Аномальні властивості води

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПЛАН 

1. Вступ…………………………………………………………………………...3
2. Будова молекули води………………………………………………………..4
3. Фізичні та хімічні властивості води…………………………………………6
4. Аномальні властивості води………………………………………………….8
5. Висновок……………………………………………………………………..14
6. Використана література……………………………………………………..15

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВСТУП 

     Вода - дорогоцінний дарунок природи, що забезпечує життя на Землі. Природний  розподіл її запасів не дуже зручний  для людини: велику частину водної маси складають солоні моря й океани. Прісна вода доступна нам далеко не вся: значна її частина "законсервована" у виді льоду або знаходиться  глибоко під землею. Лише частки відсотка земних ресурсів прісних вод  доступні для використання. Положення  ускладнюється тим, що усе більше росте потреба у воді й усе  більше її витрачається. Не дивно, що наростаюча витрата цього важливого природного компонента всерйоз турбує людство. Сьогодні ми виразно відчуваємо вичерпність  водних запасів.

     Людське тіло в середньому на 70% складається  з води. Ми розпочинаємо наше життя  у вигляді плоду, який складається  на 99% з води. Коли ми народжуємося, вода складає 90% нашого тіла, а до того часу, коли ми досягаємо дорослого віку, вміст води знижується до 70%. Якщо ми помираємо в глибокій старості, то наше тіло складається з води приблизно  на 50%. Отже, протягом всього життя ми існуємо головним чином у вигляді  води. Як можуть люди жити щасливим та здоровим життям? Відповідь проста – потрібно очистити воду, яка складає  до 70% нашого тіла. Завдячуючи воді, яка  переноситься кров’ю та внутрішніми  речовинами організму, ми існуємо. З  фізичної точки зору людина – це вода. Цей потік води дає нам  можливість жити активним життям.

     Мільярди  років тому в холодній газопиловій  хмарі, що згодом згустилася, спресувалась і стала Землею, вже містилася вода. Швидше за все, вона була у виді крижаного пилу. Це підтверджують дослідження Всесвіту. Установлено, що вихідні елементи для утворення води - водень і кисень - у нашій Галактиці належать до шести найпоширеніших  речовин космосу.

     Скупчення молекул води і гідрооксидних радикалів виявлені за межами Сонячної системи. У сузір'ях Кассіопеї й Оріона знайдені хмари, що складаються з молекул води. Розміри хмар колосальні – їх довжина в 40 разів перевищує відстань від Сонця до Землі. Нерідкі випадки падіння на Землю залишків кометних ядер - "посланців" далеких світів. Найчастіше вони являють собою гігантські брили льоду, що змерзлися з метаном, аміаком і мінеральними частками. Вага крижаних брил, що досягають Землі, може сягати сотень кілограмів.

     В даний час із усією точністю, доступній сучасній науці, виконаний підрахунок кількості води на Землі. Цю роботу учені розробили в рамках програми Міжнародного гідрологічного десятиліття 1964-1974 р. Результати цієї роботи опубліковані в багатотомній праці "Світові водні ресурси і водний баланс земної кулі".

     Встановлено, що гідросфера – океани, моря, ріки, озера, болота, атмосферна волога - вимірюється  значною величиною -

1,385·10⁹ км³ води, або 1,4·10¹⁹ т. Три четверті поверхні планети покриті водою. 
 

БУДОВА  МОЛЕКУЛИ ВОДИ 

     Молекула  води (H₂O) складається з двох атомів водню (H) і одного атома кисню (O). Виявляється, що навряд чи не все різноманіття властивостей води і незвичайність їхнього прояву визначається, у кінцевому рахунку, фізичною природою цих атомів, способом їхнього об'єднання в молекулу й угрупованням  молекул, що утворилися.

     В окремо розглянутій молекулі води атоми  водню і кисню, точніше їхнього  ядра, розташовані так, що утворять рівнобедрений трикутник. У вершині  його - порівняно велике кисневе  ядро, у кутах, що прилягають до підстави, - по одному ядру водню.

     Відповідно  до  електронної будови атомів водню  і кисню молекула води розташовується п'ятьма електронними парами. Вони утворять електронну хмару. Хмара неоднорідна - у ньому можна розрізнити окремі згущення і розрідження. У кисневого  ядра створюється надлишок електронної  щільності. Внутрішня електронна пара кисню рівномірно обрамляє ядро: схематично вона представлена окружністю з центром - ядром O₂- . Чотири зовнішніх електрони групуються в дві електронні пари, що тяжіють до ядра, але частково не скомпенсовані. Схематично сумарні електронні орбіталі цих пар показані у виді еліпсів, витягнутих від загального центра - ядра O₂-. Кожний із що залишилися двох електронів кисню утворить пари з одним електроном водню. Ці пари також тяжіють до кисневого ядра. Тому водневі ядра - протони - виявляються трохи оголеними, і тут спостерігається недолік електронної щільності.

