Вода как вещество, её молекулярная структура и изотопный состав

Вода – это простейшее устойчивое химическое вещество-соединение водорода с кислородом. Это оксид водорода Н₂О. В чистом виде вода – вещество бесцветное, без вкуса и запаха (11,19 % весовых Н и 88,81 % О₂, молекулярный вес 18,0160). Молекула воды несимметрична: в виде равнобедренного треугольника с двумя ядрами водорода в основании и ядом кислорода в вершине

 

О

__----

0,97х10^{-8 см}

105⁰

 

 

Н 1,53 х 10^{-8 см Н}

 

Рис. 1. Строение молекулы воды

 

Атом кислорода в молекуле воды присоединяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода и тем самым приобретает отрицательный заряд. В свою очередь, оба атома водорода лишенные электронов, становятся положительно заряженными протонами. Молекула воды поэтому образует электрический диполь (рис. 1).

Полярное строение воды и возникающее в воде электрическое поле обуславливает большую диэлектрическую проницательность (показывает во сколько раз силы взаимодействия электрозарядов уменьшаются в воде по сравнению с вакуумом), которая предопределяет большую её ионизирующую способность, т.е. способность расщеплять молекулы других веществ, что обуславливает сильное растворяющее действие воды. Поэтому вода – сильный растворитель.

В зависимости от агрегатного состояния организация молекул может быть различной (рис. 2):

1) В кристаллах льда молекулы воды составляют гексагональную систему с прочными водородными связями. Эта структура рыхлая, ажурная, чем и объясняется резкое снижение плотности льда, в результате чего он плавает на воде. Во льду преобладают молекулярные агрегаты тригидроли – (Н₂О)₃.

2) В жидкой воде обычна тетраэдрическая структура, при которой 4 молекулы по вершинам тетраэдра окружают пятую. Здесь преобладают дигидроли – (Н₂О)₂.

Рис. 2. Изменение структуры воды в зависимости от агрегатного состояния

 

3) Водяной пар состоит из мономерных одиночных молекул воды (гидролей), не имеющих водородных связей.

4) В состоянии плазмы происходит разрушение мономерных молекул с появлением отрицательно и положительно заряженных частиц.

Вода же имеет наибольшую плотность не при температуре плавления, а при +4⁰ С. В ней одновременно присутствуют разные типы агрегатов молекул.

По изотопному составуН₂О – это вода, образованная двумя атомами водорода с атомным весом 1 (называется протий) и атомом кислорода с атомным весом 16. Однако наличие тяжелых изотопов водорода (²Н, ³Н), природных и искусственных изотопов кислорода (¹⁴О-¹⁹О) допускает комбинации из нескольких десятков изотопных типов воды.

Д₂О – это тяжёлая вода, образованная двумя атомами изотопа водорода дейтерия с атомным весом 2 (протон-нейтрон-электрон).

Т₂О – сверхтяжёлая вода, образованная двумя атомами изотопа водорода трития с атомным весом 3 (протон, 2 нейтрона, электрон).

Д и Т – сами по себе уникальные изотопы, так как их атомные веса не на доли процента, а в 2 и 3 раза отличаются от атомного веса стабильного протия. Поэтому дейтериевая (тяжёлая) и тритиевая (сверхтяжёлая) вода, выделенная в чистом виде, также отличается рядом особых свойств (табл. 1)

Это определяет и биологические свойства тяжёлой воды. Доказано, что в ней задерживается размножение микробов, не прорастают семена растений, погибают некоторые простейшие, происходят необратимые изменения у высших организмов. То есть в высокой концентрации тяжёлая вода – это «мёртвая вода» наших сказок… Но имеются и другие данные. Д₂О стимулирует рост некоторых плесневых грибов.

В настоящее время содержание Д₂О в природных водах составляет примерно 145 атомов на 1 млн. атомов Н₂О в реках и озёрах и 180 атомов в морях. В ходе геологического времени происходило прогрессивное увеличение содержания Д₂О за счёт испарения, вымораживания, поступления из космоса.

Таблица 1

Свойства воды разного изотопного состава

 

Свойство	Н2О	Д2О	Т2О
Атомный вес
Температура кипения, ^0С	100,0	101,41	101,60
Температура замерзания, ^0С	0,00	+3,80	9,00
Плотность, г/см^3	1,00	1,100	1,330
Температура максимальной плотности	4,00	11,2	-
Растворимость	1,00	0,90	0,85

 

Т₂О естественного происхождения на Земле всего 20 кг. Основная масса трития образуется при термоядерных реакциях.

 

Химические свойства воды

Вода – слабый электролит, диссоциирующий по уравнению:

Н₂О↔ H⁺ + OH^–

Это ионное равновесие воды, состояние которого отражает водородный показатель рН – логарифм концентрации водородных ионов (моль/л) с обратным знаком

рН= –lg H⁺

рН=7 характеризует нейтральную реакцию воды, рН>7 – щелочную, рН<7-кислую.

Природная вода - это слабый раствор. Суммарное содержание в воде растворённых веществ, т.е. концентрация солей, называемая минерализацией, выражается в мг/л, г/л, реже в %. Минерализация варьирует от 0,01 г/л в атмосферных осадках до 600 г/л в рассолах.

Солёность воды S – это содержание растворённых в воде веществ, выраженное в промиллях (^о/_оо, тысячные доли части) или в г/кг.

 

По минерализации или солёности вода подразделяется на:

Пресные – менее 1^о/_оо ;

Солоноватые – 1-25^о/_оо;

Солёные – 25 –50^о/_оо ; (средняя солёность морской воды 35,16 ^о/_оо)

Высокосолёные: рассолы – более 50^о/_оо, рапа – более 60 ^о/_оо

Примеры природных вод различной солености представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Примеры природных вод различной солености

 

В связи с диссоциацией многие химические соединения в воде находятся в ионной форме. Все природные воды делятся по преобладающему аниону (отрицательно заряженные ионы) на три класса:

1 – гидрокарбонатный – НСО₃^—

2 – сульфатный – SO^2-

3 – хлоридный – Cl^-4

а по преобладающему катиону (положительный ион) на три группы:

1 – кальциевая – Ca²⁺

2 – магниевая – Mg²⁺

3- натриевая – Na⁺ и K⁺

Общей жёсткостью воды называется сумма концентрации катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в воде.

В природных водах растворены газы: О₂ – кислород, N₂ – азот, СО₂ - диоксид углерода, H₂S – сероводород и другие.

В воде находятся микроэлементы (в концентрациях менее 1 мг/л и «следах»), бром - Br, йод - J, фтор - F, литий - Li, барий - Ba, и тяжёлые металлы Fe, Ni, Zn, Co, Cu, Pb, Hg, Cd и другие, а также радиоактивные вещества: калий ⁴⁰K, уран ²³⁸U, стронций ⁹⁰Sr, цезий ¹³⁷Cs).

В воде растворены также биологические вещества: соединения азота, фосфора, натрия и кремния.

Особую категорию составляют содержащиеся в воде загрязнители – нефтепродукты, ядохимикаты, удобрения, моющие средства, тяжёлые токсичные металлы.