ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Внутреннее строение и свойства воды в свободном состоянии из "Курс химии. Ч.2" Под действием электрического поля, создаваемого ионами (находящимися в водном растворе или в поверхностом слое кристаллов твердого тела, с которым соприкасается вода), происходят те или другие деформации молекул. Такие воздействия вследствие теплового движения частиц не сохраняются постоянными во времени, но меняются по интенсивности и по знаку. [c.7] Другим важным свойством молекул воды является их большая способность к образованию водородных связей (ч, I, стр. [c.7] Наибольшую роль образование водородных связей играет в структуре и свойствах кристаллов обычного льда. [c.8] Каждое из трех названных свойств придает молекулам воды способность к реакциям присоединения. [c.8] Для правильного понимания особенностей свойств воды надо учитывать и способность ее молекул к электролитической диссоциации. Хотя степень электролитической диссоциации воды очень мала (ч. I, стр. 204), но в воде непрерывно с большой скоростью происходит процесс распада на ионы одних молекул и образование других по реакции НгО Н + ОН . Вследствие этого между молекулами непрерывно происходит обмен атомами, причем продолжительность пребывания какого-нибудь данного атома водорода в составе одной молекулы воды не превышает в среднем 10 сек. Это означает, что за одну секунду он десятки миллионов раз успевает сменить партнеров. [c.8] Можно сказать иначе в кристаллах льда каждый атом кислорода связан с четырьмя другими атомами кислорода, причем связь осуществляется через водородный атом. Все такие связи между атомами кислорода равноценны. Расстояния между ядрами кислородных атомов равны 2,76 А. Этому отвечает радиус молекулы 1,38 А, если принять ее шарообразной. Связи распределяются под тетраэдрическим углом (109,5°) рис. 5). Постоянные кристаллической решетки льда надежно определены с помощью рентгеновского структурного анализа. [c.9] Рассматривая молекулы воды как шары одинакового размера, можно построить модель размещения их в пространстве в соответствии с указанными параметрами решетки (рис. 6). Такое расположение молекул в кристалле очень далеко от наиболее плотной укладки их. На рисунке видны свободные участки объема между молекулами. Если бы шары радиусом 1,38 А укладывать наиболее плотно (как это имеет место во многих кристаллах металлов), то мольный объем льда равнялся бы 9 см . В действительности же он составляет 19,6 см , т. е. примерно в два раза больше. Это объясняется тем, что при всяком способе укладки, отличающемся от описанного выше для льда, не могла бы сохраниться такая взаимная ориентация молекул, которая отвечает тетраэдрическому распределению четырех связей кислородного атома. [c.9] Искажение же валентных углов требует затраты значительного количества энергии. Поэтому все такие структуры должны были бы образовываться с меньшим выделением энергии, чем обычный лед, и, следовательно, были бы менее устойчивы, чем он. [c.9] К свойствам льда, обусловленным описанной структурой его, относится пластичность. Под действием давления лед может течь (сохраняя кристаллическое состояние). Примером проявления этого свойства льда служит течение горных ледников. [c.10] Кристаллы льда не обладают слоистой структурой, подобной, например, структуре кристаллов слюды. Применение понятия слоя к кристаллам льда носит более условный характер. [c.10] Плавление льда и замерзание воды. При атмосферном давлении обычный лед плавится при 0 С. Соотношения, связанные с правилом фаз, были описаны для этого процесса в 14 гл. IV, ч. I. С точки зрения молекулярно-кинетической теории плавление льда происходит при той температуре, при которой тепловое движение частиц, усиливающееся с повышением температуры, становится способным разорвать часть водородных связей между молекулами. В результате структура льда разрушается и вода переходит в жидкое состояние. [c.10] Однако тепловое движение частиц при 0 С еще недостаточно для полного разрыва всех связей. По мере разрыва одних связей другие возникают вновь. В результате устанавливается