Структурные особенности жидкой воды

Вода, выделяется среди многих других природных веществ рядом аномалий физических свойств.

Очень высока по сравнению с соединениями, соразмерными с водой, температура плавления воды. Температура ее плавления должна быть 100 0С. На самом же деле она равна 0 0С, т. е. резко аномальна для данной группы гидридных соединений. Температура кипения должна быть между -70 и -80 0С, а фактически она равна +1000С.

Плавление воды сопровождается не расширением, как у пода­вляющего большинства соединений, а сжатием. Аномально также изменяется плотность: при повышении температуры от 0 до 4 0С она возрастает, при 4°С достигает максимума и только после этого начинает уменьшаться. Если при плавлении твердых тел теплоемкость вещества изменяется незначительно, то при плавлении льда она скачком увеличивается более чем вдвое - от 0,49 до 1,009 кал/г. При нагревании воды теплоемкость сначала падает, достигая минимума 0,9986 ккал/г при температуре 34,5 0С, а затем вновь увеличивается.

Необычна зависимость вязкости воды от давления. Если возрастание давления приводит к увеличению вязкости вещества, то у воды в интервале температур 0-30 0С вязкость с ростом давления убывает.

Аномально свойство воды растворять ионные вещества. Это определяется ее исключительно высокой диэлектрической проницаемостью, которая равна 80. Физически это означает, что два противоположных электрических заряда в воде взаимно притягиваются с силой, равной 1/80 силы их взаимного притяжения в воздухе. Вследствие этого ионы в воде отделяются от кристалла соли значительно легче. Молекулы воды обладают свойством проявлять водородные связи. Водородная связь заклю­чается в том, что атом водорода молекулы воды, ковалентно присоединяется к атому другой молекулы. Водородная связь широко распространена в природе, ею опреде­ляется структура многих органических соединений и неорганических кристаллогидратов. Со свойствами водородной связи связываются явления адсорбции, катализа, активности ферментов и т. д. Атом кислорода, связан с двумя значительно меньшими атомами водо­рода. Сила притяжения электронов атомом кислорода, т. е. его электроотрицательность, настолько велика, что молекула воды сильно поляризуется, а атом кислорода притягивает протоны соседних мо­лекул. Так возникают водородные связи.

В молекуле воды имеются три ядра: два ядра водорода и одно кислорода, окружены десятью электронами. Два электрона движутся вблизи ядра атома кислорода, а остальные восемь, являющиеся валентными, — по четырем вытянутым эллиптическим орбиталям.

Оси двух из этих орбиталей направлены вдоль связей О-Н, а двух других, электроны которых не участвуют в образовании химических связей, лежат приблизитель­но в плоскости, идущей через ядро кислорода и перпендикулярной плоскости НОН. Электроны движутся в пределах орбиталей попарно. С протонами Н+, находящимися внутри двух орбиталей, связаны два полюса положительных электрических зарядов молекулы воды. Электроны, располагающиеся на двух других орбиталях, образуют так называемые неподеленные пары. Они опре­деляют сравнительно большую величину электронной плотности.

За счет существования в молекулах воды неподеленных электронных пар в каждой молекуле воды могут возникнуть две водородные связи. Еще две связи могут обеспечить два водородных атома. Таким образом, только одна молекула воды в со­стоянии образовать четыре водородных связи (рис. 3.3, 3.4).

Структурные особенности жидкой воды - student2.ru

Рис.3.3. Различные типы водородных связей в молекуле воды

Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении ее молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сбли­жает ее с твердым телом. С другой стороны, вследствие таких связей в ее структуре возникают многочисленные пустоты, определяющие очень большую рыхлость последней.

Вода обладает «структурной памятью». Эффект магнитной обработки воды исчезает не сразу после снятия магнитного поля, а сохраняется, постепенно спадая, в течение нескольких часов или даже суток. Величина концентрации водородных ионов рН, возникших под воздействием магнитного поля, не исчезает и через 10 дней после снятия поля. Она не меняется даже при доведении омагниченной воды до кипения и последующем ее охла­ждении при ее замораживании и последующем нагревании. «Структурная память», является причиной того, что физические свойства воды, доведенной до какой-то, температуры пу­тем нагревания, отличаются от свойств той воды, котора при остывании достигла этой температуры.

Большое внимание привлекают свойства талой воды, ее способность усваиваться живым организмом лучше обычной воды. Вода в живом орга­низме отличается повышенной степенью структурной упорядочен­ности по сравнению со структурой свободной воды при той же тем­пературе. Талая вода в большей степени соответствует по своему строению воде в орга­низме, чем обычная вода.

Экспериментально дока­зано, что по мере повышения температуры циркулирующей воды глины теряют свои водоупорные свойства. В результате увеличения удель­ного объема поровых вод при высоких температурах, возникает избыточ­ное внутреннее давление, не компенсируемое давлением за счет нагрузки пород. Этот избыток давления может нару­шить герметизацию порового пространства, и вода устремится в об­ласть разгрузки.

Условия фильтрации подземных вод не всегда соответствуют закону Дарси, который не учитывает пере­менности свойств воды в связи с ее структурными изменениями. Отклонения заметны при фильтрации через тонкодис­персные глинистые среды.

Коэффициент поверхностного натяжения воды должен быть таким высоким, что поверхность воды может выдержать вес человека.

Вода обладает аномальными свойствами и других различных физических параметров: диэлектрической постоянной, паляризуемостью, химической активностью, растворяющей способностью, распределением электрического заряда в молекуле (дипольностью), тепло и электропроводностью, вязкостью, плотностью, фильтрационной способностьью и т.д. Т.е. вода – исключение из правил.

На свойства воды оказывают огромное влияние внешние физические поля: электрическое, магнитное, силы тяжести, температура и давление, космические излучения, а так же растворенные в воде соли и элементы. Влияние внешних полей на свойства воды приводит к перестройке её структуры, связи молекул от льдоподобной к жидкой аморфной. В связи с этим невероятна важна роль воды в протекании геологических процессов. Можно указать такие процессы как избирательная растворимость водой отдельных элементов и их высокая концентрация в растворе, проявление огромных сил внутримолекулярного давления, приводящего к разрушению горных пород, возникновению их трещиноватости, возникновению ледяных жил и линз, разрушению асфальта при замерзании и оттаивании.

Приведем некоторые интересные параметры: замерзание воды при температуре минус 195 градуса Цельсия - это вода поровых растворов из глин. Минерализация воды в осадочных бассейнах может достигать 550-750 г/л, но в поверхностных условиях нельзя достичь такой степени минерализации воды. По физическим законам для класса жидкостей температура замерзания воды с увеличением давления должна уменьшаться, но она увеличивается.

При температурах выше 600 0С вода теряет водородные связи, перестает быть полярной жидкостью, не обладает растворяющими свойствами. Т.е. ниже границы Моха вода не является растворителем.

Остаточная вода в нефтяных месторождениях обладает рядом уникальных свойств: повышенной электропроводностью, высокой концентрацией радиоактивных и редкоземельных элементов и растворенных солей, малой вязкостью, высокой плотностью.

Любую породу можно рассматривать как естественную пористую среду разной степени пористости, но никогда не равной нулю.


Наши рекомендации