Ученые объяснили аномальные свойства воды. Аномальные свойства воды объясняются наличием

Аномалии воды

Вода - самое удивительное и самое загадочное вещество на Земле. Она играет важнейшую роль во всех жизненных процессах и явлений, происходящих на нашей планете и за ее пределами. Именно поэтому, древние философы рассматривали воду (hydor) в качестве важнейшей составляющей части материи.

Современная наука утвердила роль воды как универсального, планетарного компонента, определяющего структуру и свойства бесчисленного множества объектов живой и неживой природы.

Развитие молекулярных и структурно-химических представлений позволило дать объяснение исключительной способности молекул воды образовывать связи с молекулами почти всех веществ.

Стала проясняться также роль связанной воды в формировании важнейших физических свойств гидратированных органических и неорганических веществ. Большой и все возрастающий научный ин терес привлекает проблема биологической роли воды.

Заселенная живыми организмами наружная оболочка нашей пла неты – биосфера является вместилищем жизни на Земле. Её первоосновой, ее незаменимым компонентом является вода. Вода - это и строительный материал, который используется для создания всего живого, и среда, в которой протекают все жизненные процессы, и растворитель, выносящий из орга низма вредные для него вещества, и уникальный транспорт, снабжающий биологические структуры всем необходимым для нормального протекания в них сложнейших физико-химических процессов. И это всеобъемлющее влияние воды на любую живую структуру может быть не только по ложительным, но и отрицательным. В зависимости от своего состояния вода может быть как созидателем цветущей жизни, так и ее разрушителем, могильщиком - всё зависит от ее химического и изотопного сос тава, структурных, биоэнергетических свойств. Не случайно академик И. В. Петрянов сказал: "Вода - это подлинное чудо природы!".

Аномальные свойства воды были открыты учеными в результате длительных и трудоемких исследований. Эти свойства столь привычны и естественны в обыденной нашей жизни, что обычный человек даже не подозревает об их существовании. А вместе с тем вода - вечная спутница жизни на Земле действительно оригинальна и неповторима.

Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы Н2О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар. Эта особенность объясняет сравнительно высокую удельную теплоту испарения воды. Становится понятным, что структура воды, характерные связи между молекулами воды, лежат в основе особых свойств воды. Американские ученые У. Латимер и У. Родебуш предложили в 1920 г. эти особые связи называть водородными и с этого времени представление об этом типе связи между молекулами навсегда вошло в теорию химической связи. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что происхождение водородной связи обусловлено квантово-механическиими особенностями взаимодействия протона с атомами.

Однако наличие водородной связи у воды - это всего лишь необходимое, но не достаточное условие для объяснения необычных свойств воды. Самым важным обстоятельством, объясняющим основные свойства воды, является структура жидкой воды как целостной системы.

Рис. Образование водородной связи

Еще в 1916 г. были разработаны принципиально новые представления о строении жидкости. Впервые с помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в жидкостях наблюдается определенная регулярность расположения молекул или иначе - наблюдается ближний порядок расположения молекул. Первые ренгеноструктурные исследования воды провели нидерландские ученые в 1922 году В. Кеез и Дж. де Смедт. Ими было показано, что для жидкой воды характерна упорядоченное размещение молекул воды, т.е. вода имеет определённую регулярную структуру.

Действительно, структура воды в живом организме во многом напоминает структуру кристаллической решетки льда. И именно этим объясняются сейчас уникальные свойства талой воды, долгое время сохраняющей структуру льда. Талая вода гораздо легче обычной вступает в реакцию с различными веществами, и организму не надо тратить добавочную энергию на перестройку ее структуры.

Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28', направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру (при этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный).

Рис. Кристаллическая структура льда

Известно, что биологические ткани на 70-90% состоят из воды. Это позволяет предполагать, что многие физиологические явления могут отображать молекулярные особенности не только растворенного вещества, но в равной степени и растворителя - воды. Подобного рода соображения, высказываемые такими крупными современными учеными, как Сент-Дьерди, Поллинг, Клотц и другие, вызвали новую волну повышенного интереса к вопросам структуры и состояния воды в различных системах.

Первую теорию о структуре воды выдвинули английские исследователи Дж.Бернал и Фаулер. Они создали концепцию о тетраэдрической структуре воды.

В августовском номере 1933 г. только что созданного международного журнала по химической физике "Journal of Chemical Physics” была опубликована их классическая работа о структуре молекулы воды и ее взаимодействии с себе подобными молекулами и ионами разных сортов.

Рис. Тетраэдрическая структура воды

В своей научной интуиции Дж. Бернал и Р. Фаулер опирались на обширный материал накопленных экспериментальных и теоретических данных в области изучения строения молекулы воды, структуры льда, строения простых жидкостей, на данные ренгеноструктурного анализа воды и водных растворов. Прежде всего они определили роль водородных связей в воде. Было известно, что в воде есть ковалентные и водородные связи. Ковалентные связи не рвутся при фазовых переходах воды: вода-пар-лед. Лишь электролиз, нагревание воды на железе и т.п. разрывает ковалентные связи воды. Водородные связи в 24 раза слабее ковалентных. При таянии льда, снега, водородные связи в образующейся воде частично сохраняются, в паре воды они все разорваны.

 

Рис. При таянии льда водородные периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10-12 секунд.

Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3.

Второе важное доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояла в том, что в отличие от других жидкостей вода - это было уже известно - обладает сильным электрическим моментом, составляюющим ее дипольную структуру. Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.

Экспериментальные данные, а также математические расчеты окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды "однобока" и имеет "угловую" конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода на угол 104,50:

Рис. справа - Строение молекулы воды

Именно поэтому модель воды Бернала-Фаулера - трехструктурная, с наличием нескольких раздельных типов структур. Согласно этой модели, структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.

В дальнейшем была развита идея считать жидкую воду псевдокристаллом, согласно которой вода в жидком состоянии представляет собой как бы смесь трех компонент с различными структурами (структура льда, кристаллического кварца и плотно упакованная структура обычной воды).

Вода - это ажурный псевдокристалл, в котором отдельные тетраэдрические молекулы h3О связаны друг с другом направленными водородными связями, образуя гексагональные структуры как в структуре льда.

Рис. Вода как псевдокристалл

В дальнейшем модель воды Бернала-Фаулера была уточнена и пересмотрена. На ее основе возникли более 20 моделей структуры воды, которые можно разделить на 5 групп; 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двухи трехструктурные), 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.

Непрерывные модели структуры воды постулируют, что вода - это единая тетраэдрическая сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.

Рис. Непрерывная модель воды

Смешанные модели: вода - это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности – кластеров.

Дальнейшее усовершенствование этой модели привело к созданию модели с заполнением пустот (включая клатратные модели) и к кластерным моделям. Причём кластеры могут содержать боле несколько сот молекул Н2О и подобно мерцающим скоплениям непрерырвно возникают и разрушаются вследствие местных флуктуаций плотности.

Широко известна кластерная модель структуры воды А.Фрэнка и В.Вена, усовершенствованная Г. Немети-Г. Шерагой (1962). По этой модели, в жидкой воде, наряду с мономерными молекулами имеются кластеры, рои молекул Н2О, объединенных водородными связями со временем жизни 10-10 – 10-11 сек. Они разрушаются и создаются вновь.

Практически все кластерные гипотезы воды основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных молекул Н2О и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1, 2или 3-х кратно связанные молекулы. Еще данную модель называют моделью "мерцающих скоплений". По С. Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды - долговременной (стабильные) и кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).

В настоящее время известно большое число гипотез и моделей структуры воды. Некоторые исследователи говорят о наличии в воде 10 различных структур воды с неодинаковыми кристаллическими решетками, различной плотностью и температурой плавления.

Профессор И.З. Фишер в 1961 г. ввел понятие о том, что структура воды зависит от временного интервала, в течение которого ее определяют. Он различал три вида структуры воды.

1. Мгновенная структура (время измерения t<to - времени оседлой жизни молекулы воды, где to – 10-13 сек). Данная структура существует меньше времени осцилляции молекул воды.

2. Структура воды средних отрезков времени, когда tд < t > to. 1 и 2 структуры общие со структурой льда. Эта структура существует больше времени осциляции, но меньше времени диффузии tд.

3. Структура, характерная для более длительных отрезков времени (>tд), когда молекула h3О передвигается на большие расстояния.

Д. Эзенберг и В. Каутсман связали названия этих трех структур воды с видами движения ее молекул, 1-ю структуру они назвали І-структурой (от английского instantenous – мгновенный), 2-ю - V-структурой (от английского vibrational- вибрационный), 3-ю - D-структурой (от английского diffusion – диффузионный).

Рентгеноструктурное исследование кристаллов воды, проведенное Морганом и Уорреном, показало, что воде свойственна структура, подобная структуре льда. В воде, также как и во льду, каждый атом кислорода окружен как в тетраэдре другими атомами кислорода. Расстояние между соседними молекулами неодинаково. При 25°С каждая молекула воды в каркасе имеет одного соседа на расстоянии 2,77 Å и трех - на расстоянии 2,94 Å, в среднем - 2,90 Å. Среднее между ближайшими соседями молекулы воды примерно на 5,5% больше, чем между молекулами льда. Остальные молекулы находятся на расстояниях, промежуточных между первыми и вторыми соседними дистанциями. Расстояние 4,1 Å - это расстояние между атомами О-Н в молекуле Н2О.

