Головна · Хвороби кишечника · Вода, її значення, властивості та особливості будови молекул. Структура води: нові експериментальні дані

Вода, її значення, властивості та особливості будови молекул. Структура води: нові експериментальні дані

Значення води для життєдіяльності рослин

лекція 10. Водний обмін.

1. Значення води для життєдіяльності рослин

2. Структура та властивості води

3. Водний обмін у рослинній клітці

3.1. Форми води у рослинних клітинах

3.2. Водний потенціал. Осмос. Транспорт води у рослинній клітці

4. Осмотичне поглинання води

5. Механізми пересування води

6. Верхній та нижній кінцеві двигуни

7. Пересування води судинами

8. Вплив водного дефіциту на фізіологічні процеси

9. Особливості водообміну різних екологічних груп рослин

У тканинах рослин вода становить 70-95 % будівельної маси. Роль води загалом організмі різноманітна. Розглянемо функції води у біологічних об'єктах:

Водне середовище поєднує всі частини організму в єдине ціле. У тілі рослини вода є безперервним середовищем на всьому протязі, від води, що поглинається корінням, до листя, що випаровує воду в атмосферу.

Вода - найважливіший розчинник та середовище для біохімічних реакцій;

Вода бере участь у упорядкуванні структур у клітинах, вона входить до складу молекул білків, визначаючи їхню конформацію;

Вода – метаболт та безпосередній учасник біохімічних реакцій. Наприклад, при фотосинтезі вода – донор електронів, вона потрібна для гідролізу, для синтезу речовин.

Вода – головний компонент у транспортній системі рослин;

Вода – терморегулюючий фактор, вона захищає рослини від різких коливань температури;

Вода - амортизатор при механічних впливах;

Завдяки явищам осмосу і тургору забезпечує пружний стан клітин (всі рослини по здатності регулювати об'єм, що міститься в них вологи діляться на пойкілогідротермні і гомеогідротермні. Пойкілогідротермні - не можуть регулювати об'єм води в організмі, наприклад, водорості, водні рослини та ін.) обсяг води в організмі за допомогою продихів).

Вода може перебувати у трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному. У кожному з цих станів структура води неоднакова. При миттєвому заморожуванні за допомогою рідкого азоту молекули води не встигають побудуватися в кристалічні ґрати і вода набуває твердого склоподібного стану (стан вітрифікації). Ця властивість води дозволяє заморожувати живі організми без ушкодження. Для кристалічного стану води характерна велика різноманітність форм (наприклад, сніжинки).

2.1. Фізичні властивості води.

1. Густина.

При 4 про С та тиск 1 атм. один см3 води важить один грам. Тобто. густина води дорівнює 1. При замерзанні об'єм води збільшується на 11%.



2. Точки кипіння та замерзання.

При тиску 1 атм. температура кипіння води дорівнює 100 про З, температура замерзання 0 про З. Зі збільшенням тиску температура замерзання знижується через кожні 130 атм. на 1 про З, а температура кипіння збільшується.

3. Теплота плавлення

Теплота плавлення льоду дорівнює 0,335 кДж/год. Крига при нормальному тиску може мати температуру від -1 до -7 про С. Теплота пароутворення води 2,3 кДж/год.

4. Теплоємність.

Величина теплоємності води в 5-30 разів вища, ніж в інших речовин. Теплоємність – кількість теплоти, необхідне підвищення температури на 1 про З. Ця особливість води пояснюється зчепленням молекул друг з одним (когезією) з допомогою водневих зв'язків.

5. Поверхневий натяг та прилипання.

На поверхні води (через здатність молекул до когезії) створюється поверхневий натяг. Вода має також властивість адгезії (прилипання), що необхідно при підйомі води проти гравітаційних сил.

Склад води можна з'ясувати за допомогою реакції розкладання електричним струмом. Утворюється два обсяги водню на один обсяг кисню (об'єм газу пропорційний кількості речовини):

2H 2 O = 2H 2 + O 2

Вода складається із молекул. Кожна молекула містить два атоми водню, з'єднані ковалентними зв'язками з одним атомом кисню. Кут між зв'язками близько 105°:
O - H
H

Оскільки кисень є електронегативним елементом (сильним окислювачем), загальна електронна пара ковалентного зв'язку зміщується до атома кисню, на ньому утворюється частковий негативний заряд δ−, на атомах водню - частковий позитивний δ+. Сусідні молекули притягуються одна до одної протилежними зарядами - це зумовлює порівняно високу температуру кипіння води.

Вода за кімнатної температури - безбарвна прозора рідина. Температура плавлення 0 ° C, температура кипіння при атмосферному тиску - 100 ° С. Чиста вода не проводить електричний струм.

Цікавою особливістю води є те, що вона має найбільшу густину 1 г/см 3 при температурі близько 4°. При подальшому зниженні температури густина води знижується. Тому з настанням зими верхні замерзаючі шари води стають легшими і не занурюються вниз. Лід утворюється на поверхні. Промерзання водойми до дна зазвичай не відбувається (до того ж крига теж має щільність менше води і плаває на поверхні).

Хімічні властивості:

До основних забруднювачів природної води відносяться стічні води промислових підприємств, що містять сполуки ртуті, миш'яку та інших токсичних елементів. Стоки тваринницьких комплексів, міст можуть містити відходи, що спричиняють бурхливий розвиток бактерій. Велику небезпеку для природних водойм становить неправильне зберігання (що не забезпечує захист від атмосферних опадів) або застосування добрив та отрутохімікатів, що змиваються у водойми. Транспорт, особливо водний, забруднює водоймища нафтопродуктами та побутовим сміттям, що викидається несумлінними людьми прямо у воду.

Для охорони вод необхідно запроваджувати замкнене водопостачання промислових підприємств, комплексну переробку сировини та відходів, будівництво очисних споруд, екологічне виховання населення.

* Для електролізу води використовуються розчини солей

2. Досвід. Розпізнавання солі вугільної кислоти серед запропонованих трьох солей.

Якісною реакцією на карбонати є взаємодія з кислотами, що супроводжується бурхливим виділенням вуглекислого газу:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

або, в іонному вигляді:

CO 3 2− + 2H + = H 2 O + CO 2

Довести, що виділяється саме оксид вуглецю (IV), можна пропускаючи його через розчин вапняної води, що викликає її помутніння:

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

Щоб розпізнати сіль вугільної кислоти, додаємо у всі три пробірки трохи кислоти (щоб не вилилася через край при «скипанні»). Де виділятиметься безбарвний газ без запаху, там знаходиться карбонат.

Кандидат хімічних наук Олександр Смирнов, професор МИРЕА.

Воді дана таємнича влада
Бути соком життя Землі.
Леонардо Да Вінчі

Мал. 1. Структура води за температури 20 оЗ розмір по горизонталі - 400 мкм. Білі плями – це емулони.

Мал. 2. Структура водних розчинів при 20 оЗ: А - дистильована вода; Б – дегазована мінеральна вода боржомі; В – спиртова настойка 70%.

Мал. 3. Емулони в бідистильованій воді при температурах 4 оЗ (А), 20 оЗ (Б), 80 оЗ (В). Розміри знімків 1,5×1,5 мм.

Мал. 4. Зміна амплітуди сигналів акустичної емісії та температури води у процесі танення льоду.

Мал. 5. Відносна зміна температури під час нагрівання води.