      Таким чином, у молекулі води розрізняють  чотири полюси зарядів: два негативних (надлишки електронної щільності  в області кисневого ядра) і  два позитивних (недоліки електронної  щільності в двох водневих ядер). Для більшої наочності можна  представити, що полюси займають вершини  деформованого тетраедра, у центрі якого знаходиться ядро кисню. 

Будова  молекули води:

а - кут  між зв'язками O-H;

б - розташування полюсів заряду;

в - зовнішній  вигляд електронної хмари молекули води.

  
 
 
 
 

     Майже куляста молекула води має помітно  виражену полярність, тому що електричні заряди в ній розташовані асиметрично. Кожна молекула води є мініатюрним  диполем з високим дипольним  моментом - 1,87 дебая. Під впливом диполів води в 80 разів слабшають міжатомні або міжмолекулярні сили на поверхні речовини, що занурена в неї. Інакше кажучи, вода має високу діелектричну проникність, найвищу з усіх відомих нам з'єднань.

     Багато  в чому завдяки цьому, вода виявляє  себе як універсальний розчинник. Її розчинюючій дії тією чи іншою  мірою  підвластні і тверді тіла, і рідини, і гази.

     Постійно  стикаючись із усілякими речовинами, вода фактично завжди являє собою  розчин різного, найчастіше дуже складного  складу. Навіть з  дощової води,  можна виділити різні мінеральні й органічні речовини, розчинені  в ній (до декількох десятків міліграмів на літр).

      Полярність молекул води, наявність  у них частково нескомпенсованих електричних зарядів породжує схильність до угруповання молекул в укрупнені "співтовариства" - кластери. Виявляється, цілком відповідає формулі Н₂O лише вода, що знаходиться в пароподібному стані. Це показали результати визначення молекулярної маси водяної пари. У температурному інтервалі від 0 до 100°С концентрація окремих (мономірних молекул) рідкої води не перевищує 1%. Всі інші молекули води об'єднані в кластери різного ступеня складності. Безпосередньою причиною утворення кластерів є водневі зв'язки. Вони виникають між ядрами водню одних молекул і електронними "згущеннями" у ядер кисню інших молекул води. Правда, ці зв'язки в десятки разів слабкіше, ніж "стандартні" внутрішньомолекулярні хімічні зв'язки, і досить звичайних рухів молекул, щоб зруйнувати них. Але під впливом теплових коливань так само легко виникають і нові зв'язки цього типу. Оскільки електронні орбіталі в кожній молекулі води утворять тетраедричну структуру, водневі зв'язки можуть упорядкувати розташування молекул води у виді тетраедричних координованих кластерів.

     Можливі й інші моделі водної структури. Тетраедричні зв'язані молекул води утворять своєрідні  рої досить стабільного складу. Простір  між роями заповнюють мономолекули води.

     Дослідники  розкривають усе більш тонкі  і складні механізми "внутрішньої  організації водної маси. Крім льодоподібної структури, рідкої води і мономірних молекул, описаний і третій елемент структури - нететраедричної.

     Незвичайні  властивості води пояснюються здатністю  її молекул утворювати міжмолекулярні асоціати. Завдяки цим впливам молекули води здатні утворювати як випадкові асоціати, тобто не мають упорядкованої структури, так і кластери - асоціати, що мають визначену структуру.  
 
 
 
 
 

ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ  ВОДИ 

     Чиста вода є безбарвною без смаку запаху прозору рідину. Густина води під  час переходу неї з твердого стани  в рідке не зменшується, як майже  у всіх інших речовин, а зростає.

     Як  добре відомо, вода прийнята за зразок міри - еталон для всіх інших речовин. Здавалося б, за еталон для фізичних констант слідувало б вибрати  таку речовину, яка поводиться самим  нормальним, звичайним чином. А вийшло якраз навпаки.

     І перше, саме вражаюче, властивість води полягає в тому, що вода належить до єдиної речовини на нашій планеті, яка в звичайних умовах температури  і тиску може знаходитися в  трьох фазах, або трьох агрегатних станах: в твердому (лід), рідкому  і газоподібному (невидимий оку  пар).

Каталітична дія. Дуже багато хімічні реакції  протікають тільки в присутності  води. Так, окислення киснем не відбувається в сухих газах, метали не реагують з хлором і т. д.