состояние динамического равновесия, при котором наряду с молекулами, свободными от связей в данный момент времени, существуют другие молекулы, между которыми действуют водородные связи, воссоздающие в данном элементе объема структуры, в общем аналогичные структуре льда (хотя несколько отличающиеся от них по параметрам). [c.10] Плавление льда в отличие от плавления большинства других ве-ш,еств сопровождается уменьшением объема, поэтому лед легче воды и плавает на ней. Это уменьшение объема достигает 10%, т. е. весьма значительно. Очевидно, что при замерзании воды происходит, такое же увеличение о5ъёмаП5се это показывает, что укладка моле-кул воды в кристал Жх льда является менее плотной, чем в жидкой воде. Если вода занимает весь объем запаянного стеклянного сосуда, то при замерзании давление ее сильно увеличивается и сосуд лопается. Замерзание воды может привести к разрыву стальных труб, к развитию трещин в скальных породах, не говоря уже о разрушении менее прочных материалов. В особенности сильные разрушения наблюдаются при повторных замораживаниях и оттаиваниях воды (например, при чередовании оттепелей и заморозков или чередовании положительных температур днем и отрицательных ночью, периодическом оттаивании воды в период прилива и отлива). Для защиты материала от разрушения в связи с влиянием таких чередований температуры требуются специальные меры. [c.11] В соответствии с принципом Ле Шателье увеличение объема воды при ее замерзании означает, что с повышением давления температура замерзания воды должна несколько понижаться. Она понижается примерно на ГС на каждые 130 атм (при давлениях до 2000 атм). [c.11] Резко отличается вода и по изменению объема (и плотности) с температурой. Все жидкости, кроме воды, с повышением температуры всегда увеличиваются в объеме. Вода же при 4,0°С (точнее при 3,98°С) обладает наибольшей плотностью (рис. 8.), т. е. наименьшим объемом. Это явление, долгое время не находившее объяснения, становится понятным, если учесть изменение внутреннего строения воды в зависимости от температуры, т. е. уменьшения доли молекул, связанных между собой водородными связями. [c.12] Переохлаждение жидкой воды. При охлаждении жидкой воды до О С и более низких температур вода не всегда замерзает. При отсутствии в ней частиц, которые могли бы играть роль зародышей кристаллов (центров кристаллизации), вода, как и многие другие жидкости, способна переохлаждаться, т. е. может сохраняться в жидком состоянии при температурах ниже температуры замерзания. Переохлажденная вода находится в неустойчивом состоянии. Достаточно внести в нее небольшой кристаллик льда (в качестве затравки), чтобы она закристаллизовалась. Это напоминает явление образования пересыщенных растворов и объясняется тем, что для образования первых зародышей новой фазы (в данном случае — кристалликов льда) всегда требуется некоторое пересыщение. [c.13] В обычных условиях сколько-нибудь значительного переохлаждения воды не происходит, так как в ней имеются какие-нибудь твердые частицы или пылинки, которые выполняют роль центров кристаллизации. Но тщательно очищенную (и обеспыленную) воду можно подвергать значительному переохлаждению (до —15 или — 20° С). В облаках вода может сохраняться в жидком состоянии нередко до —40° С. Описана работа, в которой удалось переохладить воду лишь до —70° С. [c.13] Не останавливаясь на других свойствах, следует заметить в заключение, что хотя степень изученности различных свойств воды и особенностей ее внутреннего строения значительно выше, чем других веществ, однако это не означает, что в этой области уже все приведено в ясность. Наука непрерывно развивается, но по мере углубления наших знаний постоянно выявляются новые проблемы. Так, за последние годы был открыт целый ряд интересных фактов, показывающих влияние магнитного поля на многие свойства воды и водных растворов. Некоторые формы этого влияния нашли уже практическое использование (например, для уменьшения отложения накипи в котлах). Однако природа таких изменений свойств еще почти совсем не изучена. [c.14] Вернуться к основной статье