По современным представлениям, такая структура в значительной мере определяется водородными связями, которые, объединяя каждую молекулу с ее четырьмя соседями, образуют весьма ажурную "тридимитоподобную" структуру с пустотами, превосходящими по размерам сами молекулы. Основное отличие структуры жидкой воды от льда - это более размытое расположение атомов в решетке, нарушение дальнего порядка. Тепловые колебания приводят к изгибу и разрыву водородных связей. Сошедшие с равновесных положений молекулы воды попадают в соседние пустоты структуры и на некоторое время задерживаются там, так как пустотам соответствуют относительные минимумы потенциальной энергии. Это ведет к увеличению координационного числа и к образованию дефектов решетки, наличие которых обусловливает аномальные свойства воды. Координационное число молекул (число ближайших соседей) меняется от 4,4 при 1,5 °С до 4,9 при 83 °С.

Согласно гипотезе нашего учёного соотечественника С.В. Зенина вода представляет собой иерархию правильных объемных структур "ассоциатов" (clathrates), в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода на 80% состоит из таких элементов, 15% - кванты-тетраэдры и 3% - классические молекулы Н2О. Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела (тетраэдра).

Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или пять молекул Н2О (объемно-центрированный тетраэдр).

При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в форме додекаэдра.

Рис. Возможные кластеры воды

Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры:

Рис. Более сложные ассоциаты кластеров воды

Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу оказались более стабильными.

 

Рис. Формирование стабильного кластера воды из 20 отдельных молекул воды (рисунок ниже)

Профессор Мартин Чаплин рассчитал и предположил иную модель воды, в основе которой лежит икосаэдр.

 

 

 

Рис. Формирование икосаэдра воды

Рис. Гигантский икосаэдр воды

РИСУНКИ НИЖЕ СПРАВА

Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды - это в два раза больше, чем в модели Зенина. Гигантский икосаэдр в свою очередь состоит из 13 более мелких структурных элементов. Причем, так же как и у Зенина, структура гигантского ассоциата базируется на более мелких образованиях.

Таким образом, сейчас это является очевидным фактом, что в воде возникают ассоциаты воды, которые несут в себе очень большую энергию и информацию крайне высокой плотности.

Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и порядковое число кристаллов (структура с максимально высоким упорядочением, которую мы только знаем), потому их также называют «жидкими кристаллами» или «кристаллической водой». Такая структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей [Зенин, 1994].

Кванты воды" могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин “кванта” своими гранями. При этом возможно образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл.

Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает, согласно гипотезе Зенина, высокую чувствительность информационной системы воды. Если степень возмущения структурных элементов недостаточна для перестройки всей структуры воды в данном объеме, то после снятия возмущения система через 30-40 мин возвращается в исходное состояние. Если же перекодирование, т. е. переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то в новом состоянии отражается кодирующее действие вызвавшего эту перестройку вещества [Зенин, 1994]. Такая модель позволяет Зенину объясненить "память воды" и ее информационные свойства [Зенин, 1997].

Кроме того, структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей. С. Зенин считает, что мозг, сам состоящий на 90% из воды, может, тем не менее, изменять её структуру.

 

Рис. Отдельный кластер воды (компъютерное моделирование)

Кластерная модель воды объясняет её многие аномальные свойства.

Первое аномальное свойство воды – аномалия точек кипения и замерзания: Если бы вода - гидрид кислорода – Н2О была бы нормальным мономолекулярным соединением, таким, например, как ее аналоги по шестой группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева гидрид серы Н2S, гидрид селена Н2Se, гидрид теллура Н2Те, то в жидком состоянии вода существовала бы в диапазоне от минус 900С до минус 700С.

 

Рис. Аномалии точек кипения и замерзания воды по сравнению с другими соединениями водорода.

При таких свойствах во ды жизни на Земле не существовало бы. Но к счастью для нас, и для всего живого на свете, вода аномальна. Она не признает периодических закономер ностей, характерных для бесчисленного множества соединений на Земле и в космосе, а следует своим, еще не вполне понятным для науки законам, подарившим нам удивительный мир жизни.

"Ненормальные" температуры плавления и кипения воды далеко не единственная аномальность воды. Для всей биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. Это вторая аномалия воды, которая именуется аномалией плотности. На это особое свойство воды впервые обратил внимание еще Г. Галилей. При переходе любой жидкости (кроме галлия и висмута) в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Любой жидкости, но не воды. Вода и здесь представляет собой исключение. При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, она уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +4°С (точнее до +3,98°С).

Рис. Зависимосгь удельного объема льда и воды от тем пературы.Рис. Температурная зависимость удельной теплоемкости воды.

Именно при температуре +3,98°С вода имеет наибольшую плотность и наименьший объем. Дальнейшее охлажде ние воды постепенно приводит уже не к уменьшению, а к увеличению объема. Плавность этого процесса вдруг прерывается и при 0°С происходит резкий скачок увеличения объема почти на 10%! В это мгновение вода превращается в лед.

Уникальная особенность поведения воды при охлаждении и обра зовании льда играет исключительно важную роль в природе и жизни. Именно эта особенность воды предохраняет от сплошного промерзания в зимний период все водоемы земли - реки, озера, моря и тем самым спасает жизнь.

В отличие от пресной воды морская вода при охлаждении ведет себя иначе. Замерзает она не при 0°С, а при минус 1,8-2,1°С - в зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Имеет макси мальную плотность не при + 4°С, а при -3,5°С. Таким образом она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание в пресных водоемах прекращается при охлажде нии всей массы воды до +4°С, то в морской воде вертикальная цирку ляция происходит даже при температуре ниже 0°С. Процесс обмена между верхними и нижними слоями идет непрерывно, создавая благо приятные условия для развития животных и растительных организмов.

Особенно благоприятной средой для обитателей морей и океанов являются талые воды, образующиеся при таянии ледников и айсбергов. В безбрежных просторах океанов плавающие горы-айсберги в основном скрыты под водой, однако могут представлять серьезную опасность для судоходства. Трагедией века была названа гибель "Титаника", которая прои зошла в результате столкновения суперлайнера с огромным айсбергом 14 апреля 1912 года.

Все термодинамические свойства воды заметно или резко отличаются от других веществ.

Наиболее важная из них – аномалия удельной теплоемкости. Аномально высокая теплоемкость воды делает моря и океаны ги гантским регулятором температуры нашей планеты, в результате чего не происходит резкого перепада температур зимой и летом, днем и ночью. Континенты, расположенные вблизи морей и океанов, обладают мягким климатом, где перепады температуры в различные времена года бывают незначительными.

Мощные атмосферные потоки, содержащие огромное количество теплоты, поглощенное в процессе парообразования, гигантские океа нические течения играют исключительную роль в создании погоды на нашей планете.

Аномалия теплоёмкости заключается в следующем: При нагревании любого вещества теплоемкость неизменно повыша ется. Да, любого вещества, но не воды. Вода - исключение, она и здесь не упускает возможности быть оригинальной: с повышением тем пературы изменение теплоемкости воды аномально; от 0 до 37°С она понижается и только от 37 до 100°С теплоемкость все время растет.

В пределах температур, близких к 37°С, теплоемкость воды минимальна. Именно эти температуры - область температур человечес кого тела, область нашей жизни. Физика во ды в области температур 35-41°С (пределы возможных, нормально проте кающих физиологических процессов в организме человека) констатиру ет вероятность достижения уникального состояния воды, когда массы квазикристаллической www.aquaberd.nm.ru/data/books/voda-i-zdorovye.htm-ftn2 и объемной воды равны друг другу и способ ность одной структуры переходить в другую - вариабельность - максимальная. Это замечательное свойство воды предопределяет равную вероят ность течения обратимых и необратимых биохимических реакций в орга низме человека и обеспечивает "легкое управление" ими.

Другим общеизвестна исключительная способность воды растворять лю бые вещества. И здесь вода демонстрирует необычные для жидкости аномалии, и в первую очередь аномалии диэлектрической постоянной воды. Это связано с тем, что ее диэлектрическая постоянная (или диэ лектрическая проницаемость) очень велика и составляет 81, в то время как для других жидкостей она не превышает 10. В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия двух заряженных частиц в во де будет в 81 раз меньше, чем, например, в воздухе, где эта характеристика равна единице. В этом случае прочность внутримолекулярных связей уменьшается в 81 раз и под действием теплового движения молекулы диссоциируют с образованием ионов. Необходимо отметить, что из-за исключительной способности растворять другие вещества вода никогда не бывает идеально чистой.

Следует упомянуть еще об одном удивительной аномалии воды - исключительно высоком поверхностном натяжении. Из всех известных жидкостей только ртуть имеет более высокое поверхностное натяжение. Это свойство проявляется в том, что вода всегда стремится сократить свою поверхность.

Нескомпенсированные межмолекулярные силы наружного (поверхно стного) слоя воды, вызванные квантовомеханическими причинами, соз дают внешнюю упругую пленку. Благодаря пленке многие предметы, бу дучи тяжелее воды, не погружаются в воду. Если, например, сталь ную иголку осторожно положить на поверхность воды, то иголка не тонет. А ведь удельный вес стали почти в восемь раз больше удельно го веса воды. Всем известна форма капли воды. Высокое поверхност ное натяжение позволяет воде иметь шарообразную форму при свобод ном падении.

Поверхностное натяжение и смачивание являются основой особого свойств воды и водных растворов, названного капиллярностью. Капил лярность имеет огромное значение для жизни растительного, животного мира, формирования структур природных минералов и плодородия зем ли. В каналах, которые во много раз уже человеческого волоса, вода приобретает удивительные свойства. Она становится более вязкой, уплотняется в 1,5 раза, а замерзает при минус 80-70°С.

