Влажность, влагоемкость. Двойной электрический слой, страница 5

Вода, одно из наиболее распространенных соединений на Земле, выделяется среди многих других природных веществ рядом аномалий физических свойств.

Плавление воды сопровождается не расширением, как у пода­вляющего большинства соединений, а сжатием. Аномально также изменяется плотность води при повышении температуры: при повышении температуры от 0 до 4 ⁰С плотность возрастает, при 4°С она достигает своего 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/гпри температуре 34,5 ⁰С, а затем вновь увеличивается.

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

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. Сходная картина наблюдается и для температуры кипения. Температура кипения должна  быть между  -70 и  -80 ⁰С, а фактически она равна +100⁰С.

Областью аномальных изменений целого ряда физических свойств воды является интервал температур от +55 до +60 ⁰С.  Электронная паляризуемость, отражающая  степень деформируемости  электронной оболочки под влиянием внешнего поля, при 55° достигает   минимума, а затем начинает медленно возрастать.

Аномально и такое замечательное свойство воды, как её способность растворять ионные вещества. Это определяется ее исключительно высокой диэлектрической проницаемостью, которая при комнатной температуре 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, чем если бы кристалл находился в воздухе, посколъку электростатическая сила, притягивающая ион к поверхности кристалла из водного раствора,  составляет лишь 1/80 силы притяжения иона из воздуха. Для сравнения можно указать,  что у большинства других   растворителей   диэлектрическая    проницаемость значительно меньше и меняется от 2 до 50,   а у так называемых неполярных жидкостей, вообще не обладающих способностью растворять электролиты.

Молекулы воды обладают свойством проявлять водородные связи. Она заклю­чается в том, что в ней принимает участие атом водорода, ковалентно уже присоединенный к другому атому. Водородная связь широко распространена в природе, ею опреде­ляется структура многих органических соединений и неорганических кристаллогидратов. Важнейшую роль она играет в строении белков. Со свойствами водородной связи связываются явления адсорбции, катализа, активности ферментов и т. д. Вода — особенно подходящее соединение для образования водо­родных связей. Атом кислорода, отличающийся большим сродством к электронам, 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 воде имеются три ядра, а именно: 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 (рис.3.2). 

Рис.3.2. Электронная модель молекулы воды

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 орбита-лей, 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.