«Структура воды. Гидрольные теории строения воды. Необычные физические свойства воды»

Дополнительный материал по теме:  «Структура воды. Гидрольные теории строения воды. Необычные физические свойства воды» Тысячи лет человек восхищается, любуется и наслаждается водой. И всё это время, пользуясь водой, люди не переставали задумываться не только о её происхождении, но и о её составе и структуре. Учёные многих стран мира штурмуют пока всё ещё неприступную крепость – структуру воды. Тетраэдрическая паутина её в трёхмерном пространстве создаёт   ажурные   ячейки,   напоминающие   соты.   Это   предположение   учёные выдвинули сравнительно недавно, и, наверное, они правы, поскольку до сих пор этого никто не опроверг, но, что самое удивительное, никто и не доказал пока однозначность такой информации. А   с   чего   всё   началось?   Началось   всё   это   давно   –   24   июня   1783 года: французские   химики   А. Лавуазье   и   П. Лаплас   в   присутствии   группы французских   учёных   синтезировали   воду   из   двух   газов  и  дали   правильное толкование этому эксперименту. Так стало известно, что вода состоит из двух элементов, которые Лавуазье назвал водородом и кислородом. Современникам   А. Лавуазье   казалось,   что   природа   воды   наконец­то выяснена, её состав известен, но время показало, что это были только первые шаги на долгом и трудном пути исследования свойств и строения воды. Изучая воду, химики задумались над важными вопросами, а именно: из чего состоят водяной пар, жидкая вода, лёд? В какие формы, или ассоциаты, соединены молекулы воды, образуя каждое из трёх её фазовых состояний? Вода обладает многими уникальными свойствами. Или, как обычно принято говорить, аномальными особенностями. Плотность воды достигает максимума при + 4 С: при этой температуре вода уменьшается в объёме до предельных значений,   а   затем,   при   дальнейшем   охлаждении,   снова   расширяется.   Вот почему   лёд   (твёрдое   состояние   воды)   становится   легче   самой   воды   и всплывает. Ведь для всех других жидкостей твёрдая фаза более плотная и вследствие этого осаждается. Если бы вода не обладала этим свойством, все водоёмы промёрзли бы до дна, и жизнь не только погибла бы, она бы даже и не возникла. Водная   среда   была   не   только   источником   возникновения   жизни,   она способствовала её развитию и сохранению. «Скрытая теплота» превращения воды в лёд или в пар играет при этом не последнюю роль, поскольку является довольно   значительной   величиной.   Чтобы   заморозить   воду,   требуется энергия.   Вот   почему   промерзание   глубоких   водоёмов   практическиневозможно,   и   это   сохраняет   в   них   жизнь.   Удивительная   цепочка необычайных свойств воды дополняется очень высокой её теплоёмкостью, что защищает   наши   континенты,   благодаря   океану,   от   резкого   перепада температур зимой и летом, ночью и днём. Именно высокая теплоёмкость воды способствует   сохранению   постоянной   температуры   тела   человека   и животных, поскольку и мы и они на две трети состоим из воды. Если рассмотреть вещества, похожие по строению на воду, – H2S, H2Se, H2Te – соединения водорода и серы, водорода и селена, водорода и теллура и т.   д.,   то   при   комнатной   температуре   все   они   находятся   в   газообразном состоянии.   Если   бы   вода   «взяла   с   них   пример»,   то   она   закипала   бы   при температуре –80 С, а превращалась бы в лёд при –100 С. Эти условия вряд ли способствовали бы развитию жизни на Земле, ведь она должна была бы существовать в интервале температур от –80  С до –100  С. При таком­то холоде какая жизнь станет возможной! Можно ещё много говорить и о других странностях   воды,   удобных   или   неудобных,   понятных   или   совсем   ещё   не разгаданных. Довольно обширные исследования свойств воды в жидком состоянии дали возможность предположить, что её молекулы скорее всего объединяются в группы   –   ассоциаты,   а   не   произвольно   