Подробиці для допитливих. Схема досвіду. За короткий час зі стаканчика з позитивним електродом (анодом) через «місток» вибігло 0,5 г води.

«Парний водяний місток» завдовжки близько 3 сантиметрів.

Наелектризована скляна паличка спотворює форму «містка» та розбиває його на цівки.

Так можуть виглядати емулони, що утворюють ниткоподібну структуру «містка».

Воду прийнято розглядати і як практично нейтральний розчинник, у якому протікають біохімічні реакції, і як субстанцію, що розносить тілом живих організмів різні речовини. Водночас вода - неодмінний учасник усіх фізико-хімічних процесів і, в силу своєї величезної важливості, найдосліджуваніша речовина. Вивчення властивостей води неодноразово призводило до несподіваних результатів. Здавалося б, які несподіванки може мати нескладна реакція окислення водню 2H 2 + O 2 → 2H 2 O? Але роботи академіка Н. Н. Семенова показали, що ця реакція - розгалужена, ланцюгова. Було це понад сімдесят років тому, і про ланцюгову реакцію поділу урану ще не знали. Вода у склянці, річці чи озері непросто величезні кількості окремих молекул, які об'єднання, надмолекулярные структури - кластери. Для опису структури води запропоновано ряд моделей, які більш менш правильно пояснюють лише деякі її властивості, а щодо інших суперечать експерименту.

теоретично кластери розраховують зазвичай лише кількох сотень молекул чи шарів поблизу межфазной кордону. Проте низка експериментальних фактів свідчить, що у воді можуть існувати гігантські, за молекулярними масштабами, структури (роботи члена-кореспондента РАН Є. Є. Фесенка).

У ретельно очищеній двічі дистильованій воді та деяких розчинах нам вдалося методом акустичної емісії виявити та за допомогою лазерної інтерферометрії візуалізувати структурні утворення, що складаються з п'яти фракцій розмірами від 1 до 100 мкм. Експерименти дозволили встановити, що кожен розчин має свою, властиву лише йому структуру (рис. 1, 2).

Надмолекулярні комплекси утворені сотнями тисяч молекул води, що згруповані навколо іонів водню та гідроксилу у вигляді іонних пар. Для цих надмолекулярних комплексів ми пропонуємо назву «емулон», щоб підкреслити їх схожість з частинками, що утворюють емульсію. Комплекси складаються з окремих фракцій розмірами від 1 до 100 мкм, причому фракцій, що мають розміри 30, 70 і 100 мкм, значно більші за інші.

Зміст окремих фракцій емулонів залежить від концентрації іонів водню, температури, концентрації розчину та передісторії зразка (рис. 3). У бідистильованій воді при 4оС комплекси щільно упаковані і утворюють текстуру, що нагадує паркет. Як відомо, вода за цієї температури має максимальну щільність. При підвищенні температури до 20 про З у структурі води відбуваються істотні зміни: кількість вільних емулонів стає найбільшою. При подальшому нагріванні вони поступово руйнуються, їх кількість зменшується, і цей процес в основному закінчується при 75 про С, коли швидкість звуку у воді досягає максимуму.

За рахунок дальнодії електростатичних сил емулони у воді утворюють досить стабільну надрешітку, яка, проте, чуйно реагує на електромагнітні, акустичні, теплові та інші зовнішні дії.

Виявлені надмолекулярні комплекси несуперечливо включають всі раніше отримані відомості про організацію води в нанооб'ємах і дозволяють пояснити багато експериментальних фактів, які не мали стрункого, логічного обґрунтування. До них відноситься, наприклад, освіта «паряного водяного містка», описаного в ряді робіт.

Суть експерименту полягає в тому, що якщо поставити поруч дві невеликі хімічні склянки з водою, опустити в них платинові електроди під постійною напругою 15-30 кВ, то між судинами утворюється водяна перемичка діаметром 3 мм і довжиною до 25 мм. "Мостик" ширяє тривалий час, має шарувату структуру, і по ньому відбувається перенесення води від анода до катода. Цей феномен і всі його властивості - наслідок наявності у воді емулонів, які, мабуть, мають дипольний момент. Можна передбачити і ще одну властивість явища: при температурі води вище 75 о С "місток" не виникне.

Легко пояснюються і аномальні властивості талої води. Як зазначалося в літературі, багато властивостей талої води - щільність, в'язкість, електропровідність, показник заломлення, здатність, що розчиняє, та інші - відрізняються від рівноважних параметрів. Зведення цих ефектів до видалення з води дейтерію в результаті фазового переходу (температура плавлення «важкого льоду» D 2 O 3,82 про С) неспроможна, оскільки концентрація дейтерію вкрай незначна - один атом дейтерію на 5-7 тис. атомів водню.

Вивчення плавлення льоду методом акустичної емісії дозволило вперше встановити, що після повного розплавлення льоду тала вода, яка перебуває у метастабільному стані, стає джерелом акустичних імпульсів, що є експериментальним підтвердженням утворення у воді надмолекулярних комплексів (рис. 4).

Експерименти показують, що тала вода протягом майже 17 годин може перебувати в активному метастабільному стані (після плавлення льоду його мікрокристаліки зберігаються лише частки секунди і зовсім не визначають властивості талої води). Це загадкове явище пояснюється тим, що при руйнуванні гексагональних кристалічних ґрат льоду різко змінюється структура речовини. Кристали льоду руйнуються швидше, ніж перебудовується у стійкий рівноважний стан утворилася з нього вода.

Унікальність фазового переходу льоду полягає в тому, що в талій воді концентрація іонів водню H + і гідроксилу OH - нетривалий час зберігається нерівноважною, якою вона була в льоду, тобто в тисячу разів меншою, ніж у звичайній воді. Через деякий час концентрація іонів H + та OH – у воді набуває свого рівноважного значення. Оскільки іони водню та гідроксилу відіграють вирішальну роль у формуванні надмолекулярних комплексів води (емулонів), вода на деякий час залишається у метастабільному стані. Реакція її дисоціації H 2 O → H + + OH – вимагає значної витрати енергії та протікає дуже повільно. Константа швидкості цієї реакції становить лише 2,5∙10 –5 c –1 при 20 про З. Тому час повернення талої води у рівноважний стан теоретично має становити 10-17 годин, як і спостерігається практично. Дослідження динаміки зміни концентрації іонів водню в талій воді підтверджують це. Незвичайні властивості талої води спричиняють розмови про «пам'ять» води. Але під «пам'яттю» води слід розуміти залежність її властивостей від передісторії і більше. Можна різними способами - заморожуванням, нагріванням, кип'ятінням, обробкою ультразвуком, впливом різних полів та ін. - Перевести воду в метастабільний стан, але воно буде нестійким, що недовго зберігає свої властивості. Оптичним методом виявили в талій воді присутність лише однієї фракції надмолекулярних утворень з розмірами 1-3 мкм. Можливо, що знижена в'язкість і більш рідкісна просторова сітка з емулонів у талій воді збільшують здатність, що розчиняє, і швидкість дифузії.