Причиной сверханомальности капиллярной воды являются межмолекулярные взаимодействия, тайны которых еще далеко не раскрыты.

Ученым и специалистам известна так называемая поровая вода. В виде тончайшей пленки она устилает поверхность пор и микрополос тей пород и минералов земной коры и других объектов живой и нежи вой природы.

Связанная межмолекулярными силами с поверхностью других тел, эта вода, как и капиллярная вода, обладает особой структурой.

Таким образом, аномальные и специфические свойства воды играют ключевую роль в ее многообразном взаимодействии с живой и неживой природой. Все эти необычные особен ности свойств воды настолько "удачны" для всего живого, что делает воду незаменимой основой существования жизни на Земле.

К. х. н. О. В. Мосин 

Литературные источники

1. Белая М.Л., Левадный В.Г. Молекулярная структура воды. М.: Знание 1987. – 46 с.

2. Бернал Дж. Д. Геометрия построек из молекул воды. Успехи химии, 1956, т. 25, с. 643-660.

3. Бульенков Н.А. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на разных уровнях их иерархии. Биофизика, 1991, т.36, в.2, с.181-243.

4. Зацепина Т.Н. Свойства и структура воды. М.: изд-во МГУ, 1974, - 280 с.

5. Наберухин Ю.И. Структурные модели жидкости. М.: Наука. 1981 – 185 с.

www.o8ode.ru

Аномальные свойства воды и состав природных вод — МегаЛекции

Вода обладает рядом аномальных свойств, определяющих боль­шинство физико-химических и биологических процессов на Земле. Это единственное соединение, которое в природных условиях сущест­вует в виде жидкости, твердого вещества (лед, снег) и газа (пары во­ды). Причиной аномальных свойств, отличающих воду от других жид­костей, является полярность молекул и ассоциативный характер ее строения: характерные для воды водородные связи[19] обуслов­ливают упорядоченное строение ассоциатов воды, как в составе льда, снега, так и в составе жидкости. Во льду каждая молекула воды свя­зана со всеми своими четырьмя соседями, образуя максимально воз­можное число водородных связей. В жидкой воде имеются ассоциаты, содержа­щие до девяти молекул (Н2О)9.

Температура кипения и замерзания воды аномальна по срав­нению с аналогичными показателями других гидридов элементов VI группы Периодической системы (табл. 23). Благодаря этому вода остается твердой или жидкой при значительно более высоких темпе­ратурах, не переходя в газообразное состояние и обеспечивая тем са­мым жизнь на Земле.

Таблица 23

Температура плавления и кипения гидридов элементов VI группы Периодической системы Д.И. Менделеева (Мешалкин, 2007)

Гидрид	Температура плавления, 0С	Температура кипения, 0С
h3Te	-51	-2
h3Se	-65,7	-41,4
h3S	-85,6	-60,35
h3O

Теплоемкость воды. Удельная теплоемкость воды выше, чем у всех твердых и жидких веществ, за исключением жидкого аммиака и водорода и при 0 0С составляет 75,3 Дж/(моль*К), или 4,185 кДж/(кг*К). Благодаря огромной теплоемкости воды океаны сглаживают колебания температуры: перепад температур от экватора до полюса в Мировом океане составляет всего 30 °С. Теплоемкость воды, при которой требуются минимальные энергетические затраты для ее изменения, приходится на температуру 37 °С. Наверное, поэтому температура тела теплокровных существ близка к этому значению. Близость океана обусловливает мягкий морской климат, для ко­торого характерна небольшая разность температурных колебаний. В связи с удаленностью океана континентальный климат характери­зуется резкой сменой температур по временам года. Вследствие той же причины - большой теплоемкости воды - разница температур дня и ночи, очень резкая для стран с континентальным климатом, почти не­заметна на островах океана.

При замерзании воды происходит резкое увеличение ее объема, плавления воды. Образующийся при этом лед - твердая кристаллическая фаза воды - имеет плотность 0,92 кг/дм3, то есть он легче воды и поэтому будет плавать на ее поверхности. Лед и покрывающий его снег являются защитой водоема от промерзания, так как обладают малой теплопроводностью.

Аномальный вид температурной зависимости плотности воды.Плавление льда сопровождается не полным, а лишь частичным разрушением его кристаллической структуры; образовавшиеся мономерные молекулы заполняют пустоты в тетраэдрических структурах воды, приводя к увеличению плотности. Максимум плотности воды наблюдается при температуре около 4°С, при которой килограмм воды занимает минимальный объем (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость плотности воды от температуры

Так, при 0 °С дистиллированная вода имеет плотность 0,999 841 кг/дм3, при 25 °С - 0,9 977 047 кг/дм3, а при 4 °С плотность воды составляет 0,999 973 кг/дм3. Благодаря этому с наступлением морозов поверхностный слой воды, охлажденный до 4 °С, как более тяжелый, опускается на дно водоемов, вытесняя более теплые и легкие слои на поверхность. В дальнейшем, когда весь водоем охладится до 4 °С, будет охлаждаться только поверхностный слой, который, как более легкий, будет оставаться на поверхности водоема. Уменьшение плотности воды с ростом температуры обусловлено увеличением расстояния между ее молекулами.

Удельная энтальпия плавления. Значение удельной энтальпии плавления воды (ΔНпл = 6,012 кДж/моль, или 332,4 кДж/кг при 273 К) является наиболее высоким среди твердых тел, за исключением ам­миака и водорода. Вода, снег и лед для перехода в другое агрегатное состояние требуют значительного расхода энергии, поэтому эти пере­ходы обычно растягиваются во времени. При замерзании одного ку­бометра воды выделяется столько же тепла, сколько образуется при сжигании около 10 кг угля. Благодаря высокой теплоте плавления во­ды на Земле сглаживаются сезонные переходы. Весну и осень в сред­них и высоких широтах можно рассматривать как сезон фазовых пере­ходов воды.

Удельная энтальпия испарения. Высокое значение удельной энтальпии испарения воды (ΔНкип= 40,683 кДж/моль, или 2256 кДж/кг при 373 К) приводит к тому, что большая часть солнечной энергии, достигающей Земли, расходуется на испарение воды, препятствуя пе­регреву ее поверхности. Даже в самое жаркое время вода испаряется очень медленно, что способствует ее сохранению и, следовательно, сохранению жизни на Земле. При конденсации паров воды в атмосфе­ре происходит выделение этой энергии, которая может переходить в кинетическую энергию компонентов атмосферы, вызывая ураганные ветры.

Поверхностное натяжение воды является аномально высоким (σ = 71,9-10-3 Дж/м2 при 298 К), поэтому приводит к появлению ряби и волн уже при слабом ветре. В результате этого резко возрастает пло­щадь водной поверхности и интенсифицируются процессы тепло- и газообмена между атмосферой и гидросферой. С высоким поверхно­стным натяжением связаны и капиллярные силы, благодаря которым вода по капиллярам способна подниматься на высоту до 10-12 м от уровня грунтовых вод. Из всех жидких веществ поверхностное натяжение больше, чем у воды, только у ртути.

Аномально высока скорость распространения звука в воде. Она превышает его скорость распространения в воздухе почти в 6 раз.

Диэлектрическая проницаемость воды имеет также аномально высокое значение (78,3 при 298 К). Это определяет самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой. Поэтому в природе нет химически чистой воды, а есть водные растворы. Как уже говорилось выше, каждая полярная молекула воды свя- зана прочной водородной связью с четырьмя другими молекулами и образует ажурную тетраэдрическую структуру. По-видимому, растворенного вещества, имеющие малый размер, размещаются в пустотах такой сетки и слабо влияют на структуру воды (гидрофобное внедрение). Ионы большого размера могут замещать водные молекулы в структурных узлах (гидрофильное внедрение). В результате взаимодействия ионов растворенного вещества с молекулами воды изменяются ее термодинамические свойства, нарушается ее упорядоченная структура в ближайшем окружении (увеличение энтропии) или, наоборот, происходит стабилизация структуры.

Действие ионов зависит не только от размеров, но и от их заряда и строения электронной конфигурации. Сильно гидратированные, особенно многозарядные ионы (РО43-, SO42-, F-, А13+, Мg2+, Li+ упорядочивают структуру воды и повышают ее вязкость; слабогидратированные, чаще всего однозарядные, ионы (К+, Сs+,I-, Сl-, NO3-, ClO4-) разупорядочивают структуру и понижают вязкость воды. Молекулы неэлектролитов также могут влиять на структуру воды.

Главнейшими природными соединениями, определяющими состав природных вод, являются галит - NаС1[20], гипс — СаSO4*2Н2O, кальцит – СаСО3 и доломит – СаСО3*МgСО3. При контакте воды с этими соединениями образуются соответствующие растворы с концентрацией NаС1 до 400 г/л, а СаSO4 - до 2-3 г/л[21].

Среди катионов, присутствующих в воде Мирового океана, преобладающими являются (в порядке убывания концентрации) Nа+ > Mg2+> Са2+ > К+. Среди анионов в воде Мирового океана преобладают Сl- > SO42- > НСО3- > Вr-.

В воде открытого океана, независимо от абсолютной концентрации, количественные соотношения между главными компонентами основного солевого состава всегда постоянны (закон Дитмара). Используя закон Дитмара, можно, определив экспериментально концентрацию одного компонента, рассчитать содержание остальных ионов. Ориентировочная суммарная концентрация солей в морской воде составляет около 35 г/л.

