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).

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.