Реальність існування емулонів підтверджує класичний метод термічного аналізу (рис. 5). На графіці спостерігаються чітко виражені піки, що свідчать про структурні перебудови у воді. Найбільш значущі відповідають 36 про C - температурі мінімальної теплоємності, 63 про C - температурі мінімальної стисливості, і особливо характерний пік при 75 про C - температурі максимальної швидкості звуку у воді. Їх можна трактувати як своєрідні фазові переходи, пов'язані з руйнуванням емулонів. Це дозволяє зробити висновок: рідка вода - дуже своєрідна дисперсна система, що включає щонайменше п'ять структурних утворень з різними властивостями. Кожна структура існує у певному, характерному для неї температурному інтервалі. Перевищення температури над пороговим рівнем, критичним цієї структури, призводить до її розпаду.

Література

Зацепіна Г. Л. Фізичні властивості та структура води. - М: Вид-во Московського університету. – 1998. – 185 с.

Кузнєцов Д. М., Гапонов В. Л., Смирнов А. Н. Про можливість дослідження кінетики фазових переходів у рідкому середовищі методом акустичної емісії // Інженерна фізика, 2008 № 1, с. 16-20.

Кузнєцов Д. М., Смирнов А. Н., Сироїшкін А. В. Акустична емісія при фазових перетвореннях у водному середовищі // Російський хімічний журнал - М.: Ріс. хім. про-во їм. Д. І. Менделєєва, 2008, т. 52 № 1, с. 114-121.

Структура води: нові експериментальні дані. // Наука та технології у промисловості, 2010, № 4, с. 41-45.

Смирнов А. Н. Акустична емісія при перебігу хімічної реакції та фізико-хімічних процесів // Російський хімічний журнал. - М.: Ріс. хім. про-во їм. Д. І. Менделєєва, 2001, т. 45, с. 29-34.

Смірнов А. Н., Сироїшкін А. В. Супранадмолекулярні комплекси води // Російський хімічний журнал. - М.: Ріс. хім. про-во їм. Д. І. Менделєєва, 2004, т. 48 № 2, с. 125-135.

Подробиці для допитливих

Як виникає «місток»

Освіта «водяного містка» описана у роботах нідерландського фізика Елмара Фукса з колегами.

У дві невеликі ємності з водою, що стоять поруч, занурюють платинові електроди і подають на них постійну напругу 15-20 кВ. На фотографіях з виразно видно, що спочатку в анодній склянці, а потім і в катодному на поверхні води виникають піднесення, які зливаються, утворюючи між ємностями водяну перемичку круглого перерізу діаметром 2-4 мм. Після цього склянки можна відсунути один від одного на 20-25 мм. Перемичка існує досить довго, утворюючи «парячий водяний місток». Уздовж «містка» перетікає вода. Кінці «містка» різноіменно заряджені, тому вода в ємностях набуває різних значень рН: 9 і 4. «Мостик» складається з тонких струмків; при піднесенні до нього зарядженої скляної палички він розщеплюється на кілька рукавів. Висока техніка експерименту дозволила зареєструвати рух кулястих утворень по поверхні «водяного містка».

К.х.н. О.В. Мосін

Молекула води є маленьким дипольом, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. Так як маса і заряд ядра кисню більше ніж у ядер водню, то електронна хмара стягується у бік ядра. При цьому ядра водню "оголюються". Таким чином, електронна хмара має неоднорідну густину. У ядер водню є дефіцит електронної щільності, але в протилежному боці молекули, біля ядра кисню, спостерігається надлишок електронної щільності. Саме така структура визначає полярність молекули води. Якщо з'єднати прямими лініями епіцентри позитивних та негативних зарядів вийде об'ємна геометрична фігура – ​​правильний тетраедр.

Будова молекули води (малюнок праворуч)

Завдяки наявності водневих зв'язків кожна молекула води утворює водневий зв'язок із чотирма сусідніми молекулами, утворюючи ажурний сітчастий каркас у молекулі льоду. Однак у рідкому стані вода – невпорядкована рідина; ці водневі зв'язки - спонтанні, короткоживучі, швидко рвуться і знову утворюються. Все це призводить до неоднорідності у структурі води.

Водневі зв'язки між молекулами води (рисунок нижче зліва)

Те, що вода неоднорідна за складом, було встановлено давно. З давніх-давен відомо, що лід плаває на поверхні води, тобто щільність кристалічного льоду менше, ніж щільність рідини.

Майже у решти речовин кристал щільніше рідкої фази. До того ж після плавлення при підвищенні температури щільність води продовжує збільшуватися і досягає максимуму при 4°C. Менш відома аномалія стисливості води: при нагріванні від точки плавлення до 40°C вона зменшується, а потім збільшується. Теплоємність води також залежить від температури немонотонно.

Крім того, при температурі нижче 30 ° C зі збільшенням тиску від атмосферного до 0,2 ГПа в'язкість води зменшується, а коефіцієнт самодифузії - параметр, який визначає швидкість переміщення молекул води відносно один одного зростає.

Для інших рідин залежність зворотна, і майже ніде немає, щоб якийсь важливий параметр поводився не монотонно, тобто. спочатку зростав, а після проходження критичного значення температури чи тиску зменшувався. Виникло припущення, що насправді вода - це не єдина рідина, а суміш двох компонентів, які відрізняються властивостями, наприклад, щільністю і в'язкістю, а отже, і структурою. Такі ідеї стали виникати наприкінці XIX століття, коли накопичилося багато даних про аномалії води.

Першим ідею про те, що вода складається з двох компонентів, висловив Уайтінг у 1884 році. Його авторство цитує Е.Ф. Фріцман у монографії “Природа води. Тяжка вода”, виданої 1935 року. У 1891 році В. Ренгтен ввів уявлення про два стани води, які відрізняються щільністю. Після неї з'явилося безліч робіт, у яких воду розглядали як суміш асоціатів різного складу (гідролей).

Коли у 20-ті роки визначили структуру льоду, виявилося, що молекули води в кристалічному стані утворюють тривимірну безперервну сітку, в якій кожна молекула має чотирьох найближчих сусідів, які розташовані у вершинах правильного тетраедра. У 1933 році Дж. Бернал та П. Фаулер припустили, що подібна сітка існує і в рідкій воді. Оскільки вода щільніша за льод, вони вважали, що молекули в ній розташовані не так, як у льоду, тобто подібно до атомів кремнію в мінералі тридиміті, а так, як атоми кремнію в більш щільній модифікації кремнезему - кварці. Збільшення густини води при нагріванні від 0 до 4°C пояснювалося присутністю при низькій температурі тридимітової компоненти. Таким чином, модель Бернала – Фаулера зберегла елемент двоструктурності, але головне їх досягнення – ідея безперервної тетраедричної сітки. Тоді з'явився знаменитий афоризм І. Ленгмюр: "Океан - одна велика молекула". Зайва конкретизація моделі не додала прихильників теорії єдиної сітки.

Тільки в 1951 році Дж. Попл створив модель безперервної сітки, яка була не така конкретна, як модель Бернала - Фаулера. Попл представляв воду як випадкову тетраедричну сітку, зв'язки між молекулами в якій викривлені та мають різну довжину. Модель Попла пояснює ущільнення води під час плавлення викривленням зв'язків. Коли у 60–70-ті роки з'явилися перші визначення структури льодів II і IX, зрозуміли, як викривлення зв'язків може призводити до ущільнення структури. Модель Попла не могла пояснити немонотонність залежності властивостей води від температури та тиску так добре, як моделі двох станів. Тому ідею двох станів ще довго розділяли багато вчених.