В речной воде среди катионов наиболее распространены Са2+>Nа+ > Мg2+> К+, а среди анионов – НСО3- > SO42- > Сl- . В отличие от воды Мирового океана в речной воде, в зависимости от территориальных особенностей местности, наблюдаются значительные колебания как по солевому составу, так и по концентрации солей[22].

Изотопный состав природных вод. Вследствие наличия изотопов водорода 11Н , 21Н (D—дейтерий) и 31Н (Т—тритий) и изотопов кислорода 148О, 158О, 168О, 178О, 188О имеется большое количество разновидностей изо­топной воды, из которых 9 состоит из стабильных изотопов и содер­жится в природной воде в следующих концентрациях, % мол.: Н216О -99,73; Н217О-0,04; Н218О-0,2; НD16O-0,03; НD17O-1,2* 10-15; НD18O-5,7* 10-5; D216O- 2,3*10-6; D217O- 0,9*10-9; D218O- 4,4*10-9.

В тяжелой воде, содержащей изотоп дейтерий, замедляются не­которые химические реакции и биологические процессы. Она отрица­тельным образом влияет на организм человека. D2O, имеющая моле­кулярную массу 20,03, кипит при температуре 101,42 °С, замерзает при температуре 3,81 °С, имеет максимальную плотность при 11,6 °С. В связи с более высокой температурой замерзания тяжелая вода быст­рее конденсируется на меньших высотах, а снег, образующийся на от­носительно больших высотах, содержит меньше тяжелой воды, чем дождевые капли. При электролизе в первую очередь разлагаются мо­лекулы «легкой» воды, а в остатке постепенно накапливается D2O.Тяжелая вода используется как замедлитель нейтронов.

Третий изотоп водорода - тритий, в отличие от изотопов Н и D, радиоактивен и обнаружен в природе лишь в небольших ко­личествах. В пресноводных озерах соотношение Н:Т = равно 1018:1, а в поверхностных водах - 1019:1. По физическим свойствам вода, со­держащая тритий, еще больше, чем дейтериевая, отличается от обыч­ной воды.

 

Водопроводная вода

Россия богата водными ресурсами: в ней сосредоточено более 20 % мировых запасов пресных поверхностных и подземных вод. Источни­ками водоснабжения в большинстве регионов РФ являются поверхно­стные воды рек и озер, на долю которых приходится 65—68 % от обще­го объема водозабора. Подземные воды на территории РФ использу­ются достаточно неравномерно. Вода из артезианских скважин состав­ляет более 70 % общего водозабора в Брянской, Владимирской, Смо­ленской, Тульской, Орловской и некоторых других областях. Менее 20 % составляет водозабор подземных вод в Новгородской, Архан­гельской, Мурманской, Костромской, Ярославской и некоторых дру­гих областях с неблагоприятными для этого гидрогеологическими условиями.

Несмотря на богатые водные ресурсы, более половины населе­ния страны пользуется недоброкачественной питьевой водой, содер­жащей значительные количества 3В. Особенно тяжелое положение с загрязнением поверхностных источников сложилось в Астраханской, Кемеровской, Калининградской, Томской, Тюменской, Ярославской, Курганской областях и Приморском крае.

Получение питьевой воды. Технология очистки воды с забором из поверхностных источни­ков чаще всего включает последовательное проведение следующих стадий: а) предварительное хлорирование; б) реагентная обработка солевым коагулянтом и отстаивание; в) осветление (фильтрование) на песчаных фильтрах; г) хлорирование. С середины 1980-х годов па не­которых зарубежных водопроводных станциях Англии, Австралии и других стран стали включать обязательное фильтрование воды через загрузку с активированным углем, обеспечивающим удаление из воды органических примесей.

При заборе воды из подземных источников, имеющей, как пра­вило, незначительную мутность и повышенное солесодержание, не используют солевые коагулянты, а применяют специальные техноло­гические приемы (обезжелезивание, удаление сероводорода, деманганация и др.). Иногда подземные воды соответствуют нормативным требованиям, тогда процесс водоподготовки значительно упрощается.

Природные воды — сложные многокомпонентные системы, со­держащие частицы различной дисперсности (взвесь, коллоиды, моле­кулы, ионы). В зависимости от природы содержащихся в воде приме­сей различают мутные и цветные воды. В мутных водах преобладают неорганические примеси (кремниевая кислота, алюмосиликаты), нахо­дящиеся во взвешенном (дисперсном) состоянии. Цветность природ­ных вод обусловлена присутствием солей железа гуминовых и фульвокислот, находящихся в коллоидном или истинно растворенном со­стоянии.

Осветление воды производится с использованием коагулянтов[23].

Обработкой во­ды коагулянтами можно также устранить до 80-90 % веществ, обу­словливающих цветность воды, видимо, за счет их сорбции на поверх­ности продуктов гидролиза коагулянтов.

В качестве коагулянтов в водоподготовке применяют соли по­ливалентных металлов - сернокислый алюминий А12(SO4)3*18Н2O, сульфат закисного железа FеSO4*7Н2O, хлорное железо FеСl3*7Н2О и некоторые другие. Попадая в воду, солевые коагулянты гидролизуются с образованием труднорастворимых оснований или основных солей, например:

FеСl3 + 3Н2О Fе(ОН)3+ 3НС1

Fе3+ + 3Н2О Fе(ОН)3 + 3Н+

Процесс гидролизасолевого коагулянта сопровождается вы­делением кислоты, которая для смещения равновесия должна быть связана. В природной воде связывание ионов водорода происходит согласнореакции:

Н+ + НСО3- CO2 + Н2О

Наличие бикарбонат-ионов в воде является необходимым усло­вием для обеспечения глубокого протекания процесса гидролиза. При малой щелочности исходную воду подщелачивают известью, едким натром или содой.

Агрегативная устойчивость коллоидных систем объясняется су­ществованием двойного электрического слоя ионов и скачка потен­циала на границе раздела фаз. Возникновение заряда у коллоидных частиц обусловливается избирательной адсорбцией ионов определен­ного знака из дисперсионной среды или же диссоциацией поверхност­ных молекул, образующих частицу. Обычно ядро коллоидной частицы адсорбирует ионы, в составе которых находятся элементы или атом­ные группировки, имеющиеся в веществе ядра частицы (правило Пес­кова-Фаянса).

Коллоиднаячастица (мицелла)в целом электронейтральна, таккак к ней притягиваются ионы противоположного знака. Таким обра­зом, вокруг частицы возникает двойной электрический сдой, внутрен­няя обкладка которого расположена на поверхности частицы, а внеш­няя граничит с жидкостью, окружающей частицу. Этот внешний слой называется диффузным, причем его заряд будет равен и противополо­жен по знаку заряду частицы. Концентрация противоионов макси­мальна у поверхности (плотный ионный слой) и убывает с увеличени­ем расстояния от поверхности частицы. Структуру мицеллы Fе(ОН)3, образовавшуюся при гидролизе FеС13 (слабокислая или нейтральная среда), можно представить формулой

Гидроксиды железа или алюминия, образовавшиеся в результате протекания гидролиза и находящиеся вначале в коллоидном состоя­нии, имеют положительно заряженные частицы (гранулы). Основная масса коллоидных частиц природной воды имеет отрицательный за­ряд. За счет взаимной нейтрализации частиц нарушается их агрегатив­ная и кинетическая устойчивость, происходит слипание и седимента­ция (взаимная коагуляция коллоидов).

Процесс коагуляции имеет две стадии - скрытую и явную.Наскрытой стадии происходит формирование коллоидного раствора Fе(ОН)3 и образование микрохлопьев. Именно на этой стадии коагу­ляции вода в основном и очищается от первичных коллоидных приме­сей; на следующей, второй, стадии процесса, образуются крупные хло­пья (флокулы) размером 1-3 мм, которые, обладая высокой сорбционной способностью, дополнительно извлекают примеси из воды.

Большое влияние на процесс коагуляции оказывает температура и режим перемешивания. При повышении температуры увеличивается скорость и глубина гидролиза, скорость формирования и отделения твердой фазы, что в конечном результате ускоряет и углубляет коагу­ляцию примесей. Для интенсификации процесса коагуляции в обрабатываемую воду вводят специальные вещества - флокулянты. Сущность процесса флокуляции состоит в том, что агрегация коллоидных частиц в этом случае происходит не только непосредственно, но и через молекулы флокулянта. В качестве флокулянтов используют неорганические (ак­тивная кремнекислота) или органические высокомолекулярные соеди­нения, среди которых наиболее широкое применение получил полиакриламид.

За счет отстаивания (седиментации) не удается получить воду с концентрацией твердой фазы менее 10 мг/л, поэтому воду дополни­тельно подвергают фильтрованию через насыпные фильтры. В качест­ве фильтрующих материалов чаще всего используют кварцевый песок. После насыщения фильтра взвесью его регенерируют (промывают) обратным током воды.

Обеззараживание воды. Опасность заболеваний человека от микробиологического за­грязнения воды многократно выше, чем при ее загрязнении химиче­скими веществами различной природы. Большинство микроорганиз­мов безвредно для человека, а некоторые из них даже полезны. Однако в воде существуют микробы и вирусы, являющиеся причиной тяжелых инфекционных заболеваний (брюшной тиф, дизентерия, холера, ви­русный гепатит, полиомиелит, менингит, сибирская язва и др.), а так­же яйца гельминтов. Чаще всего ими бывают богаты канализационные сточные воды, а кишечная палочка, живущая в кишечнике человека, является индикатором загрязнения воды канализационными стоками, так как она наименее чувствительна к обеззараживающим агентам по сравне­нию с возбудителями инфекционных заболеваний.

