Будова, класифікація та властивості води

Мета: Вивчити аномальні властивості води. Розглянути особливості структури води, характерні зв'язки між молекулами води, що лежать в основі особливих (аномальних) властивостей води.

 

 

Теоретична частина

Аномальні властивості води були відкриті вченими в результаті тривалих і трудомістких досліджень. Ці властивості настільки звичні і природні в повсякденному нашому житті, що звичайна людина навіть не підозрює про їхнє існування.

Рис. 2.1. Водневий зв'язок

Аномальні властивості води свідчать про те, що молекули Н₂О у воді досить міцно пов'язані між собою і утворюють характерну молекулярну конструкцію, яка чинить опір будь-яким руйнівним діям, наприклад, тепловим, механічним, електричним. З цієї причини, наприклад, необхідно затратити багато тепла, щоб перетворити воду в пар. Ця особливість пояснює порівняно високу питому теплоту випаровування води. Стає зрозумілим, що структура води, характерні зв'язки між молекулами води, лежать в основі особливих властивостей води (рис. 2.1).

Однак наявність водневого зв'язку у води – це всього лише необхідна, але не достатня умова для пояснення незвичайних властивостей води. Найважливішим обставиною, що пояснює основні властивості води, є структура рідкої води як цілісної системи.

Структура води в живому організмі багато в чому нагадує структуру кристалічної решітки льоду (рис. 2.2). І саме цим пояснюються зараз унікальні властивості талої води, довгий час зберігає структуру льоду. Тала вода набагато легше звичайної вступає в реакцію з різними речовинами, і організму не потрібно витрачати додаткову енергію на розбудову її структури.

 

Рис. 2.2. Кристалічна структура льоду

 

Кожна молекула води в кристалічній структурі льоду бере участь в 4 водневих зв'язках, спрямованих до вершин тетраедра. У центрі цього тетраедра знаходиться атом кисню, у двох вершинах – по атому водню, електрони яких задіяні в утворенні ковалентного зв'язку з киснем. Дві що залишилися вершини займають пари валентних електронів кисню, які не беруть участь в утворенні внутрішньомолекулярних зв'язків. При взаємодії протона однієї молекули з парою неподілених електронів кисню іншої молекули виникає водневий зв'язок, менш сильний, ніж внутрішньо молекулярний зв'язок, але досить могутній, щоб утримувати поруч сусідні молекули води. Кожна молекула може одночасно утворювати чотири водневі зв'язки з іншими молекулами під строго певними кутами, рівними 109°28', направлених до вершин тетраедра, які не дозволяють при замерзанні створювати щільну структуру (при цьому в структурах льоду I, Ic, VII і VIII цей тетраедр правильний).

Відомо, що біологічні тканини на 70-90% складаються з води. Це дозволяє припускати, що багато фізіологічних явищ можуть відображати молекулярні особливості не тільки розчиненої речовини, але в рівній мірі і розчинника – води. Подібного роду міркування, висловлювані такими великими сучасними вченими, як Сент-Дьордь, Поллінг, Клотц та інші, викликали нову хвилю підвищеного інтересу до питань структури і стану води в різних системах.

Першу теорію про структуру води висунули англійські дослідники
Дж. Бернал і Фаулер. Вони створили концепцію про тетраедричну структуру води (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Тетраедрична структура води

 

У своїй науковій інтуїції Дж. Бернал і Р. Фаулер спиралися на широкий матеріал накопичених експериментальних і теоретичних даних в галузі вивчення будови молекули води, структури льоду, будови простих рідин, на дані ренгеноструктурного аналізу води та водних розчинів. Перш за все, вони визначили роль водневих зв'язків у воді.

Було відомо, що у воді є ковалентні і водневі зв'язки. Ковалентні зв'язки не рвуться при фазових переходах води: вода-пар-лід. Лише електроліз, нагрівання води на залозі і т.п. розриває ковалентні зв'язки води. Водневі зв'язки у 24 рази слабкіше ковалентних. При таненні льоду, снігу, водневі зв'язки в воді частково зберігаються, в парі води вони всі розірвані.