Але у другій половині XX століття не можна було так фантазувати про склад та будову „гідролей“, як це робили на початку століття. Вже було відомо, як влаштований лід та кристалогідрати, і багато що знали про водневий зв'язок. Крім „континуальних“ моделей (модель Попла), виникли дві групи „змішаних“ моделей: кластерні та клатратні. У першій групі вода поставала у вигляді кластерів із молекул, пов'язаних водневими зв'язками, які плавали в морі молекул, які в таких зв'язках не беруть участь. Моделі другої групи розглядали воду як безперервну сітку (зазвичай у цьому контексті звану каркасом) водневих зв'язків, що містить порожнечі; у яких розміщуються молекули, які утворюють зв'язків із молекулами каркаса. Неважко було підібрати такі властивості та концентрації двох мікрофаз кластерних моделей або властивості каркасу та ступінь заповнення його порожнеч клатратних моделей, щоб пояснити всі властивості води, у тому числі й знамениті аномалії.

Серед кластерних моделей найбільш яскравою виявилася модель Г. Неметі та Х. Шерагі.: Запропоновані ними картинки, що зображують кластери пов'язаних молекул, які плавають у морі незв'язаних молекул, увійшли до безлічі монографій.

Першу модель клатратного типу 1946 року запропонував О.Я. Самойлов: у воді зберігається подібна до гексагонального льоду сітка водневих зв'язків, порожнини якої частково заповнені мономерними молекулами. Л. Полінг у 1959 році створив інший варіант, припустивши, що основою структури може служити сітка зв'язків, властива деяким кристалогідратам.

Протягом другої половини 60-х і початку 70-х спостерігається зближення всіх цих поглядів. З'являлися варіанти кластерних моделей, у яких обох мікрофазах молекули з'єднані водневими зв'язками. Прихильники клатратних моделей стали допускати утворення водневих зв'язків між пустотними та каркасними молекулами. Тобто, фактично автори цих моделей розглядають воду як безперервну сітку водневих зв'язків. І йдеться про те, наскільки неоднорідна ця сітка (наприклад, за щільністю). Уявленням про воду як про воднево-пов'язані кластери, що плавають у морі позбавлених зв'язків молекул води, було покладено край на початку вісімдесятих років, коли Г. Стенлі застосував до моделі води теорію перколяції, що описує фазові переходи води.

У 1999 р. відомий російський дослідник води С.В. Зенін захистив в Інституті медико-біологічних проблем РАН докторську дисертацію, присвячену кластерній теорії, яка стала суттєвим етапом у просуванні цього напряму досліджень, складність яких посилюється тим, що вони перебувають на стику трьох наук: фізики, хімії та біології. Їм на підставі даних, отриманих трьома фізико-хімічними методами: рефрактометрії (С.В. Зенін, Б.В. Тяглов, 1994), високоефективної рідинної хроматографії (С.В. Зенін з співавт., 1998) та протонного магнітного резонансу (С .В.Зенін, 1993) побудовано та доведено геометричну модель основного стабільного структурного утворення з молекул води (структурована вода), а потім (С.В. Зенін, 2004) отримано зображення за допомогою контрастно-фазового мікроскопа цих структур.

Зараз наукою доведено, що особливості фізичних властивостей води та численні короткоживучі водневі зв'язки між сусідніми атомами водню і кисню в молекулі води створюють сприятливі можливості для утворення особливих структур-асоціатів (кластерів), які сприймають, зберігають і передають різноманітну інформацію.

Структурною одиницею такої води є кластер, що складається з клатратів, природа яких зумовлена ​​далекими кулонівськими силами. У структурі кластрів закодована інформація про взаємодії, що мали місце із даними молекулами води. У водних кластерах рахунок взаємодії між ковалентними і водневими зв'язками між атомами кисню і атомами водню може відбуватися міграція протона (Н+) по естафетному механізму, що призводять до делолизации протона межах кластера.

Вода, що складається з багатьох кластерів різних типів, утворює ієрархічну просторову рідкокристалічну структуру, яка може сприймати і зберігати величезні обсяги інформації.

На малюнку (В.Л. Воєйков) як приклад наведено схеми кількох найпростіших кластерних структур.

Деякі можливі структури кластерів води

Переносниками інформації можуть бути фізичні поля різної природи. Так встановлено можливість дистанційної інформаційної взаємодії рідкокристалічної структури води з об'єктами різної природи за допомогою електромагнітних, акустичних та інших полів. Об'єктом, що впливає, може бути і людина.

Вода є джерелом надслабкого та слабкого змінного електромагнітного випромінювання. Найменш хаотичне електромагнітне випромінювання створює структурована вода. У такому разі може статися індукція відповідного електромагнітного поля, що змінює структурно-інформаційні характеристики біологічних об'єктів.

Протягом останніх років отримано важливі дані щодо властивостей переохолодженої води. Вивчати воду за низької температури дуже цікаво, оскільки її вдається сильніше переохолодити, ніж інші рідини. Кристалізація води, як правило, починається на якихось неоднорідностях - або на стінках судини, або на частинках плаваючих твердих домішок. Тому знайти температуру, коли б переохолоджена вода мимоволі закристалізувалася нелегко. Але вченим вдалося це зробити, і зараз температура так званої гомогенної нуклеації, коли утворення кристалів льодів йде одночасно по всьому об'єму, відома для тисків аж до 0,3 ГПа, тобто захоплюючи існують льоду II.

Від атмосферного тиску до межі, що поділяє криги I і II, ця температура падає від 231 до 180 К, а потім трохи збільшується - до 190К. Нижче за цю критичну температуру рідка вода неможлива в принципі.

Структура льоду (рисунок праворуч)

Однак із цією температурою пов'язана одна загадка. В середині вісімдесятих років була відкрита нова модифікація аморфного льоду - лід високої щільності, і це допомогло відродженню уявлень про воду як суміш двох станів. Як прототипи розглядалися не кристалічні структури, а структури аморфних льодів різної щільності. У найвиразнішому вигляді цю концепцію сформулювали Є.Г. Понятовський та В.В. Сініцин, які у 1999 року написали: „Вода сприймається як регулярний розчин двох компонентів, локальні зміни у яких відповідають ближньому порядку модифікацій аморфного льоду“. Більше того, вивчаючи ближній порядок у переохолодженій воді при високому тиску методами дифракції нейтронів, вченим вдалося знайти компоненти, що відповідають цим структурам.

Наслідком поліморфізму аморфних льодів стали також припущення про розшарування води на два компоненти, що не змішуються, при температурі нижче гіпотетичної низькотемпературної критичної точки. На жаль, за оцінкою дослідників, ця температура при тиску 0,017 ГПа дорівнює 230К - нижче за температуру нуклеації, тому спостерігати розшарування рідкої води нікому ще не вдалося. Так відродження моделі двох станів порушило питання про неоднорідність сітки водневих зв'язків у рідкій воді. Розібратися в цій неоднорідності можна лише за допомогою комп'ютерного моделювання.

Говорячи про кристалічну структуру води, слід зазначити, що відомо 14 модифікацій льоду,більшість з яких не зустрічаються в природі, в яких молекули води зберігають свою індивідуальність, і з'єднані водневими зв'язками. З іншого боку, існує безліч варіантів сітки водневих зв'язків у клатратних гідратах. Енергії цих сіток (льодів високого тиску та клатратних гідратів) ненабагато вищі за енергії кубічного та гексагонального льодів. Тому фрагменти таких структур можуть з'являтися в рідкій воді. Можна сконструювати безліч різних неперіодичних фрагментів, молекули в яких мають по чотири найближчих сусіди, розташованих приблизно по вершинах тетраедра, але при цьому їх структура не відповідає структурам відомих модифікацій льоду. Як показали численні розрахунки, енергії взаємодії молекул у таких фрагментах будуть близькими один до одного, і немає підстав говорити, що якась структура має переважати в рідкій воді.

