Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
Иную структуру имеет лед. В ней каждый атом кислорода молекулы воды находится в центре тетраэдра, образуемого четырьмя атомами кислорода соседних молекул (рис. 1.4). При этом каждая молекула воды соединена водородными связями с четырьмя ее ближайшими соседями, находящимися в вершинах тетраэдра: две связи H—О направлены в сторону иеподе-ленных пар электронов атома кислорода у двух соседних молекул, образуя две водородные связи О... H—О. И каждая неподеленная пара электронов атома кислорода направлена к связям H—О двух других соседних молекул воды, образуя еще две водородные связи О...H—О. Таким образом, структура льда представляет собой тетраэдрическую ажурную решетку. Расстояния между атомами кислорода в этой решетке больше размера единичной молекулы (0,3 и 0,1- нм), что обусловливает наличие пустот и каналов. При таянии льда и последующем повышении температуры такая «льдистая» структура постепенно разрушается и наряду с частично сохранившимся каркасом появляются неупорядоченные молекулы воды, которые могут заполнить пустоты. При этом энергии затрачивается значительно меньше, чем при испарении воды, так как разрушаются не все межмолекулярные связи (не более 20%). Следовательно,.
U
Рис. 1.3. Схематическое изображение струк- Рис. 1.4. Тетраэдрнческая ре-турных особенностей молекулы воды и во- шетка льда дородной связи
в такой воде с температурой около O0C в основном сохраняется льдоподобная структура.
Известный советский физико-химик О. Я. Самойлов подчеркивал, что ажурная решетка льда при его плавлении уплотняется за счет заполнения пустот молекулами воды, которуе тран-сляционно (скачкообразно) перемещаются из прежнего положения равновесия в каркасе. Плотность жидкой воды вследствие этого увеличивается. Эти взгляды хорошо объясняют аномалию льда — его меньшую плотность по сравнению с жидкой водой.
О структуре жидкой воды в настоящее время нет единой точки зрения [41]. Существуют различные ее модели — модель малых агрегатов молекул воды, модель пустот, смешанные модели разновидностей молекулы воды', модель льдоподобных кластеров, «мерцающих» кластеров и др. Большое внимание в последние годы привлекает модель искаженных водородных связей, в соответствии с которой в жидкой воде, как и во льду, сохраняется тетраэдрический порядок в расположении молекул и наблюдается лишь небольшое изменение расстояний между молекулами воды (или их радиуса). Считается, что модели искаженных водородных связей находятся в согласии с большинством известных экспериментальных данных о структуре воды.
Аномальные физические свойства воды. Именно строением молекулы воды и особенностями ее структуры объясняются многие аномалии воды и ее уникальность как растворителя (табл. 1.1).
Растворенные в воде вещества изменяют ее структуру и свойства, заполняя пространство внутри кристаллической решет
15
Таблица 1.1. Аномальные физические свойства жидкой воды (по [41] с добавлениями)
Свойства Сравнительная характеристика Теплоемкость (удельная теплоемкость 4,19 Дж) Скрытая теплота плавления (0,3 кДж/г)
Скрытая теплота испарения (2,3 кДж/г)
Тепловое расширение (температура максимальной плотности для чистой воды 40C)
Поверхностное натяжение Растворяющая способность
-
Диэлектрическая постоянная
Электролитическая диссоциация
Теплопроводность
Прозрачность
Плотность
* Наиболее высокая среди всех твердых в жидких веществ, за исключением NH3' Наиболее высокая, за исключением NHS
Наиболее высокая из всех веществ
Температура максимальной плотности уменьшается с повышением солености. С понижением температуры до 0°С или повышением ее до 10O0C плотность уменьшается
Наиболее высокое из всех жидкостей Вода обладает наиболее высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет растворять большинство веществ и в больших количествах, чем другие жидкости Для чистой воды — наиболее высокая из всех жидкостей, что определяет диссоциацию растворенных неорганических веществ Очень мала (10"7 г/моль в 1л ионов Н* R ОН-)
Наиболее высокая из всех жидкостей Относительно велика
С увеличением солености воды плотность увеличивается: от 1 г/сма при M=I г/кг до-1,262 г/см3 при М=300 г/кг ки воды. Так, электропроводность растворов обычно возрастает в десятки тысяч раз, что объясняется появлением в воде ионов. В соленой воде снижается температура ее замерзания: морская вода замерзает при температуре минус 1,90C, а близкий к насыщению раствор CaCl2 — при минус 36 °С.
С увеличением давления вязкость воды уменьшается, что обеспечивает ее подвижность в глубоких водоносных горизонтах с высокими пластовыми давлениями.
1.2. СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Академик В. И. Вернадский считал природные воды сложными водными растворами. В их составе выделяются: макро- и микрокомпоненты, газы, органические вещества, микроорганизмы (живое вещество). Большое значение имеют изотопы химических элементов как самой воды, так и растворенных веществ. В настоящее время в подземных водах различными методами анализа определяется 85 (из 105) химических элементов табли-
