1.1.1 Физико-химические особенности воды и их значение в формировании окружающей среды.
Вода, окись водорода H2O, представляет собой устойчивое химическое соединение водорода (11.19%) с кислородом (88.81%) и в чистом виде является бесцветной жидкостью без запаха и вкуса (в толстых слоях имеет голубоватый оттенок). В природе существует в 3-х агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком (жидкость) и в газообразном (пар). Вода –это удивительная жидкость, состоящая из атомов водорода и кислорода, является основой воспроизводства всего живого на земле, включая человека. Известно, что без пищи человек может обходиться 50-60 дней, а без воды не более 2-3 суток. Тело человека на две трети состоит из воды. Жизнь зародилась в воде и не может существовать без нее.
Все это обусловлено необычными свойствами этой удивительной жидкости-воды. Воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли, в формировании физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете. В настоящее время ни одно вещество на Земле не используется столь широко, как вода. Это химический реагент в производстве кислорода, водорода, щелочей, азотной кислоты, спиртов, альдегидов и многих других химических продуктов. В технике вода служит энергоносителем (гидроэнергетика), теплоносителем (паровое и водяное отопление), рабочим телом в паровых машинах и турбинах и т.д. Сельское хозяйство все базируется на потреблении воды, жилищно-коммунальное также является одним из главных потребителей воды.
Молекула воды является самой маленькой из многоатомных молекул и самая распространенная на Земле. По весу молекулы воды составляют основную часть всех живых организмов. Особо следует заметить, что белковые молекулы существуют только в водной среде. В подавляющем большинстве природных и искусственных неорганических соединений также присутствуют молекулы воды, которые, как правило, являются не просто инертной средой, а выполняют определенную структурно-функциональную роль. Наряду с хорошо известными аномалиями воды, такими как тепловое расширение, вязкость, теплопроводность и другие, в последние годы обнаружились совершенно новые свойства, особенно под влиянием магнитного поля, природных минералов (кремня и др.).
Необычные физические и химические свойства воды обусловлены в значительной степени нелинейным строением ее молекулы. Оба атома водорода в молекуле H2O образуют при нормальных условиях с центральным атомом кислорода развернутый угол. По причинам до сих пор неясным, этот угол составляет не 1800, а приблизительно 104,50.
Благодаря такому строению молекула воды является диполем (двойным полюсом), поскольку отрицательный заряд ее сосредоточен на одном конце (в вершине треугольника, занятой ионом O2- ), а положительный - у основания треугольника, образованного ионами H+. Вследствие такого расположения зарядов молекулы воды способны вступать в связь как между собой, притягиваясь один к другому полюсам с зарядами противоположного знака, так и с другими телами, имеющими положительно или отрицательно заряженные ионы. Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд в абсолютных электростатических единицах. Для воды дипольный момент достаточно высок и составляет 6.13 10-29 Кл-м.
The dipole causes the water molecule to attempt to attach themselves to each other so that the positive side of a molecule attracts the negative side of another molecule to itself, and vice versa. This is called hydrogen bonding and is the basis of most of the amazing qualities of water.
Вследствие того, что внутримолекулярные силы из-за этого угла компенсируются не полностью, проявляются остаточные силы, характеризующиеся большим дипольным моментом. Силы диполя проявляются в том, что молекулы воды ассоциируются в многочисленные комплексы, которые могут состоять из 2-8 отдельных молекул. J. Bernal and R. Fowler (1933) {Journ. Chem.Phys., 1933, v.1, 515] установили, что молекулы воды преимущественно соединяются с четырьмя соседними молекулами, образуя трехмерную сетку молекул, располагающихся по вершинам тетраэдров на расстоянии не менее 2.76 Å. Такая структура характерна для воды в твердом виде и по аналогии со строением минерала тридимита была названа тридимитной. При повышении температуры твердой фазы воды происходит перестройка ее структуры. Сжатие воды в процессе нагревания до +40С завершает переход к более компактной тетраэдральной конфигурации, когда молекулы имеют более компактное спиральное расположение. В результате, при температуре 40С происходит полное замещение тридимитной структуры, структурой, аналогичной кристаллической решетке кварца. Следует заметить, что удельный объем минерала тридимита превышает удельный объем кварца примерно на 10% и почти такое же соотношение отмечается для льда и воды. При дальнейшем росте температуры вода теряет свою скрыто-кристаллическую структуру и четверная координация разрушается, сменяясь хаотическим расположением молекул.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.