Структурні дослідження води можна вивчати різними методами;спектроскопією протонного магнітного резонансу, інфрачервоної спекроскопії, дифракцією рентгенівських променів та ін. Наприклад, дифракцію рентгенівських променів та нейтронів у воді вивчали багато разів. Проте докладних відомостей структурі ці експерименти дати що неспроможні. Неоднорідності, які різняться по щільності, можна було побачити по розсіянню рентгенівських променів і нейтронів під малими кутами, проте такі неоднорідності мають бути великими, які з сотень молекул води. Можна було їх побачити, і досліджуючи розсіяння світла. Однак вода – виключно прозора рідина. Єдиний результат дифракційних експериментів - функції радіального розподілу, тобто відстані між атомами кисню, водню і кисню-водню. З них видно, що ніякого далекого порядку розташування молекул води немає. Ці функції води загасають набагато швидше, ніж більшість інших рідин. Наприклад, розподіл відстаней між атомами кисню при температурі, близькій до кімнатної, дає лише три максимуми, на 2,8, 4,5 та 6,7 Å. Перший максимум відповідає відстані до найближчих сусідів, та його значення приблизно дорівнює довжині водневого зв'язку. Другий максимум близький до середньої довжини ребра тетраедра - пригадаємо, що молекули води в гексагональному льоду розташовуються по вершинах тетраедра, описаного навколо центральної молекули. А третій максимум, виражений дуже слабко, відповідає відстані до третіх і більш далеких сусідів водневою сіткою. Цей максимум і сам не дуже яскравий, а про подальші піки й казати не доводиться. Були спроби отримати більш детальну інформацію з цих розподілів. Так було в 1969 року І.С. Андріанов та І.З. Фішер знайшли відстані аж до восьмого сусіда, при цьому до п'ятого сусіда воно дорівнювало 3 Å, а до шостого - 3,1 Å. Це дозволяє робити дані про дальнє оточення молекул води.

Інший метод дослідження структури – нейтронна дифракція на кристалах води здійснюється так само, як і рентгенівська дифракція. Однак через те, що довжини нейтронного розсіювання різняться у різних атомів менш сильно, метод ізоморфного заміщення стає неприйнятним. Насправді зазвичай працюють із кристалом, у якого молекулярна структура вже приблизно встановлена ​​іншими методами. Потім для цього кристала вимірюють інтенсивність нейтронної дифракції. За цими результатами проводять перетворення Фур'є, у ході використовують виміряні нейтронні інтенсивності і фази, обчислювані з урахуванням неводневих атомів, тобто. атомів кисню, становище яких у моделі структури відоме. Потім отриманої в такий спосіб фурье-карте атоми водню і дейтерію представлені з набагато більшими вагами, ніж карті електронної щільності, т.к. Внесок цих атомів у нейтронне розсіювання дуже великий. За цією картою щільності можна, наприклад, визначити положення атомів водню (негативна щільність) та дейтерію (позитивна щільність).

Можливий різновид цього методу, який полягає в тому, що кристал, що утворився у воді, перед вимірами витримують у важкій воді. У цьому випадку нейтронна дифракція не тільки дозволяє встановити, де розташовані атоми водню, але й виявляє ті з них, здатні обмінюватися на дейтерій, що особливо важливо для вивчення ізотопного (H-D)-обміну. Така інформація допомагає підтвердити правильність встановлення структури.

Інші методи дозволяють вивчати динаміку молекул води. Це експерименти з квазіпружного розсіювання нейтронів, надшвидкої ІЧ-спектроскопії та вивчення дифузії води за допомогою ЯМР або мічених атомів дейтерію. Метод ЯМР-спектроскопії заснований на тому, що ядро ​​атома водню має магнітний момент – спин, що взаємодіє з магнітними полями, постійними та змінними. По спектру ЯМР можна будувати висновки, у якому оточенні ці атоми і ядра перебувають, отримуючи, в такий спосіб, інформацію про структуру молекули.

В результаті експериментів з квазіпружного розсіювання нейтронів у кристалах води було виміряно найважливіший параметр - коефіцієнт самодифузії при різних тисках і температурах. Щоб судити про коефіцієнт самодифузії за квазіпружним розсіюванням нейтронів, необхідно зробити припущення про характер руху молекул. Якщо вони рухаються відповідно до моделі Я.І. Френкеля (відомого вітчизняного фізика-теоретика, автора "Кінетичної теорії рідин" - класичної книги, перекладеної багатьма мовами), званої також моделлю "стрибок-очікування", тоді час "оседлого" життя (час між стрибками) молекули становить 3,2 пікосекунди . Нові методи фемтосекундної лазерної спектроскопії дозволили оцінити час життя розірваного водневого зв'язку: протону потрібно 200 фс для того, щоб знайти партнера. Однак усе це середні величини. Вивчити деталі будови та характеру руху молекул води можна лише за допомогою комп'ютерного моделювання, що називається іноді чисельним експериментом.

Так виглядає структура води за наслідками комп'ютерного моделювання (за даними д.х.н. Г. Г. Маленкова). Загальну безладну структуру можна розбити на два типи областей (показані темними та світлими кульками), які різняться за своєю будовою, наприклад за обсягом багатогранника Вороного (а), ступенем тетраедричності найближчого оточення (б), значенням потенційної енергії (в), а також за наявності чотирьох водневих зв'язків у кожної молекули (г). Втім, ці області буквально за мить, через кілька пікосекунд, змінять своє розташування.

Моделювання проводиться так. Береться структура льоду і нагрівається до розплавлення. Потім після деякого часу, щоб вода "забула" про кристалічне походження, знімаються миттєві мікрофотографії.

Для аналізу структури води вибираються три параметри:
- ступінь відхилення локального оточення молекули від вершин правильного тетраедра;
-Потенційна енергія молекул;
-Обсяг так званого багатогранника Вороного.

Щоб побудувати цей багатогранник, беруть ребро від даної молекули до найближчої, ділять його навпіл і через цю точку проводять площину перпендикулярну ребру. Виходить обсяг, що припадає на одну молекулу. Обсяг поліедра – це щільність, тетраедричність – ступінь спотворення водневих зв'язків, енергія – ступінь стійкості конфігурації молекул. Молекули з близькими значеннями кожного з цих параметрів прагнуть згрупуватися разом окремі кластери. Області як з низькою, так і з високою щільністю мають різні значення енергії, але можуть мати і однакові значення. Експерименти показали, що з різною будовою кластери виникають спонтанно і спонтанно розпадаються. Вся структура води живе і постійно змінюється, причому час, за який відбуваються ці зміни, дуже короткий. Дослідники стежили за переміщеннями молекул і з'ясували, що вони здійснюють нерегулярні коливання із частотою близько 0,5 пс та амплітудою 1 ангстрем. Спостерігалися також рідкісні повільні стрибки на ангстреми, які тривають пікосекунди. Загалом за 30 пс молекула може зміститися на 8-10 ангстрем. Час життя локального оточення теж невеликий. Області, складені з молекул з близькими значеннями обсягу багатогранника Вороного, можуть розпастись за 0,5 пс, а можуть жити й кілька пікосекунд. А ось розподіл часів життя водневих зв'язків дуже великий. Але цей час вбирається у 40 пс, а середнє значення - кілька пс.