Спроби представити воду як асоційовану рідина з щільною упаковкою молекул води, подібно кулькам якої ємності, не відповідали елементарним фактичним даним. У цьому випадку питома щільність води повинна була б бути не 1 г/см³, а більше 1,8 г/см³.

Другим важливим доказом на користь особливої структури молекули води полягала в тому, що на відміну від інших рідин вода – це було вже відомо – володіє сильним електричним моментом, складовим її дипольні структуру. Тому не можна було уявити наявність дуже сильного електричного моменту молекули води в симетричної конструкції двох атомів водню відносно атома кисню, розташувавши всі вхідні в неї атоми по прямій лінії, тобто Н-О-Н.

Експериментальні дані, а також математичні розрахунки остаточно переконали англійських вчених у тому, що молекула води "однобока" і має "кутову" конструкцію, а обидва атоми водню повинні бути зміщені в одну сторону відносно атома кисню на кут 104,5° (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Будова молекули води за Дж. Берналом і Р. Фаулером

 

Саме тому модель води Бернала-Фаулера – трьохструктурна, з наявністю декількох роздільних типів структур. Відповідно до цієї моделі, структура води визначається структурою її окремих молекул.

Рис. 2.5. Структура псевдокристалу

У подальшому була розвинена ідея вважати рідку воду псевдокристалом (рис. 2.5), згідно з якою вода в рідкому стані являє собою як би суміш трьох компонент з різними структурами (структура льоду, кристалічного кварцу і щільно упакована структура звичайної води).

Вода – це ажурний псевдокристал, в якому окремі тетраедричні молекули H₂О пов'язані один з одним спрямованими водневими зв'язками, утворюючи гексагональні структури як в структурі льоду.

Надалі модель води Бернала-Фаулера була уточнена і переглянута. На її основі виникли більше 20 моделей структури води, які можна розділити на 5 груп:

1) безперервні (вода – це єдина тетраедричних мережу водо-рідних зв'язків між окремими молекулами води, які викривляються при плавленні льоду);

2) змішані моделі структури води (двох-і трьохструктурні) постулюють, що вода – це суміш двох або трьох структур, наприклад, одиночних молекул, їх асоціатів різної складності – кластерів;

3) моделі із заповненням порожнеч;

4) кластерні;

5) моделі асоціатів.

Широко відома кластерна модель структури води А.Френка і В.Вена, вдосконалена Г. Немет-Г. Шерагой (1962). За цією моделлю, в рідкій воді, поряд з мономірними молекулами є кластери, рої молекул Н₂О, об'єднаних водневими зв'язками з часом життя 10-10 – 10-11 с. Вони руйнуються і створюються знову.

Практично всі кластерні гіпотези води базуються на тому, що рідка вода складається з мережі з 4-кратно пов'язаними молекулами Н₂О і мономерів, які заповнюють простір між кластерами. На граничних поверхнях кластерів є 1, 2- або 3-кратно зв'язані молекули. Ще дану модель називають моделлю "мерехтливих скупчень". За С. Зеніна, кластери і асоціати є основою структурної пам'яті води – довготривалої (стабільні) і короткочасної (лабільні, нестійкі асоціати).

В даний час відомо велика кількість гіпотез і моделей структури води. Деякі дослідники говорять про наявність у воді 10 різних структур води з неоднаковими кристалічними решітками, різною щільністю і температурою плавлення.