размещаются   в   виде   мономерных частиц, то есть молекул, не связанных друг с другом. Такой подход довольно удачно   объяснял   некоторые   необычные   свойства   воды   (аномалии)   и   дал возможность разработать модель строения «жидкой» воды. В   1892   году   появилась   работа   немецкого   физика   Вильгельма   Рентгена «Строение жидкой воды», сыгравшая важную роль в развитии теории жидкого состояния. Он показал, что жидкая вода состоит из двух различных видов молекул, которые и определяют всю совокупность её свойств. Различными   комбинациями   связанных   и   свободных   молекул   удавалось объяснить аномальные свойства воды, прежде всего максимальную плотность при 4 С и расширение объёма при образовании льда. В 1900 году австралийский учёный Уильям Сазерленд впервые предложил термин «гидроль» для свободных молекул воды Н2О, дигидроль – для (Н2О)2 и т. д. Воду он рассматривал как раствор льда в гидроле. С этого момента все теории,   рассматривающие   жидкую   воду   как   состояние   из   различного   вида молекул, стали называться гидрольными теориями жидкой воды. В первой половине ХХ века появилось большое количество таких теорий, пытавшихся   раскрыть   строение   воды   исходя   из   чисто   гипотетических соображений.  Выдвинутая   двухструктурная   модель   в  этих   ранних   теориях давала возможность удовлетворительно объяснить отдельные свойства воды, связав их со строением. Однако, не имея никаких экспериментальных данных о   строении   льда   до   открытия   рентгеноструктурного   анализа,   эти   теорииоказывались не в состоянии объяснить весь сложный механизм строения воды для каждого её агрегатного состояния. Они опирались в основном на более или менее удачную фантазию и интуицию их авторов, и вопрос по существу сводился к обсуждению наличия в жидкой воде наиболее вероятных форм ассоциатов: (H2O)2 – дигидроль; (Н2О)3 – тригидроль и т. д. Первые   экспериментальные   данные   о   строении   кристаллического   льда дали   возможность   отойти   от   гидрольных   представлений   и   признать   их ошибочными. А двухструктурная модель, рассматривающая жидкую воду как смесь «льдоподобных» и «истинно жидких» молекул, стала развиваться на совершенно новой основе, с учётом тех достижений, которые были сделаны в области   изучения   структуры   твёрдых   и   жидких   тел   с   развитием рентгеноструктурного   анализа.   С   начала   20­х   годов   ХХ   столетия представления   о   строении   жидкостей   формируются   уже   на   основе экспериментальных данных рентгеноструктурного анализа. В 1933 году английские исследователи Дж. Бернал и Р. Фаулер публикуют статью   «Теория   воды   и   ионных   растворов»,   в   которой   указывают,   что молекулы   воды   имеют   не   плотную   упаковку,   как,   например,   бильярдные шары,   размещённые   в   ящике,   а   ажурную,   то   есть   с   большим   количеством пустот. Они показали, что атомы водорода в молекуле находятся с одного бока.   Вот   такое   однобокое   расположение   частиц   водорода   и   объясняет чрезвычайно   ажурный   способ   межмолекулярного   сцепления   в   воде.   Эти ученые впервые указали на наличие в воде направленных межмолекулярных связей. Позднее такую связь стали называть «водородной связью»; именно за счёт наличия таких связей и возникает ажурная структура жидкой воды. Какая же она всё­таки – вода? Вся длительная история изучения свойств и особенностей воды всё больше убеждает в том, что исследование структуры воды надо начинать с её молекулы. Молекула   воды   –   самая   маленькая   из   всех   трёхатомных   молекул,   она состоит   из   одного   атома   кислорода   и   двух   атомов  водорода.   