     Гідрати. Багато з'єднання завжди містять певну кількість молекул води і тому називаються гідратами. Природа утворюючих при цьому зв'язків може бути різною. Наприклад, в пентагідратсульфату міді, або мідний купорос CuSO4 · 5H2O, чотири молекули води утворюють координаційні зв'язки з іоном сульфату, що руйнуються при 125 ° С; п'ята ж молекула води пов'язана так міцно, що відривається лише при температурі 250 ° С. Ще один стабільний гідрат - сірчана кислота; вона існує у двох гідратних формах, SO3 · H2O і SO2 (OH) 2, між якими встановлюється рівновага. Іони у водних розчинах теж часто бувають гідратованими. Так, Н + завжди знаходиться у вигляді іона гідроксонію Н3О + або Н5О2 +; іон літію - у вигляді Li (H2O) 6 + і т. д. Елементи які такі рідко перебувають у гідратованій формі. Виняток становлять бром і хлор, які утворюють гідрати Br2 · 10H2O і Cl2 · 6H2О. Деякі звичайні гідрати містять кристалізаційну воду, наприклад хлорид барію BaCl2 · 2H2O, англійська сіль (сульфат магнію) MgSO4 · 7H2O, питна сода (карбонат натрію) Na2CO3 · 10H2O, глауберова сіль (сульфат натрію) Na2SO4 · 10H2O. Солі можуть утворювати кілька гідратів; так, сульфат міді існує у вигляді CuSO4 · 5H2O, CuSO4 · 3H2O і CuSO4 · H2O. Якщо тиск насиченої пари гідрату більше, ніж атмосферний тиск, то сіль буде втрачати воду. Цей процес називається вицвітанням (вивітрюванням). Процес, при якому сіль поглинає воду, називається розпливанням.

     Гідроліз - це реакція подвійного розкладання, в якій одним з реагентів є вода; трихлорид фосфору PCl3 легко вступає в реакцію з водою:

PCl₃ + 3H₂O = P(OH)₃ + 3HCl

     Аналогічним чином гідролізуються жири з утворенням жирних кислот і гліцерину.

     Сольватація. Води - полярна сполука, а тому охоче вступає в електростатичну взаємодію з частками (іонами або молекулами) розчинених у ній речовин. Утворилися в результаті сольватації молекулярні групи називаються сольвати. Шар молекул води, пов'язаний з центральною часткою сольвати силами тяжіння, становить сольватную оболонку. Вперше поняття сольватації було введено в 1891 І. А. Каблуковим.

     У 1931 Г. Юрі показав, що при випаровуванні  рідкого водню його останні фракції  виявляються важчими звичайного водню внаслідок вмісту в них  в два рази більше важкого ізотопу. Цей ізотоп називається дейтерієм  і позначається символом D. За своїми властивостями вода, що містить замість  звичайного водню його важкий ізотоп, істотно відрізняється від звичайної  води.

     У природі на кожні 5000 масових частин Н₂О припадає одна частина D₂O. Це співвідношення однакове для річкової, дощової, болотної води, підземних вод або кристалізаційної води. Важка вода використовується як мітки при дослідженні фізіологічних процесів. Так, в сечі людини співвідношення між Н і D теж одно 5000:1. Якщо дати пацієнту випити воду з великим вмістом D₂O, то, послідовно вимірюючи частку цієї води в сечі, можна визначити швидкість виведення води з організму. Виявилося, що близько половини випитої води залишається в організмі навіть через 15 діб. Важка вода, вірніше, що входить до її складу дейтерій - важливий учасник реакцій ядерного синтезу.

     Третій  ізотоп водню - тритій, що позначається символом Т. На відміну від перших двох він радіоактивний і виявлений  у природі лише в малих кількостях. У прісноводних озерах співвідношення між ним і звичайним воднем одно 1:1018, у поверхневих водах - 1:1019, у глибинних водах він відсутній. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

АНОМАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ 

Ельмар Фукс і його колеги з технологічного університету Граца (Австрія) знайшли, що під впливом постійного електричного поля чиста вода може утворювати довгий висячий місток між двома склянками. У поставленому досліді сильне електричне поле було створено за допомогою двох вставлених у мірні склянки електродів (напруга між ними складала 15 кіловольт). Воно змусило воду (тричі деіонізовану) вибратися зі склянок (до краю було близько 3 мм) і, перетинаючи порожній простір між ними (спочатку відстань  була близькою до 1 мм), зустрітися і сформувати між склянками місток. Вченим удалося розсунути склянки на відстань 25 мм, при цьому циліндричний місток (його діаметр мінялася від 1 до 3 мм) залишався цілим протягом  45 хвилин від початку експерименту навіть при напрузі 25 кіловольт. Потім (а також при відключенні електричного струму) місток під дією сил поверхневого натягу розпадався на краплі.