Рентгеноструктурне дослідження кристалів води, проведене Морганом і Уорреном, показало, що воді властива структура, подібна структурі льоду. У воді, також як і в льоді, кожен атом кисню оточений як в тетраедрів іншими атомами кисню. Відстань між сусідніми молекулами неоднакова. При 25° С кожна молекула води в каркасі має одного сусіда на відстані 2,77 A (1А=10^-10 м) і трьох – на відстані 2,94 A, в середньому – 2,90 A. Середнє між найближчими сусідами молекули води приблизно на 5,5% більше, ніж між молекулами льоду. Інші молекули знаходяться на відстанях, проміжний-них між першими і другими сусідніми дистанціями. Відстань 4,1 A – це відстань між атомами О-Н в молекулі Н₂О.

За сучасними уявленнями, така структура в значній мірі визначається водневими зв'язками, які, об'єднуючи кожну молекулу з її чотирма сусідами, утворюють ажурну структуру з порожнечами, переважаючими за розмірами самі молекули. Основна відмінність структури рідкої води від льоду – це більш розмите розташування атомів в решітці, порушення далекого порядку. Теплові коливання приводять до вигину і розриву водневих зв'язків. Зійшли з рівноважних положень молекули води потрапляють в сусідні пустоти структури і на деякий час затримуються там, так як пустотам відповідають відносні мінімуми потенційної енергії. Це веде до збільшення координаційного числа і до утворення дефектів решітки, наявність яких обумовлює аномальні властивості води. Координаційне число молекул (число найближчих сусідів) змінюється від 4,4 при 1,5° С до 4,9 при 83° С.

Згідно з гіпотезою нашого вченого співвітчизника С.В. Зеніна, вода є ієрархією правильних об'ємних структур «асоціатів» (clathrates), в основі яких лежить кристалоподібний «квант води», що складається з 57 її молекул, які взаємодіють один з одним за рахунок вільних водневих зв'язків. При цьому 57 молекул води (квантів), утворюють структуру, що нагадує тетраедр. Тетраедр в свою чергу складається з 4 додекаедрів (правильних 12-гранником). 16 квантів утворюють структурний елемент, що складається з 912 молекул води. Вода на 80% складається з таких елементів, 15% – кванти-тетраедри і 3% – класичні молекули Н₂О. Таким чином, структура води пов'язана з так званими Платоновим тілами (тетраедр, додекаедр), форма яких пов'язана з золотою пропорцією. Ядро кисню також має форму платонова тіла (тетраедра).

Елементарним осередком води є тетраедри, містять пов'язані між собою водневими зв'язками чотири (простий тетраедр) або п'ять молекул Н₂О (об'ємно-центрований тетраедр).

При цьому у кожної з молекул води в простих тетраедрах зберігається здатність утворювати водневі зв'язки. За рахунок їх прості тетраедри можуть об'єднуватися між собою вершинами, ребрами або гранями, утворюючи різні кластери із складною структурою, наприклад, у формі додекаедр (рис. 2.6).

 

Рис. 2.6. Можливий кластер води (у формі додекаедру)

 

Об'єднуючись один з одним, кластери можуть утворювати більш складні структури.

Кластери, що містять у своєму складі 20 молекул, виявилися більш стабільними.

Професор Мартін Чаплін розрахував і припустив іншу модель води, в основі якої лежить ікосаедр (рис. 2.7). Відповідно до цієї моделі вода складається з 1820 молекул води – це в два рази більше, ніж у моделі Зеніна. Гігантський ікосаедр в свою чергу складається з 13 більш дрібних структурних елементів. Причому, так само як і у Зеніна, структура гігантського асоціату базується на більш дрібних утвореннях.

Таким чином, зараз це є очевидним фактом, що у воді виникають асоціати води, які несуть в собі дуже велику енергію і інформацію украй високої щільності.

Рис. 2.7. Гігантський ікосаедр води

Порядкове число таких структур води так само високо, як і порядкове число кристалів (структура з максимально високим впорядкуванням, яку ми тільки знаємо), тому їх також називають «рідкими кристалами» або «кристалічної водою». Така структура енергетично вигідна і руйнується із звільненням вільних молекул води лише при високих концентраціях спиртів і подібних ним розчинників.