На завершающем этапе очистки питьевой воды, в целях обес­печения эпидемической безопасности, ее подвергают обеззараживанию. Наиболее стойкими к обеззараживающим факторам, по сравне­нию с бактериями и вирусами, являются не так давно открытые гигие­нистами простейшие Гьярдия и Криптоспоридия, а также инфици­рующие цисты. Следует отметить малую эффективность применяемых методов обеззараживания против энтеровирусов.

Обеззараживание воды осуществляют с помощью химических реагентов, чаще всего окислителей (галогены и их соединения, озон, пероксид водорода, перманганат калия, ионы серебра, меди и др.), с помощью физических факторов, а также с помощью получивших ши­рокое развитие в последнее время мембранных методов очистки воды.

Несмотря на разнообразие обеззараживающих средств, во всем мире в 99 случаях из 100 для дезинфекции воды используют хлор или хлорсодержащие продукты. Никакой другой метод не оказывает тако­го длительного бактерицидного действия (см. лаб. работу «Определение остаточного хлора»).

Кроме хлора и его соединений для обеззараживания могут быть использованы другие галогены - бром, йод и их соединения. Бром обеспечивает высокую степень дезинфекции, не дает неприятных за­пахов, эффективен против водорослей, не раздражает глаза, не образу­ет тригалометанов, удачно подходит для обеззараживания воды бас­сейнов. ПДК для образующегося в процессе дезинфекции бромид-иона 0,2 мг/л, его токсическая доза для человека - около 3 г, леталь­ная — более 35 г. В относительно высоких концентрациях бромид-ионы угнетают деятельность щитовидной железы.

Йод аналогичен по дезинфицирующему действию брому. В воде он гидролизуется гораздо меньше, чем хлор: I2 + Н2О = HIО + HI. Не­обходимая для обеззараживания доза йода при рН<7 составляет 0,3-1 мг/л, а неприятный запах йода в воде обнаруживается при его концентрации лишь более 1,5 мг/л. Наличие в воде органических ве­ществ, аммиака или аммонийных солей мало снижает бактерицидные свойства йода, так как последний не образует йодаминов и очень мед­ленно реагирует с органическими веществами природных вод. Йод является жизненно важным элементом и обладает высокой биологиче­ской активностью. ПДКрх для йодид-иона составляет 0,4 мг/л; порог токсичности йода равен 5 мг/сутки. Дезинфекция йодом, однако, об­ходится в 15-20 раз дороже, чем дезинфекция хлором.

Мнение об озонировании, как о более безвредном способе обез­зараживания воды, которым механически можно заменить хлорирова­ние, поверхностно и ошибочно. Продукты реакций озона с органиче­скими веществами представляют собой альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и-другие небезобидные соединения, обусловливающие вторичное загрязнение воды. Фенолы под действием озона расщепля­ются с образованием альдегидов, глиоксаля, щавелевой и дикарбоновых кислот. Выделяющиеся при озонировании органические соедине­ния являются питательной средой для микроорганизмов, которые, по­падая в системы распределения воды, при этом бурно размножаются. Озонирование также требует дополнительной очистки от образую­щихся побочных продуктов и не обеспечивает защиту от повторного загрязнения.

Из препаратов индивидуального обеззараживания воды наиболее распространены органические хлорамины и йодорганические соединения. К хлораминам относится пантппид, одна таблетка которого содержит 3 мг активного хлора и при растворении обеззараживает около 750 мл прозрачной воды в течение- 30 минут. Значительно эф­фективнее пантоцида йодорганические соединения в смеси с виннокаменной кислотой. Для обеззараживания небольших количеств воды могут быть использованы также пероксид водорода Н2О2 или перманганат калия КМnO4. Дезинфицирующее действие перманганата калия значительно слабее, чем хлора из-за его активного взаимодействия с органическими и неорганическими веществами.

Обеззараживание под действием физических факторов (кипяче­ние, облучение ультрафиолетом, обработка ультразвуком) исключает введение химических веществ в очищаемую воду и характеризуется во всех случаях отсутствием пролонгированного обеззараживающего эффекта. Достаточно широко используемое УФ-облучение эффектив­но только при обеззараживании прозрачной воды, не содержащей взвесей.

Кипячение воды связано с большими энергозатратами, обуслов­ленными фазовым переходом жидкость - пар. Кипячение жесткой во­ды с последующим ее охлаждением и отстаиванием, помимо обезза­раживающего эффекта, приводит к образованию осадка карбонатов кальция и магния в соответствии с уравнениями реакций:

Са(НСО3)2=СаСО3↓ +СО2↑ + Н2О

Mg(НСО3)2=MgСО3↓ +СО2↑+ Н2О

Образующиеся осадки имеют высокоразвитую поверхность; они адсорбируют и увлекают с собой ионы тяжелых металлов (Fе, Ni, Рb и др.) и многие другие микропримеси, обеспечивая эффективную очист­ку воды и ее умягчение (на 25-35 % и более) без применения, каких-либо дорогостоящих материалов и приспособлений. Явным показате­лем очистки воды от ионов железа является рыжеватый цвет отстояв­шегося осадка или отложившейся накипи.

При относительно небольших расходах воды в последнее время для ее очистки широко используют фильтрование через мембраны с различными размерами пор.

Микрофильтрацня обеспечивает удаление из воды только взве­шенных веществ, ультрафильтрация - коллоидных частиц и макромо­лекул (белки, полисахариды и др.), обратный осмос - удаление до 99 % солей и молекул органических веществ. Учитывая относительно большие размеры бактерий (300-10 000 нм), а также то, что вирусы (30-300 нм) чаще всего находятся в адсорбированном состоянии на поверхности бактерий или взвешенных частиц, мембранные техноло­гии обеспечивают стерилизацию воды одновременно с ее очисткой. Обеззараживающий эффект возрастает с уменьшением пор в исполь­зуемых мембранах в ряду микро-, ультра- и гиперфильтрации.

Для осуществления фильтрационных процессов широко исполь­зуются полимерные, а также более долговечные керамические мем­браны. Необходимое для фильтрования давление колеблется в преде­лах от 10—60 (обратный осмос) до 2 и менее атмосфер (микрофильтра­ция). При использовании мембранных технологий исключаются мно­гие технологические недостатки, как хлорирования, так и других мето­дов обеззараживания.

Обезжелезивание воды (см.лаб. работу «Определение железа»).

Удаление марганца. Марганец в природных водах может находиться в виде различ­ных соединений. В подземных водах он преимущественно находится в виде бикарбоната Мn(НСО3)2, хорошо растворимого в воде. Концен­трация ионов Мn2+ в подземных водах обычно колеблется в пределах от 0,5 до 2-3 мг/л. В поверхностных водах, содержащих гумусовые соединения, марганец может образовывать комплексные органические соединения, в том числе и в коллоидной форме. Содержание марганца в поверхностных водоемах обычно незначительно, однако вследствие загрязнения промстоками может достигать 3-4 мг/л. ПДК марганца для питьевой воды и воды рыбохозяйственных водоемов составляет 0,1 и 0,01 мг/л соответственно.

Двухвалентный марганец медленно окисляется кислородом, раство­ренным в воде, до 3- или 4-валентного состояния. 3- и 4-валентный марга­нец гидролизуется с образованием осадков, соответственно Мn(ОН)5 и Мn(ОН)4 (точнее МnО2*хН2О), растворимость которых в воде при рН>7 не превышает 0,01 мг/л.

Скорость окисления Мn2+ растворенным кислородом в очень сильной степени зависит от значения рН воды. При рН<8 без катали­заторов окисление Мn2+ практически не происходит, а достаточно бы­строе окисление наблюдается лишь при значениях рН>9,5. Процесс окисления 2-валентного марганца резко ускоряется при контакте аэри­рованной воды с дробленным пиролюзитом, марганцевым катионитом или осадком Мn(ОН)2, предварительно окисленным аэрацией.

При фильтровании аэрированной и предварительно подщело­ченной воды, содержащей ионы Мn2+, через насыпной песчаный фильтр, поверхность песчинок которого покрыта отрицательно заря­женным осадком Мn(ОН)4, последний адсорбирует ионы Мn2+. Эти ионы гидролизуются и реагируют с ранее выпавшим осадком, образуя Мn2O3:

Мn(ОН)4+ Мn(ОН)2 Мn2O3+ 3Н2О

Последний легко окисляется растворенным в воде кислородом с образованием Мn(ОН)4, который снова участвует в процессе окисле­ния, являясь катализатором:

2 Мn2O3 + 8 Н2О + О2 4Мn(ОН)4

Одновременная очистка воды от ионов марганца и железа может быть осуществлена ее обработкой перманганатом калия, в резуль­тате которой образуются осадки, соответственно МnО2*хН2О и Fе(ОН)3:

3Мn2+ + 2МnO4- + 2Н2О 5МnO2 ↓ + 4H+

3Fе2+ + МnO4- + 7 Н2О 3 Fе(ОН)3 ↓ + МnO2 ↓ + 5H+

Марганец относится к важнейшим биогенным микроэлементам, входя в состав множества ферментов и участвуя в выполнении разнооб­разных функций в организме (синтез и обмен нейромедиаторов, обеспе­чение стабильности клеточных мембран, функционирование мышечной ткани, обмен гормонов щитовидной железы и др.). Среднесуточная по­требность человека в марганце составляет 2—5 мг. Оптимальная интен­сивность поступления марганца в организм - 3-5 мг/день; уровень, при­водящий к дефициту, и порог токсичности оценивается в 1 и 40 мг/день соответственно. Период полувыведсния марганца из организма составля­ет 4-40 суток.

