₂О)₂.

Рис. 2. Изменение структуры воды в зависимости от агрегатного состояния

3) Водяной пар состоит из мономерных одиночных молекул воды (гидролей), не имеющих водородных связей.

4) В состоянии плазмы происходит разрушение мономерных молекул с появлением отрицательно и положительно заряженных частиц.

Вода же имеет наибольшую плотность не при температуре плавления, а при +4⁰ С. В ней одновременно присутствуют разные типы агрегатов молекул.

По изотопному составу Н₂О – это вода, образованная двумя атомами водорода с атомным весом 1 (называется протий) и атомом кислорода с атомным весом 16. Однако наличие тяжелых изотопов водорода (²Н, ³Н), природных и искусственных изотопов кислорода (¹⁴О-¹⁹О) допускает комбинации из нескольких десятков изотопных типов воды.

Д₂О – это тяжёлая вода, образованная двумя атомами изотопа водорода дейтерия с атомным весом 2 (протон-нейтрон-электрон).

Т₂О – сверхтяжёлая вода, образованная двумя атомами изотопа водорода трития с атомным весом 3 (протон, 2 нейтрона, электрон).

Д и Т – сами по себе уникальные изотопы, так как их атомные веса не на доли процента, а в 2 и 3 раза отличаются от атомного веса стабильного протия. Поэтому дейтериевая (тяжёлая) и тритиевая (сверхтяжёлая) вода, выделенная в чистом виде, также отличается рядом особых свойств (табл. 1)

Это определяет и биологические свойства тяжёлой воды. Доказано, что в ней задерживается размножение микробов, не прорастают семена растений, погибают некоторые простейшие, происходят необратимые изменения у высших организмов. То есть в высокой концентрации тяжёлая вода – это «мёртвая вода» наших сказок… Но имеются и другие данные. Д₂О стимулирует рост некоторых плесневых грибов.

В настоящее время содержание Д₂О в природных водах составляет примерно 145 атомов на 1 млн. атомов Н₂О в реках и озёрах и 180 атомов в морях. В ходе геологического времени происходило прогрессивное увеличение содержания Д₂О за счёт испарения, вымораживания, поступления из космоса.

Таблица 1

Свойства воды разного изотопного состава

Т₂О естественного происхождения на Земле всего 20 кг. Основная масса трития образуется при термоядерных реакциях.