На закінчення слід наголосити, що теорія кластерної будови води має багато підводних каменів.Наприклад, Зенін припускає, що основний структурний елемент води - кластер із 57 молекул, утворений злиттям чотирьох додекаедрів. Вони мають спільні грані, які центри утворюють правильний тетраедр. Те, що молекули води можуть розташовуватися на вершинах пентагонального додекаедра, відомо давно; такий додекаедр – основа газових гідратів. Тому нічого дивного у припущенні про існування таких структур у воді немає, хоча вже говорилося, що жодна конкретна структура не може бути переважаючою та існувати довго. Тому дивно, що цей елемент передбачається головним і що до нього входить рівно 57 молекул. З кульок, наприклад, можна збирати такі ж структури, які складаються з додекаедрів, що примикають один до одного, і містять 200 молекул. Зенін стверджує, що тривимірної полімеризації води зупиняється на 57 молекулах. Більших асоціатів, на його думку, не повинно бути. Однак якби це було так, з водяної пари не могли б осаджуватися кристали гексагонального льоду, які містять величезну кількість молекул, пов'язаних водневими зв'язками. Цілком незрозуміло, чому зростання кластера Зеніна зупинилося на 57 молекулах. Щоб уникнути протиріч, Зенін і упаковує кластери у складніші освіти - ромбоедри - майже тисячі молекул, причому вихідні кластери друг з одним водневих зв'язків не утворюють. Чому? Чим молекули на поверхні відрізняються від тих, що всередині? На думку Зеніна, візерунок гідроксильних груп лежить на поверхні ромбоедрів і забезпечує пам'ять води. Отже, молекули води у цих великих комплексах жорстко фіксовані, і самі комплекси є твердими тілами. Така вода не тектиме, а температура її плавлення, яка пов'язана з молекулярною масою, повинна бути дуже високою.

Які властивості води пояснює модель Зеніна? Оскільки в основі моделі лежать тетраедричні споруди, її можна у тій чи іншій мірі узгодити з даними щодо дифракції рентгенівських променів та нейтронів. Однак навряд чи модель може пояснити зменшення густини при плавленні - упаковка додекаедрів менш щільна, ніж лід. Але найважче узгоджується модель з динамічними властивостями – плинністю, великим значенням коефіцієнта самодифузії, малими часами кореляції та діелектричної релаксації, що вимірюються пікосекундами.

К.х.н. О.В. Мосін

Список літератури:
Г.Г. Маленків. Успіхи фізичної хімії, 2001
С.В.Зенін, Б.М. Полануєр, Б.В. Тяглів. Експериментальний доказ наявності фракцій води. Ж. Гомеопатична медицина та акупунктура. 1997. №2.С.42-46.
С.В. Зенін, Б.В. Тяглів. Гідрофобна модель структури асоціатів молекул води. Ж.Фіз.хіміі.1994.Т.68.№4.С.636-641.
С.В. Зенін Дослідження структури води шляхом протонного магнітного резонансу. Докл.РАН.1993.Т.332.№3.С.328-329.
С.В.Зенін, Б.В.Тяглов. Природа гідрофобної взаємодії. Виникнення орієнтаційних полів у водних розчинах. Ж.Фіз.хіміі.1994.Т.68.№3.С.500-503.
С.В. Зенін, Б.В. Тяглов, Г.Б.Сергєєв, З.А. Шабарова. Дослідження внутрішньомолекулярних взаємодій у нуклеотидамідах методом ЯМР. Матеріали 2-ї Всесоюзної конф. За динаміч. Стереохімії. Одеса.1975.с.53.
С.В. Зенін. Структурований стан води як основа управління поведінкою та безпекою живих систем. Дисертація. Доктор біологічних наук. Державний науковий центр «Інститут медико-біологічних проблем» (ДНЦ «ІМБП»). Захищена 1999. 05. 27. УДК 577.32: 57.089.001.66.207 с.
В.І. Слєсарєв. Звіт про виконання НДР

Зміст:Необхідно розрізняти, з одного боку, воду і, з іншого розчинені в ній речовини, що зумовлюють хімічний склад і мінералізацію води. Геологічні долі розчинника та розчиненої речовини можуть йти своїми, відокремленими шляхами. Вода найчастіше потрапляє в земну кору та з атмосфери, а розчинена речовина запозичується в основному з гірських порід та ґрунтів. Візьмемо воду в чистому вигляді, без солей, і розглянемо ті її особливості будови та властивості, від яких залежить здатність розчиняти, води.

Склад води.Вода - хімічна сполука кисню та водню, яку прийнято позначати формулою Н 2 О. Насправді вода має складніший склад. Звичайна молекулярна вага води 18, але зустрічаються молекули з молекулярною вагою 19, 20, 21, 22. Ці молекули складаються з більш важких атомів водню і кисню, що мають атомні ваги відповідно більше 1 і 16, У водню два стабільні ізотопи: протий (Н) та дейтерій (D); відношення Н: D = 6800. Крім того, відомий тритій (Т) - радіоактивний ізотоп із періодом напіврозпаду 12,5 років. У кисню три стабільні ізотопи: О 16 , О 17 , О 18. Молекули води можуть складатися з різних стійких ізотопів Н 2 О 16 , НDO 16 , D 2 О 16 , Н 2 О 18 , НDO 18 , D 2 О 18 , Н 2 Про 17 , НDO 18 , D 2 Про 17 .

Ізотопний різновид води, в якій протий заміщений дейтерієм, називається важкою водою. Однак у природі досі не відкрито власне легку, ні важку воду. Важку воду в даний час готують штучно у великих кількостях для різних технічних цілей.

Особливий геохімічний та практичний інтерес становить дейтерії (D). Електронна оболонка атома дейтерію, як і і протия, складається з одного електрона, але нею ядро ​​- дейтон- приблизно вдвічі важче і з двох частинок - протона і нейтрона. Дейтерій застосовується у сучасної ядерної техніки як вибухова речовина. У майбутньому він використовуватиметься як пальне у термоядерних енергетичних установках. Запаси термоядерної енергії дейтерію, наявні у воді земних океанів, приблизно сто мільйонів перевищують запаси енергії викопного палива (вугілля, нафти, газу, торфу).

Різні генезису природні води мають неоднаковий ізотопний склад. Однією з головних причин, що створюють диференціацію ізотопів у природних водах, є процес випаровуванняПружність парів важкої води дещо нижча пружності парів звичайної, а оскільки процес випаровування є основним фактором кругообігу води, то збагачення вод важкими ізотопами в місцях випаровування і збіднення ними в місцях конденсації може викликати помітну різницю в щільності води.


Встановлено таку закономірність розподілу ізотопів водню в поверхневих та атмосферних водах:

1. Прісні поверхневі води річок, озер та інших водойм, що наповнюються головним чином за рахунок атмосферних опадів, містять дейтерію менше, ніж океанічні води.

2 Ізотопний склад прісних поверхневих вод визначається фізико-географічними умовами їх знаходження.