Обесфторивание и фторирование воды. Избыток фтора в питьевой воде (ПДК=1,5 мг/л) при длительном ее употреблении вызывает флюороз зубов. В районах недостаточного поступления йода в ор­ганизм человека избыток фтора в питьевой воде может вызывать забо­левание щитовидной железы в результате вытеснения фтором йода в ее тканях. При многолетнем использовании воды с содержанием фто­ра более 5 мг/л, особенно в условиях жаркого климата, может про­изойти обызвествление сухожилий и связок (флюороз скелета). Опти­мальной концентрацией ионов фтора в питьевой воде считается 1 мг/л.

Содержание фтора в природных водах чаще всего колеблется в пределах 0,3-0,4 мг/л, но может достигать и 12 мг/л.

Удаление ионов фтора за счет образования осадков малораство­римых фторидов является безуспешным в связи с относительно высо­кой растворимостью последних.

Методы обесфторивания воды основаны на использовании селективных по отношению к фтор-ионам анионитов (активированная окись алюминия, гидроксилапатит) или сорбентов (свежевыделенные осадки гидроксидов магния, алюминия или фосфата кальция). Наи­лучшие результаты обесфторивания имеют место при использовании активированной окиси алюминия.

В процессе обесфторивания воды на активированной сернокис­лым алюминием окиси алюминия происходит ионный обмен в строго эквивалентных соотношениях по следующим схемам:

[Аn]2SO4 + 2F- = 2[Аn]F + SO42-

[Аn]2SO4 + 2НСО3- = 2[Аn]НСО3-+ SO42-

Благодаря селективным свойствам активированной окиси алю­миния поглощение фтор-ионов происходит гораздо интенсивнее, чем бикарбонат-ионов, несмотря на то что концентрация последних значи­тельно выше.

Фтор жизненно необходим для нормального роста и развития организма. При недостатке фтора в рационе людей наблюдается рас­пространение кариеса, приводящего к потере зубов. Содержание фто­ра в теле взрослого человека составляет около 2,6 г, причем 99 % его количества приходится на кости и зубную эмаль. Среднесуточное по­ступление фтора с пищей составляет 0,5—1,5 мг. Токсическая доза фтор-ионов для человека составляет 20 мг, летальная - около 2 г. Пе­риод полувыведения фтора из организма составляет 808 суток.

Удаление сероводорода. Сероводород содержится в некоторых подземных водах, придавая им неприятный запах при концентрации Н2S более 0,5 мг/л. В зависимо­сти от величины рН сероводород в водных растворах находится в виде молекулярного Н2S или ионов НS- при значениях рН более 10 в воде по­являются ионы S2-. Предельно допустимые концентрации Н2S и НS- для питьевой воды соответственно равны 0,003 и 3,0 мг/л.

Вода, содержащая Н2S, обладает повышенной коррозионной актив­ностью по отношению к металлическим трубам и бетону. Сероводород образует с кальцием, содержащимся в бетоне, растворимый Са(НS)2, который вымывается водой. При взаимодействии продуктов окисления серово­дорода с кальцием образуется сульфоалюминат кальция, удельный объем которого многократно превышает удельный объем бетона, что также при­водит к его разрушению.

Для очистки воды от сероводорода могут быть использованы че­тыре варианта осуществления технологических процессов:

1) физический метод - аэрация;

2) химические методы, основанные на окислении Н2S, осаждении сульфида железа или использовании окислительно-восстановительных анионитов;

3) физико-химические методы, основанные на подкислении во­ды и последующей аэрации;

4) биохимический метод с использованием бактерий, окисляю­щих сероводород в процессе своей жизнедеятельности.

Применение аэрации для очистки эффективно при значениях рН менее 5, когда сероводород находится в молекулярной форме, так как ионы НS-непосредственно аэрацией не удаляются. В связи с переходом молекул Н2S из жидкой фазы в газообразную при аэрационной очистке воды происходит загрязнение сероводородом атмосферного воздуха.

Наряду с десорбцией при аэрации также происходит окисление части Н2S до серы: 2 Н2S + О2 2S↓ + 2Н2О

Процесс окисления может в небольшой степени идти и дальше до образования тиосульфатов S2O32- ; дальнейшее окисление S2O32- до сульфитов и сульфатов аэрацией при отсутствии серных бактерий обычно не идет. Способность к окислению различных форм сероводо­рода уменьшается с ростом значения рН, и окисление до сульфатов идет только в кислой среде.

Аэрацию воды целесообразно применять при содержании Н2S до 2-3 мг/л и значениях рН < 6,5-7, тогда его концентрация снижается до 0,3-0,5 мг/л. Окончательную очистку воды можно произвести путем окисления Н2S, например, хлором, озоном, пероксидом водорода, перманганатом калия. Окислители обычно используются для очистки во­ды, содержащей небольшие концентрации сероводорода.

При высоких концентрациях Н2S (более 200 мг/л) для очистки может быть использована суспензия Fе(ОН)3, при добавлении которой в воде выпадает осадок FеS:

3Н2S + 2Fе(ОН)3 2FеS ↓ + S↓ + 6Н2О

3НS- + 2Fе(ОН)3 + 3Н+ 2FеS↓ + S↓ + 6Н2О

После осветления воды, например в отстойниках, осадок FеS может быть регенерирован продувкой воздухом и вновь использован:

4FеS + 3О2 + 6Н2O 4Fе(ОН)3 ↓ + 4S ↓ (Мешалкин, 2007)

 

 

megalektsii.ru

Ученые объяснили аномальные свойства воды

Аномальные свойства воды, определяющие, в том числе, и наличие жизни на Земле — её переменная плотность, высокая теплоемкость и большое поверхностное натяжение, объясняются двумя типами структур, в которые самоорганизуются молекулы жидкости, уверены авторы нового исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученым давно были известны 66 необъяснимых свойств воды, отличающих её от большинства других химических веществ, встречающихся в жидком состоянии. Так, в отличие от всех известных жидкостей, плотность которых монотонно увеличивается с понижением температуры, плотность воды максимальна при 4 градусах Цельсия, а при дальнейшем понижении температуры вновь начинает убывать. Это уникальное свойство воды делает возможной жизнь в реках и озерах — в противном случае эти относительно мелкие водоемы неизбежно промерзали бы до дна в зимний период и были бы лишены всех живых организмов, за исключением, может быть, простейших бактерий экстремофилов.

Вода обладает огромной теплоемкостью — благодаря этому теплые океанические течения согревают многие северные регионы планеты, принося тепло из южных широт.

Аномально высокое поверхностное натяжение жидкой воды не только позволяет некоторым насекомым спокойно ходить по её поверхности, но и благодаря капиллярным силам обеспечивает поступление питательных веществ к кронам гигантских деревьев, достигающих нескольких десятков метров в высоту.

Объяснить эти свойства на основании лишь строения и химических параметров молекул воды ученые до последнего времени не могли. Секрет крылся в структуре, в которую самоорганизуются молекулы жидкой воды. Он долгое время оставался неразгаданным, так как изучить эту структуру теми же методами, что применяются для изучения строения твердых тел, практически невозможно.

Команда Андерса Нильсона (Anders Nilsson), ведущего специалиста Стенфордского центра синхротронного излучения (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), сумела преодолеть эти трудности благодаря новейшим методам изучения строения жидкостей с использованием мощного рентгеновского излучения, получаемого с помощью больших ускорителей элементарных частиц, называемых синхротронами. Один из использованных в работе синхротронов находится в Японии, а второй в США.

Ученые выяснили, что существовавшие до сих пор представления о молекулярной структуре воды были неверными — оказалось, что её молекулы формируют не одну структуру, а одновременно два типа структур, сосуществующих в жидкости вне зависимости от температуры. Один тип структуры формируется в виде сгустков примерно по 100 молекул, структура которых напоминает структуру льда. Второй тип структуры, окружающей сгустки, гораздо менее упорядочен.

Увеличение температуры вплоть до точки кипения воды приводит к некоторому искажению структуры сгустков и уменьшению их количества и доминированию разупорядоченной структуры.

«Этот процесс можно представить как танцевальный клуб, где часть людей сидит за столиками, отражая упорядоченную компоненту воды, а часть находясь в толпе, непрерывно перемещается в танце, отражая разупорядоченную. Увеличение температуры воды в этом случае можно сравнить с всеобщим поднятием настроения и ускорением музыки, когда люди начинают вставать из-за столов и присоединяться к танцующим, а часть пустующих столов и вовсе убирается для высвобождения места. Охлаждение — обратный процесс, когда танцпол заполняется столами, и за них присаживаются утомленные танцами гости клуба. При этом при одной и той же «температуре» танцующие и сидящие люди постоянно меняются местами — некоторые присаживаются отдохнуть а некоторые наоборот идут танцевать, тогда как общее соотношение танцующих и сидящих остается прежним» — пояснил результаты работы Нильсон, слова которого приводит пресс-служба Стенфордского центра линейных ускорителей в США.

Это, в частности, объясняет нелинейную зависимость плотности воды от температуры — упорядоченные скопления молекул имеют меньшую плотность, чем неупорядоченные, и она мало меняется с изменением температуры, которую можно сравнить с постоянным размером столов, не зависящим от настроения собравшихся или громкости музыки в ресторане.