На   внешней орбите   атома   кислорода   есть   шесть   электронов,   но   чтобы   орбита   была устойчивой,   их   надо   иметь   восемь,   а   орбита   атома   водорода   имеет   один электрон, хотя для устойчивости надо каждому атому водорода иметь два электрона. Вся эта «компания» нашла очень простой выход: вакантные места на внешних орбитах заполнились электронами на основе взаимообмена – они соединились попарно:В   молекуле   воды   два   электрона   движутся   вокруг   ядра   кислорода,   а остальные   –   по   эллиптическим   орбитам   попарно,   причём   оси   двух   орбит направлены вдоль связей О–Н: Угол   между   ними   приближается   к   тетраэдрическому.   С   этими   двумя орбитами, огибающими протоны (ядра водорода), связаны два положительных полюса в молекуле воды. Две другие орбиты находятся в плоскости, которая перпендикулярна плоскости Н – О – Н; они­то и определяют отрицательные полюса, а угол между осями этих орбит тоже близок к тетраэдрическому. Связь   О–Н   в   молекуле   воды,   осуществляемая   на   основе   взаимообмена электронами, называется ковалентной и является очень прочной, её не так­то легко разрушить. Таким   образом,   молекулу   воды   можно   изобразить   в   виде   маленького тетраэдра,   по   углам   которого   размещаются   четыре   заряда:   два положительных   и   два   отрицательных.   Эти   заряды   и   формируют   своё ближайшее окружение, разворачивая молекулы строго определённо – так, что между двумя кислородами всегда находится один водород и возникает связь О–Н   ­­­   О,   где   О–Н   является   ковалентной   связью,   а связь   Н   ­­­   О   носит электростатический характер. Такое   соединение   двух   атомов   кислорода   соседних   молекул   Н2О   при посредничестве одного водородного атома и называется водородной связью.Результаты,   полученные   на   основе   исследований,   дали   возможность предположить, что в жидкой воде геометрия молекул не очень отличается от той, что характеризует твёрдую фазу (лёд) или парообразное состояние. Параметры О – Н Н – Н Угол НОН Лёд 0,099 нм 0,162 нм 109 5 Парообразное состояние 0,096 нм 0,154 нм 109 3 Поэтому можно говорить только о «мгновенной структуре» в жидкой воде, зафиксированной, скажем, с помощью фотоснимка за такое короткое время, которое   и   представить   себе   невозможно,   например,   за   10–13  секунды.   С помощью   такого   снимка   как   бы   фиксируется   «мгновенная   картинка» размещения   молекул   в   жидкой   воде.   За   время   10–13  секунды   можно исследовать и внутримолекулярную структуру молекулы воды. Водородные связи, обусловливающие структуру льда, сохраняются лишь частично   в   жидкой   воде.   При   низких   температурах   (–183  С)   для   льда наблюдается   картина   полного   сохранения   четвёртой   координации (тетраэдрической   структуры).   При   температуре   плавления   льда   (0  С) некоторые водородные связи рвутся и часть молекул имеет только две­три связи. Неполная   реализация   водородных   связей   в   воде   послужила   основой создания   различных   моделей,   рассматривающих   преимущественно двухструктурное   состояние   жидкой   воды.   При   этом   одна   из   структур характеризуется   ажурной   конфигурацией   тетраэдрического   типа,   частично искажённой тепловым движением молекул в жидкой воде. Другая   структура   включает   молекулы   Н2О,   в   которых   полностью   или частично водородные связи разрушены. Молекулы, не имеющие водородных связей,   могут   попадать   в   пустоты   ажурного   льдоподобного   каркаса   воды. Отмечается большая прочность связи О–Н ­­­ О, ей легче изогнуться, чем разорваться. Надо признать, что на сегодня природа и состояние водородных связей   в   жидкой   воде   изучены   ещё   недостаточно,   и   этот   вопрос   требует дальнейших исследований. Различные авторы выдвинули сейчас более двух десятков моделей жидкой воды.   В   этих   моделях   рассматриваются   всевозможные   сочетания   двух указанных   выше   структур,   но   более   общую   картину   строения   воды   в настоящее время даёт подход, рассматривающий как бы в совокупности и взаимосвязи   структуру,   тепловое   движение   частиц   и   взаимодействие различных сил, возникающих между частицами в жидкой фазе.