Будова води.Ще в двадцятих роках ХХ століття на основі вчення про полярну структуру молекул води було розроблено найпростіші уявлення про асоціацію молекул у рідкій воді як результат взаємодії диполів. Ці уявлення полягають у наступному.

Однією з особливостей будови молекули води є несиметричне розташування атомів водню навколо атома кисню вони розташовані не прямою, проведеною через центр атома кисню, а під деяким кутом (рис 1). Центри ядер атомів водню розташовані на відстань 0,95 від центру атома кисню. Кут між лініями, що з'єднують центри атомів кисню та водню, дорівнює 105 0 . Зв'язок між атомами кисню та водню в молекулі води здійснюється електронами. Внаслідок несиметричності розподілу електричних зарядів молекула води має полярність, тобто. має два полюси - позитивний і негативний, які так само, як і магніт, створюють навколо неї силові нулі.

Таким чином, для молекул води характерно дипольне: будова (диполі). Їх зображують у вигляді овалів, полюси яких мають протилежні за знаком електричні заряди. При достатньому зближенні молекули води починають діяти одна на одну своїми силовими нулями . У цьому позитивно заряджений полюс однієї молекули притягує негативно заряджений полюс інший. В результаті можуть вийти агрегати з двох, трьох і, мабуть, більше молекул (рис. 2).

Такі угруповання молекул води називаються дигідроліями (Н 2 О) 2 і тригідролі (Н 2 О) .Отже, у воді одночасно присутні одиночні (моногідролі), подвійні потрійні молекули . Зміст їх змінюється залежно від температури. У льоду домінують потрійні молекули, що мають найбільший об'єм.. При підвищенні температури швидкість молекул зростає, і сили тяжіння між молекулами виявляються недостатніми для їх утримання один біля одного. . У рідкому стані вода представляє суміш дигідролей, тригдролів і моногдролів. У міру збільшення температури потрійні та подвійні молекули розпадаються, і при 10О°С вода складається головним чином моногідролей.

Хімічно чиста вода має низку властивостей, що різко відрізняють її від інших природних тіл.

1. При нагріванні води від 0 до 4°С об'єм води не збільшується, а зменшується, і максимальна щільність її досягається не в точці замерзання (0 0 С), а при 4 0 (точніше 3,98 0).

2. Вода при замерзанні розширюється, а чи не стискається, як й інші тіла, щільність її зменшується.

3. Температура замерзання води зі збільшенням тиску знижується, а не підвищується, як це слід очікувати.

4. Питома теплоємність води надзвичайно велика проти теплоємністю інших тіл.

5. Внаслідок високої діелектричної постійної вода має більшу розчинну та дисоціуючу здатність, ніж інші рідини.

6. Вода має найбільший поверхневий натяг з усіх рідин - 75 ерг/см 2 (гліцерин - 65, аміак - 42, а всі інші нижче 30 ерг/см 2),за винятком ртуті - 436 ерг/см 2 .

Поверхневий натяг і щільність визначають висоту, яку може піднятися рідина в капілярної системі при фільтруванні через пористі середовища.

Причина перерахованих аномальних властивостей води полягає у особливостях будови її молекул.

Вода як розчинник.Якщо помістити воду в зовнішнє електричне поле, то молекули її йод дією поля прагнуть розташуватися в просторі так, як показано на

Це називається орієнтаційної поляризацією, якою володіють речовини з полярними молекулами. Висока полярність молекул води одна із найважливіших причин її високої активності при багатьох хімічних взаємодіях. Вона ж спричиняє і електролітичну дисоціацію у воді, солях, кислотах і підставі. З нею пов'язана також розчинність електролітів у воді.

Розчинення є як фізичний, а й хімічний процес. Розчини утворюються шляхом взаємодії частинок розчиненої речовини з частинками розчинника. Вода має здатність розчиняти багато речовин, т. е. давати із нею однорідні фізико-хімічні системи змінного складу (розчини). Розчинені в природних водах солі знаходяться: переважно в дисоційованому стані, у вигляді іонів. У твердому кристалічному стані іонні сполуки складаються із закономірно розташованих позитивних та негативних іонів. Молекули у цьому випадку відсутні. Так, наприклад, у галиті, як ця визначено рентгенівським структурним аналізом, кожен іон Na + оточений шістьма іонами С1 - , а кожен нон С1 оточений шістьма іонами натрію. Іони взаємодіють між собою, вони притягують один одного (іонний зв'язок).

У чому полягає механізм розчинення? Молекули води в силу особливостей своєї будови і силового поля, що виникає через це навколо них, мають здатність притягувати молекули інших речовин. . Процес розчинення полягає саме у взаємодії частинок речовини, що розчиняється, з частинками води. При зіткненні з водою якоїсь солі нони, що утворюють її кристалічні грати, будуть притягуватися протилежно зарядженими частинками молекул води.Наприклад, при зануренні у воду кристалів галіту іон натрію (катіон) буде притягуватися негативним полюсом, а іон хлору (аніон) - позитивним полюсом молекули води (рис. 4). ). Щоб іони кристалічних ґрат відірвалися один від одного і перейшли в розчин, необхідно подолати силу тяжіння цих ґрат. При розчиненні солей такою силою є тяжіння іонів решітки молекулами води, що характеризується так званою енергією гідратації. Якщо при цьому енергія гідратації буде порівняно з енергією кристалічних ґрат досить велика, іони будуть відірвані від останньої і перейдуть в розчин.

Залежно від природи речовини за її розчиненні зазвичай відбувається виділення чи поглинання тепла. Іони розчиненої речовини притягують і утримують навколо себе певну кількість молекул води, які утворюють оболонку, звану гпдратною. Таким чином, у водному розчині іони є гідратованими, тобто хімічно пов'язаними з молекулами води

При кристалізації багатьох солей частина гідратної води захоплюється кристалічними ґратами. Подібну кристалізаційну воду містить гіпс СаSO 4 * 2H 2 O, мірабіліт Na 2 SO 4 * 10H 2 O, бішофіт MgCl 2 * 6H 2 O, астраханіт Na 2 SO 4 * MgSO 4 * 4H 2 O, сода Na 2 С 3 * 10H2 . Кристалічні речовини, що містять молекули води, називаються кристалогідратами.

Сильні електроліти при розчиненні у питній воді повністю дисоціюють на іони. До них відносяться майже всі солі, багато мінеральних кислот, основи лужних і лужноземельних металів. Дисоціація сильного електроліту, наприклад, NаС1, зображується рівнянням

NаС1 Nа + +С1 -

У кристалі галіту немає молекул NаС1. При розчиненні кристалічна структура руйнується, іони гідратовані переходять в розчин. Молекули у розчині відсутні. Тому лише умовно можна говорити про недисоційовані молекули розчинів сильних електролітів. Це радше будуть іонні пари (Nа + +С1 -), тобто.

що знаходяться близько один біля одного протилежно заряджені іони (що зблизилися до відстані, що дорівнює сумі радіусів іонів). Це нібито недисоційовані молекули, або, як їх називають, квазімозолули.

Слабкі електроліти при розчиненні у воді лише частково дисоціюють на іони. До них відносяться майже всі органічні кислоти, деякі мінеральні кислоти, наприклад Н 2 СО, Н 2 S, Н 2 SіО 3 багато підстав металів. До слабких електролітів належить вода.