No related links found

tainy.net

Аномальные свойства воды - Справочник химика 21

    Особенности жидкой воды как растворителя зависят от строения ее молекул. Структуры льда и воды в значительной степени определяются водородными связями. В жидком состоянии вода ассоциирована в большей степени, чем другие гидриды, например, аммиак, фторово-дород, сероводород. Жидкая вода имеет квазикристаллическую структуру. Каждая молекула воды окружена четырьмя другими молекулами, располагающимися по вершинам тетраэдра. Ядра кислорода находятся в центрах этих тетраэдров. Расстояния между ближайшими молекулами 2,76 А. Образование водородных связей объясняет аномальные свойства воды. [c.38]

    Водородные связи, удерживающие молекулы воды друг около друга, обусловливают аномальные свойства воды (ее агрегатное состояние в обычных условиях, аномально высокие значения теплоты плавления и испарения и др.). [c.131]

    На протяжении шести глав этой книги описывались аномальные свойства воды и льдов. Всюду делалась попытка показать, что удивительные свойства этих веществ можно назвать просто замечательными, если проанализировать структуру молекулы Н2О, особенности водородных связей, которые она образует с подобными себе молекулами, и сопоставить их со свойствами конденсированных фаз Н2О. Протонный беспорядок в конденсированных фазах Н2О, большие амплитуды колебаний атомов водорода поперек линии водородной связи, изгибание водородных связей в структурах Н2О определяют самосогласованную структуру льдов и воды. [c.160]

    Аномальные свойства воды обусловлены особенностями структуры ее молекулы [36]. Впервые эта идея была высказана в работе Бернала и Фаулера [42] более 30 лет назад и послужила основой [c.8]

    Структура жидкой воды. Для объяснения аномальных свойств воды в жидком состоянии учеными созданы различные модели ее структуры. В основе многочисленных моделей жидкая вода рассматривается как кристаллическое вещество (жидкие кристаллы). Упорядоченное (кристаллическое) расположение частиц воды в жидком состоянии доказано экспериментально. Полагают, что прн плавлении льда его решетка частично разрушается и эти пустоты и ажурная структура льда заполняются освободившимися молекулами воды. Плотность жидкой воды вследствие этого увеличивается. Учеными подсчитано, что в жидкой фазе при 0°С несвязанные, заполняющие пустоты молекулы составляют около 16% от их общего количества. [c.9]

    Связь 0---Н наиболее часто встречается в природе. Именно ее существованием обусловлены аномальные свойства воды, в том числе высокие температуры кипения и плавления (см. ниже), необычно высокие теплоемкость, диэлектрическая проницаемость и др. увеличение плотности при плавлении (разрушается ажурная благодаря водородным связям структура льда, которую схематически можно представить так  [c.142]

    Чем объясняются аномальные свойства воды  [c.198]

    Приведенные модели предполагают существование в воде по крайней мере двух различающихся структур ближнего окружения, отличающихся упаковкой, природой теплового движения и взаимодействия молекул в них. При соответствующем подборе параметров они позволяют получить хорошее согласование с наблюдаемыми аномальными свойствами воды. Несмотря на [c.37]

    Дальнейшие подробные исследования рассеяния рентгеновских лучей жидкой водой подтвердили четверную координацию, принятую Берналом и Фаулером, однако, не подтвердили переход структуры льда тридимита в структуру льда — кварца при плавлении. Исследования показали, что второй максимум соответствует расстоянию 4,5 А, как у тридимита, а не 4,2 А, как у кварца. Увеличение плотности воды при плавлении льда следует объяснить тем, что при плавлении воды молекулы попадают в пустоты, благодаря чему в единице объема оказывается большее число молекул. Ажурность структуры льда и воды объясняются в значительной степени образованием водородных связей между ее молекулами. При переходе от льда к воде водородные связи сохраняются. Даже при температуре 80° разрушается только 20% водородных связей. Образование водородных связей в значительной степени объясняет аномальные свойства воды ее высокую диэлектрическую проницаемость, высокую теплоемкость, большую теплоту испарения и т. д. [c.288]

    Аномальные свойства воды. Опыт 23. Кусок льда кладут на кольцо штатива, как показано на рис. 48. Надевают на кусок льда петлю из тонкой нихромовой проволоки с подвешенной гирей. Наблюдают, как проволока постепенно врезается в лед и в конце концов проходит через весь кусок. Лед за проволокой снова срастается, и кусок [c.196]

    Отмечается монотонность изменения температурного коэффициента [22]. Но многими замечено нарушение этой монотонности в области температур 30—45 °С [17, 23]. Это соответствует так называемой точке Кюри при 35 °С, обусловленной скачкообразным изменением структуры воды [24]. В работе [25] указывается, что аномальность свойств воды в пределах 30—50°С связана с поляризационным магнетизмом, зависящим от характера распределения электронной плотности и очень чувствительным к изменению взаимодействия частиц в системе. Результаты опытов Р. Чини показывают, что присутствующие в воде растворенные газы влияют на точку Кюри, тем самым подтверждается влияние этих газов на структуру воды [17]. Особенно заметно влияние других примесей на структуру воды и ее магнитную восприимчивость. Магнитная восприимчивость воды очень сильно зависит от вида и концентрации примесей. Многие из них обладают парамагнетизмом, который накладывается на диамагнетизм воды и иногда перекрывает его. Поэтому величина и характер магнитной восприимчивости раство- [c.19]

    Как следует из приведенных данных, вопрос о структуре жидкой воды еще далек от своего разрешения. Вместе с тем развитие этих представлений помогает понять многие аномальные свойства воды, ее поведение в экстремальных условиях, а также особенности взаимодействия воды как растворителя с другими веществами. [c.16]

    Зацепина предлагает совершенно другую гипотезу [79], основанную на анализе динамики решетки, согласно которой межмолекулярные взаимодействия в твердом и жидком состоянии настолько сильно деформируют молекулы НгО, что движение атомов приобретает как бы независимый характер. Таким образом, лед следовало бы рассматривать как атомарный, а не молекулярный кристалл. Эта теория, предполагающая наличие динамически деформированных молекул НгО, хорошо и просто может объяснить так называемые аномальные свойства воды. Таким образом, ставится под сомнение справедливость тех моделей, в которых предполагается, что даже в конденсированном состоянии межмолекулярные взаимодействия слабее, чем внутримолекулярные. Автор этой [c.66]

    Известны эксперименты [23], в которых, как считают их авторы, в результате осаждения водяных паров на кварцевую подложку в вакууме образовывалась модификация жидкости, имеющая гораздо большую вязкость, чем обычная вода (так называемая модифицированная вода). Это предположение было опровергнуто [24а, 246]. Было установлено, что аномальные свойства воды объясняются присутствием в вО Де кварца, который в особых условиях этого экоперимента имеет необычно высокую растворимость.  [c.122]

    Вероятность некоторых предпочтительных состояний, природу которых в настоящее время трудно определить из данных спектроскопического анализа, во многом зависит от степени согласованности сил, участвующих в образовании водородных связей в жидкости. Очевидно, существование таких состояний может быть причиной некоторых аномальных свойств воды, особенно в температурном интервале 34—40° [66—68]. Следует, однако, отметить вслед за Самойловым [69], что минимум на кривой теплоемкости ( 35°) нельзя считать неожиданным для воды, поскольку ртуть характеризуется аналогичной аномалией. [c.21]

    Однако сравнительно быстро гели становятся необратимыми, что является их характерной особенностью. Очищенный и высушенный необратимый гель представляет собой твердое полупрозрачное вещество, пронизанное тонкими порами и известное под названием силикагель . Небольшое количество воды (2—3%) очень прочно связано с кремнеземом. Уменьшение этого количества приводит к глубокому изменению физических свойств силикагеля и к резкому уменьшению его адсорбционной способности. Отметим, что недавними исследованиями установлены аномальные свойства воды, находящейся в порах силикагеля [438] и кварцевых капиллярах [545]. [c.128]

    Многие важные и интересные химические факты, включая аномальные свойства воды и строение белков, объясняются образованием водородных связей. Несомненно, наиболее удивительной из большинства важных неорганических систем является жидкая вода. Ее уникальные свойства, например высокие температуры плавления и кипения, необычно высокая теплоемкость, уменьшение молярного объема при плавлении и последующее сжатие между О и 4°, обусловлены непосредственно упорядоченной структурой с водородными связями, рассмотренной подробно на стр. 112 и 309. Характеристикой водородных связей в различных соединениях являются данные по протонному магнитному резонансу, приведенные в табл. 34. Наиболее существенны различия в химических сдвигах в жидком и газообразном состояниях. Для перечисленных в этой таблице насыщенных углеводородов эти различия сравнительно малы. Однако для Н2О и особенно для НР различия между данными для газа и жидкости очень велики. Для остальных соединений, приведенных в табл. 34, величина фазового эффекта сим- [c.175]

    Водородная связь. Водород, как известно, способен образовывать особый вид связи, так называемую водородную связь. Этим объясняются некоторые аномальные свойства воды, например слишком высокая по сравнению с размером молекул температура кипения. Спирты и амиды кислот также сильно ассоциированы, в водных растворах. По энергии водородная связь занимает промежуточное положение между обычными межмолекулярными силами притяжения и химической связью. [c.106]