«Кванти води» можуть взаємодіяти один з одним за рахунок вільних водневих зв'язків, що стирчать назовні з вершин "кванта" своїми гранями. При цьому можливе утворення вже двох типів структур другого порядку. Їх взаємодія один з одним призводить до появи структур вищого порядку. Останні складаються з 912 молекул води, які за моделлю Зеніна практично не здатні до взаємодії за рахунок утворення водневих зв'язків. Цим і пояснюється, наприклад, висока плинність рідини, що складається з величезних полімерів. Таким чином, водне середовище являє собою як би ієрархічно організований рідкий кристал.

Зміна положення одного структурного елементу в цьому кристалі під дією будь-якого зовнішнього чинника або зміна орієнтації навколишніх елементів під впливом додаються речовин забезпечує, відповідно до гіпотези Зеніна, високу чутливість інформаційної системи води. Якщо ступінь обурення структурних елементів недостатня для перебудови всієї структури води в даному обсязі, то після зняття обурення система через 30-40 хв повертається в початковий стан. Якщо ж перекодування, тобто перехід до іншого взаємному розташуванню структурних елементів води виявляється енергетично вигідним, то в новому стані відбивається кодуючий дію викликав цю перебудову речовини. Така модель дозволяє Зеніну пояснити «пам'ять води» та її інформаційні властивості.

Кластерна модель води пояснює її багато аномальних властивостей.

Перша аномальна властивість води – аномалія точок кипіння і замерзання: якби вода була б нормальним мономолекулярним з'єднанням, таким, наприклад, як її аналоги по шостій групі Періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва гідрид сірки Н2S, гідрид селену Н₂Se, гідрид телуру Н₂Те, то в рідкому стані вода існувала б в діапазоні від мінус 90° C до мінус 70° C.

«Ненормальні» температури плавлення і кипіння води – далеко не єдина аномальність води. Для всієї біосфери винятково важливою особливістю води є її здатність при замерзанні збільшувати, а не зменшувати свій об'єм, тобто зменшувати щільність. Це друга аномалія води, яка іменується аномалією густини. На це особливу властивість води вперше звернув увагу ще Г. Галілей. При переході будь-якої рідини (окрім галію та вісмуту) в твердий стан молекули розташовуються тісніше, а сама речовина, зменшуючись в об'ємі, стає щільнішою. Будь рідини, але не води. Вода і тут є виключення. При охолодженні вода спочатку поводиться, як і інші рідини: поступово ущільнюючи, вона зменшує свій обсяг. Таке явище можна спостерігати до
+4° С (точніше до +3,98° С).

Саме при температурі +3,98° С вода має найбільшу щільність і найменший об'єм. Подальше охолодження води поступово призводить вже не до зменшення, а до збільшення обсягу. Плавність цього процесу раптом переривається і при 0° С відбувається різкий стрибок збільшення обсягу майже на 10%! У цю мить вода перетворюється на лід.

Унікальна особливість поведінки води при охолодженні і утворенні льоду грає винятково важливу роль у природі та житті. Саме ця особливість води охороняє від суцільного промерзання в зимовий період всі водойми землі – ріки, озера, моря і тим самим рятує життя.

На відміну від прісної води морська вода при охолодженні поводиться інакше. Замерзає вона не при 0° С, а при -1,8-2,1° С – в залежності від концентрації розчинених у ній солей. Має максимальну щільність не при
+ 4° С, а при -3,5° С. Таким чином вона перетворюється на лід, не досягаючи найбільшої щільності. Якщо вертикальне перемішування в прісних водоймах припиняється при охолодженні всієї маси води до +4° С, то в морській воді вертикальна циркуляція відбувається навіть при температурі нижче 0° С. Процес обміну між верхніми і нижніми шарами йде безперервно, створюючи сприятливі умови для розвитку тваринних і рослинних організмів.

Всі термодинамічні властивості води помітно чи різко відрізняються від інших речовин.