Крім електролітів в розчині знаходяться і неелектроліти, молекули яких хоч і мають гідратну оболонку, але настільки міцні, що не розпадаються на іони (О 2 , N 2).

Залежно від величини частинок розчиненого речовини розрізняють справжні та колоїдні розчини. Розчини називають істинними, коли розчинена речовина знаходиться в них у іонізованому стані. В іонному розчині за принципом елктронейтральності завжди містяться рівні кількості еквівалентів катіонів та аніонів. У природних умовах іонні розчини утворюються під час розчинення простих солей.

Колоїдні називаються такі розчини, в яких речовина знаходиться не в іонізованому стані, а у вигляді груп молекул, так званих «колоїдних частинок». Розміри частинок у колоїдних розчинах лежать, приблизно, в межах від 10 до 2000 А. У стійких колоїдних розчинах частинки в більшості випадків несуть електричні заряди різні за величиною, але однакові за знаком для всіх частинок даної колоїдної системи. Колоїдні розчини називаються золями. Золі здатні переходити гелі, тобто. перетворюватися на студнеобразные маси внаслідок укрупнення колоїдних частинок (процес коагуляції).

У природі колоїдні розчини можуть бути органічними та неорганічними. Останні утворюються переважно при гідролітичному розщепленні різних силікатів. Силікати при гідролізі виділяють основи, що укладаються в них (лужні і лужноземельні метали), що дають початок істинним розчинам. Але, крім того, при гідролізі в розчин переходять кремній, залізо, алюміній та інші метали, що утворюють здебільшого колоїдні розчини.

Багато речовин вступають із водою у реакцію обмінного розкладання, звану гидролизом. При гідролізі має місце зсув рівноваги дисоціації води Н О Н + ВІН за рахунок зв'язування одного з її іонів іонами розчиненої речовини з утворенням малодисоційованого або важкорозчинного продукту. Отже, гідроліз - це хімічна взаємодія іонів розчиненої солі з водою, що супроводжуються зміною реакції середовища.Зважаючи на оборотність гідролізу рівновагу цього процесу залежить від усіх тих фактрів, які взагалі впливають на рівновагу іонного обміну. Зокрема, воно сильно (іноді практично націло) зрушується у бік розкладання солі, якщо продукти останнього (найчастіше у вигляді основних солей) важкорозчинні.

У природі явище гідролізу відіграють велику роль. Наприклад, основною хімічною формою вивітрювання мінералів магматичних пород є гідроліз.

Розчинність солей.У воді можуть розчинятися тверді, рідкі та газоподібні речовини. За розчинністю у воді всі речовини поділяються на три групи: 1) добре розчинні, 2) погано розчинні та 3) практично не розчинні. Необхідно наголосити, що абсолютно нерозчинних речовин немає.

Мінералізацію природних вод створюють зазвичай деякі прості солі: хлориди, сульфіди, гідрокарбонати натрію, магнію, кальцію.

У кристалі галіту немає молекул NaCl. При розчиненні кристалічна структура руйнується, іони гідратовані переходять в розчин. Молекули у розчині відсутні. Тому лише умовно можна говорити про недисоційовані молекули розчинів сильних електролітів. Це іонні пари (Na + Cl ), тобто. що знаходяться близько один від одного протилежно заряджені іони. Це недисоційовані молекули, а квазімозолули.

Слабкі електроліти при розчиненні у воді лише частково дисоціюють на іони. До них відносяться майже всі органічні кристали, деякі мінеральні кислоти, наприклад Н СО, Н S, Н SiO багато підстави металів. До слабких електролітів належить вода.

Крім електролітів в розчині знаходяться і неелектроліти, молекули яких хоч і мають гідратну оболонку, але настільки міцні, що не розпадаються на іони (О, N).

Залежно від величини частинок розчиненої речовини розрізняють справжні та колоїдні розчини. Розчини називають істинними, коли розчинена речовина перебуває у них іонізованому стані.

Розчинність твердих речовин у воді залежить не тільки від їхньої хімічної природи, а й від температури, тиску та від наявності в ній газів та домішок.

Розчинність хлористого натрію мало змінюється при підвищенні температури від 60°С (зміна розчинності дано в г на 100 мг води). Розчинність карбонату і сульфату натрію сильно зростає.

На розчинність кремнекислоти температура дуже впливає. В системі кремнекислота - вода, вивчена в інтервалі від 0 до 200 °, залежність розчинності від температури носить лінійний характер. У нормальних умовах розчинність кремнекислоти дуже низька.

До солей, що знижують свою розчинність зі зростанням температури, відноситься Са SO 4 .

Як відомо, розчинність цієї солі зменшується в присутності іншої солі, що має з нею однойменний іон, і, навпаки, підвищується, якщо в розчині знаходяться неодноємні іони. Наприклад, межі розчинності СаSO 4 у присутності різних солей сильно змінюються. За наявності у розчині великої кількості хлористого натрію (порядку 100 г/л) розчинність СаSO 4 досягає 5-6 г/л

З найголовніших солей найнижча розчинність у карбонатів лужних земель, але вона збільшується в кілька разів, якщо вода містить двоокис вуглецю (СО 2) Розчин йде за схемою:

СаСО 3 + Н 2 Про + СО 2 Са(НСО 3) 2 Са ++ +2НСО 3;

MgСО 3 + Н 2 Про + СО 2 Mg(НСО 3) 2 Mg ++ +2НСО 3 .

Ці реакції мають оборотний характер і протікають до настання певної рівноваги. В результаті зазначених реакції у воді з'являються гідрокарбонати кальцію та магнію. Слід зазначити, що ні гідрокарбонатів кальцію, ні гідрокарбонатів магнію у твердому вигляді немає. Мінералізація широко поширених у природі гідрокарбонатних магнієво-кальцієвих вод зазвичай сягає 500-600 мг/л.У присутності великих кількостей 2 розчинність Са(НСО 3) 2 і Mg(НСО 3) 2 може перевищувати 1 г/л (вуглекислі мінеральні води).

При збільшенні температури розчинність гідрокарбонатів кальцію н магнію сильно зменшується і при 100° падає до 0. При високій температурі ці солі розкладаються з виділенням 2 і випаданням карбонатів в осад

Са(НСО 3) 2 → СаСО 3+Н 2 Про+СО 2;

Mg(НСО 3) 2 → MgСО 3+Н 2 Про+СО 2;

Звідси випливає, що гідрокарбонатні кальцієві та магнієві води в глибинних умовах існувати не можуть, а отже, і не існують такого складу термальні води.

Збагачення вод солями відбувається не тільки шляхом простого розчинення. Природні розчини утворюються також при гідролітичному розщепленні деяких мінералів. До мінералів, безпосередньо у воді нерозчинних, але здатних гідролітично розщеплюватися, відносяться різні силікати-алюмосилікати, феросилікати та ін, - складові 75% всіх мінералів земної кори. Під впливом води та вуглекислоти при вивітрюванні силікати віддають у розчин основи Na+, K+, Ca++, Mg++. Зазначені основи утворюють, з'єднуючись з СО 2 , вуглекислі та двовуглекислі солі або, за відповідних умов, сульфатні н хлоридні солі.

Основна література:ОЛ 1 .

додаткова література: ДЛ 5,7.

Контрольні питання:

1. Назвіть основні природні ізотопи?

2. Які особливі властивості води?

3. Як відбувається процес розчинення галіту?

4.Речовини по розчинності як поділяються і називаються?