    Плотность жидкостей и газов зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением плотности с ростом температуры. Плотность воды максимальна при Г = 4 °С и уменьшается как с уменьшением, так и увеличением температуры от этого значения. В этом проявляется одно из аномальных свойств воды. В табл. 1.1 приведены значения плотности воды при нормальном атмосферном давлении и различных температурах. [c.9]

    В табл. 2.2. приведены для сравнения физико-химические свойства воды и других жидкостей. Вследствие своих аномальных свойств вода — уникальный растворитель, прекрасно приспособленный для жизнедеятельности. [c.44]

    Важны и другие аномальные свойства воды высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом (см. табл. 2.2). [c.46]

    Выше отмечалось, что все основные физико-химические свойства воды тесно связаны с ее структурой, т. е. являются структурно-чувствительным . От этого зависят все аномальные свойства воды — максимум ее плотности при 4 с, расширение при замерзании, высокие теплоемкость и диэлектрическая проницаемость (определяющая большую растворяющую способность). Возрастание диамагнитной восприимчивости воды с повышением [c.14]

    Избыточный объем СНг-группы положителен, слабо зависит от температуры и нелинейно растет с ее повышением (рис. 3.10, й) [151, 161, 183, 184]. Последнее обстоятельство указывает на усиление аномальности свойств воды в результате (как считали Хепплер [183] и Нил и Горинг [184]) структурообразующего действия алифатического радикала. Однако этому противоречит характер температурной зависимости парциальной сжимаемости (рис. 3.10,6) наличие области температур с отрицательными значениями AK l и отрицательная вторая производная температурной зависимости указывают на уменьшение релаксационной составляющей сжимае- [c.56]

    Хотя водородные связи слабее ковалентных и ионных, они значительно прочнее вандерваальсовых связей и обусловливают ассоциацию молекул воды в жидком состоянии и некоторые аномальные свойства воды, в частности высокие температуры плавления и парообразования, [c.342]

    Хотя водородные связи слабее ковалентных и ионных, они значительно прочнее вандерваальсовых связей и обусловливают ассоциацию молекул воды в жидком состоянии и некоторые аномальные свойства воды, в частности высокие температуры плавления и парообразования, высокую диэлектрическую проницаемость, максимальную плотность при 4 °С, а также особую структуру льда. В кристаллах льда молекула воды образует четыре водородные связи с соседними молекулами воды (за счет двух неподеленных электронных пар у кислорода и двух протонов), что обусловливает возникновение тетраэдрической кристаллической структуры льда. Расположение молекул в таком крис-. талле отличается от плотной упаковки молекул, в решетке много свободных мест, поэтому лед имеет относительно невысокую плотность. При высоких давлениях (выше 200 МПа) обеспечивается более плотная укладка молекул воды и возникает еще несколько кристаллических модификаций льда. При плавлении происходит частичное разрушение структуры льда и сближение молекул, поэтому плотность воды возрастает. В то же время повышение температуры усиливает движение молекул, которое снижает плотность вещества. При температуре выше 4 °С последний эффект начинает превалировать и плотность воды понижается. [c.372]

    Таким образом, для воды характерна трехмерная льдоподобная или квазикристаллическая структура. Такие льдоподобные структуры названы кластерами. В соответствии с двухструктурной моделью воды кластеры плавают в среде свободных молекул, образующих вторую структуру — плотную кубическую упаковку (рис. VII. 7). Обе структуры находятся между собой в равновесии. Двухструктурная модель удовлетворительно объясняет аномальные свойства воды. [c.412]

    СоедЬнения с водородом Простые соединения с водородом НгЭ — ядовитые газы, кроме НгО и НгРо, с неприятным запахом Температуры плавления и кипения повышаются в ряду НгЗ—НгРо (табл 18 1) Термическая устойчивость молекул в ряду НгО—НгРо падает, реакции разложения обратимы Температуры плавления и кипения, плотность воды ле подчиняются общей закономерности изменения этих свойств в ряду Нг5—НгРо Аномальные свойства воды связаны с малым размером молекул НгО и образованием водородных связей между ними Известны высшие водородные соединения для серы — сульфаны (полисульфиды водорода) состава НгЗя ( = = 2 — 9, чаще 2), для кислорода — пероксид водорода НгОг Все сульфаны — желтые маслянистые жидкости, вязкость которых возрастает с увеличением длины гомоцепи —5—5— Они весьма реакционноспособны Сведения об НгОг приведены в гл 19 [c.352]

    Соедйнения с водородом. Простые соединения с водородом НгЭ — ядовитые газы, кроме НгО и НгРо, с неприятным запахом. Температуры плавления и кипения повышаются в ряду НгЗ—НгРо (табл. 18.1). Термическая устойчивость молекул в ряду НгО—НгРо падает, реакции разложения обратимы. Температуры плавления и кипения, плотность воды де подчиняются общей закономерности изменения этих свойств в ряду Нг5—НгРо. Аномальные свойства воды связаны с малым размером молекул НгО и образованием водородных связей между ними. [c.352]

    Многие аномальные свойства воды играют важную роль в комплексе биохимических процессов па земле. Благодаря аномалии в плотности лед плавает на поверхности воды, а при замерзании рек и озер на глубине сохраняется относительно теплая вода (не ниже 4°С) вследствие высоких теплоты плавления и теплоемкости таяпие снегов происходит достаточно медленно и т. д. [c.7]

    Таким образом, теория Самойлова объясняет аномальные свойства воды не образованиями ассоциаций моле1кул в обычном смысле слова, а особой структурой воды, содержащей пустоты, т. е. наличием небольших областей с высокой упорядоченностью молекул, возникающей вследствие большой энергии водородных связей, по сравнению с энергией вандерваальсовых связей. [c.50]

    Эти аномальные свойства воды пытались объяснить при помощи представлений о том, что молекулы воды существуют в виде ассоциированных комплексов типа (НгО) , где п может быть любым целым числом от 1 до 18. При изменении температуры (или давления) ассоциационное равновесие нарушается, относительная доля каждого из комплексов меняется, что влечет за собой изменение свойств воды. В пользу этой теории недавно были приведены дополнительные соображения, однако представления о квазикристал-лической структуре воды, положенные в основу теории Бернала н Фаулера, считаются сейчас более вероятными, и их следует рассмотреть подробнее. [c.72]

    Метод Бернала и Фаулера и его модификации. Другое направление теоретических работ по теплотам гидратации начинается с исследований Бернала и Фаулера о природе воды и льда (1935). Вода обладает рядом аномалий. Некоторые свойства воды оказываются экстремальными при определенной температуре. Она обладает наибольшей плотностью при 4° С и наименьшей теплоемкостью при 34,5° С и т. п. Плотность воды при температуре, близкой к точке замерзания, выше плотности льда, причем отношение йн2 [н о] равно 1,1. Эти аномальные свойства воды пытались объяснить тем, что молекулы воды существуют в виде ассоциированных комплексов типа (HgO),,, где п может быть любым целым числом от 1 до 18. При изменении температуры (или давления) ассоциационное равновесие нарушается, относительная доля каждого из комплексов меняется, что влечет за собой изменение свойств воды. В пользу этой теории недавно были приведены дополнительные соображения, однако представления о квазикристаллической структуре воды, положенные в основу теории Бернала и Фаулера, считаются сейчас более вероятными и их следует рассмотреть подробнее. [c.68]

    Отмечается ыопотоппость изменения температурного коэффициента [27]. Но МНОГИ.МИ замечено нарушение этой монотонности в области 30—45 °С [22, 28]. Это соответствует так называемой точке Кюри при 35 °С, обусловленной скачкообразным изменением структуры воды [29]. В работе [30] указывается, что аномальность свойств воды в пределах 30—50°С сиязаиа с иоляризацио1шым маг- [c.22]

    Хотя водородные связи слабее ковалентных и ионных, они значительно прочнее вандерваальсовых связей и обусловливают ассоциа-Щ1Ю молекул воды в жидком состоянии и некоторые аномальные свойства воды, в частности высокие температуры плавления и парообразования, высокую диэлектрическую проницаемость, максимальную плотность при 4°С, а также особую структуру льда. В кристаллах льда молекула воды образует четыре водородные связи с соседними молекулами воды (за счет двух неподеленных электронных пар у кислорода и двух протонов), что обусловливает возникновение тетраэдрической кристаллической структуры льда. [c.390]

    При замораживании капель в вакууме аномальные свойства воды и термические деформации не являются единственной причиной разрушения образуюшихся гранул. Существует также возможность разрушения самих капель вследствие вскипания жидкости при попадании капель в среду с низким давлением или при резком сбросе давления. [c.136]

    Ю.В. Гуриков [28] считает, что с ростом температуры происходит выравнивание числа центро-симметричных и зеркально-симметричных связей за счет разрыва менее прочных - центрально-симметричных. Это приводит к увеличению числа молекул, находящихся в пустотах. Возможно, что при некоторой температуре будет наблюдаться переход от льдоподобной структуры к конфигурации, характерной для модели Полинга и Маленкова. Этим могут быть объяснены некоторые аномальные свойства воды при 35 - 40° С. [c.16]

chem21.info

---

Смотрите также

• 
  Вода очищенная физико химические свойства
• 
  Химические свойства металлов с водой
• 
  Физические свойства воды и уксуса
• 
  Полезные свойства воды с лимоном
• 
  Химия свойства воды 8 класс
• 
  Свойства вод океана 7 класс
• 
  Свойства воды в твердом состоянии
• 
  Жесткая вода имеет следующие свойства
• 
  Физические свойства соли и воды
• 
  Удивительные свойства воды исследовательская работа
• 
  Святая вода свойства научное объяснение