Найбільш важлива з них – аномалія питомої теплоємності. Аномально висока теплоємність води робить моря і океани гігантським регулятором температури нашої планети, в результаті чого не відбувається різкого перепаду температур взимку і влітку, вдень і вночі. Континенти, розташовані поблизу морів і океанів, володіють м'яким кліматом, де перепади температури в різні пори року бувають незначними.

Потужні атмосферні потоки, що містять величезну кількість теплоти, поглиненої в процесі пароутворення, гігантські океанічні течії відіграють виняткову роль у створенні погоди на нашій планеті.

Аномалія теплоємності полягає в наступному: При нагріванні будь-якої речовини теплоємність незмінно підвищується. Так, будь-якої речовини, але не води. Вода – виняток, вона і тут не упускає можливості бути оригінальною: з підвищенням температури зміна теплоємності води аномально; від 0 до 37° С вона знижується і тільки від 37 до 100° С теплоємність весь час зростає.

В межах температур, близьких до 37° С, теплоємність води мінімальна. Саме ці температури – область температур людського тіла, область нашого життя. Фізика води в області температур 35-41° С (межі можливих, нормально протікають фізіологічних процесів в організмі людини) констатує ймовірність досягнення унікального стану води, коли маси квазікристалічної і об'ємної води дорівнюють один одному і здатність однієї структури переходити в іншу – варіабельність – максимальна. Це чудова властивість води зумовлює рівну імовірність перебігу оборотних і необоротних біохімічних реакцій в організмі людини і забезпечує «легке управління» ними.

Іншим загальновідома виняткова здатність води розчиняти будь-які речовини. Це пов'язано з тим, що її діелектрична постійна (або діелектрична проникність) дуже велика і складає 81, в той час як для інших рідин вона не перевищує 10. Відповідно до закону Кулона сила взаємодії двох заряджених частинок у воді буде в 81 разів менше, ніж, наприклад, в повітрі, де ця характеристика дорівнює одиниці. У цьому випадку міцність внутримолекулярних зв'язків зменшується в 81 разів і під дією теплового руху молекули дисоціюють з утворенням іонів. Необхідно відзначити, що через виняткову здатність розчиняти інші речовини вода ніколи не буває ідеально чистою.

Слід згадати ще про одну дивовижну аномалію води – виключно високомий поверхневий натяг. З усіх відомих рідин тільки ртуть має більш високий поверхневий натяг. Це властивість проявляється в тому, що вода завжди прагне скоротити свою поверхню.

Поверхневий натяг і змочування є основою особливої властивості води та водних розчинів – капілярність. Капілярність має величезне значення для життя рослинного, тваринного світу, формування структур природних мінералів і родючості землі. У каналах, які у багато разів вже людської волосини, вода набуває дивовижні властивості. Вона стає більш в'язкою, ущільнюється в 1,5 рази, а замерзає при мінус 80-70° С.

Вченим і фахівцям відома так звана парова вода. У вигляді найтоншої плівки вона вистилає поверхню пор і мікропорожнин порід і мінералів земної кори та інших об'єктів живої і неживої природи.

Пов'язана міжмолекулярними силами з поверхнею інших тіл, ця вода, як і капілярна вода, володіє особливою структурою.

Таким чином, аномальні і специфічні властивості води відіграють ключову роль в її різноманітній взаємодії з живою і неживою природою.

 

Завдання

1. Визначення властивостей води

Наведіть хімічні рівняння реакції різних груп властивостей води: хімічні (взаємодія з органічними та неорганічними речовинами), фізичні (поведінка води при зміні зовнішнього впливу факторів) та ін.

Контрольні питання:

1. Перерахуйте теорії будови молекули води.

2. Охарактеризуйте кластерну модель будови води.

3. Надайте характеристику хімічним властивостям води.

4. Наведіть основні фізичні властивості води та надайте їх коротку характеристику.

5. Які Вам відомі аномальні властивості води та обґрунтуйте чим вони пояснюються.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3