Основные физико-химические характеристики воды

Химически чистая вода H2O бесцветна, не имеет запаха и вкуса, в относительно толстом слое кажется окрашенной в голубоватый цвет.

Молекула воды состоит из двух одновалентных ионов водорода H+ и двухвалентного ионы кислорода О2—, которые расположены в вершинах равнобедренного треугольника. Угол у вершины треугольника, занятый ионом кислорода, равен 104,5°, длина связи О—Н равна 0,096 нм, расстояние между ионами Н+ равно 0,15 нм, размер молекулы воды считается близким к 0,28 нм (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Простейшая схема молекулы воды

Ближе к реальности представление молекулы H2O в форме пространственной фигуры — тетраэдра с двумя положительными вершинами на ионах водорода Н+ и двумя отрицательными вершинами на вытянутых электронных орбитах иона кислорода (рис. 1.2). Иногда упрощенно молекулы воды изображают в виде диполя (рис. 1.3), поскольку центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Рис. 1.2. Представление молекулы воды в виде тетраэдра		Рис. 1.3. Представление молекулы воды в виде диполя

Особенностью молекул воды являются способность соединяться между собой в многозвенные ассоциаты за счет образования водородных связей (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема образования водородных связей между молекулами воды

Поскольку у молекулы имеются как бы четыре полюса электрических зарядов, то каждая молекула связывается с четырьмя другими молекулами, располагающимися также в вершинах тетраэдра (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Пространственный ассоциат в виде тетраэдра из молекул воды

Эти пятизвенные тетраэдры частично соединяются между собой, образуя более сложные пространственные структуры. Ассоциаты не являются устойчивыми постоянными пространственными элементами структуры воды. Вследствие теплового движения ориентация молекул изменяется, что приводит к распаду существующих ассоциатов и образованию новых. Продолжительность жизни ассоциатов предполагается близкой к 10—12—10—11 секунд. Столь быстрое установление и разрушение пространственных упорядоченных элементов делает структуру воды исключительно изменчивой («мерцающей»), а упорядочение носит статистический характер.

Степень ассоциированности зависит от температуры воды. Полностью все молекулы ассоциированы между собой в единую жесткую пространственную структуру только во льду, причем при температуре ниже —183° С. При более высокой температуре часть водородных связей разрушается; считается, что вблизи температуры плавления (0° С) разрушаются 9–16% общего количества водородных связей, а при 40° С — примерно половина. При переходе в газообразное состояние (в пар) разрушаются практически все водородные связи, очень небольшая часть молекул воды соединена в двойные агрегаты (дигидроли). Изменение степени ассоциированности оказывает столь заметное влияние на свойства воды, что, по мнению некоторых специалистов, воду при 25—75°С и воду вблизи 0°С можно рассматривать как два различных по своей природе растворителя. Жидкую воду можно представить состоящей из областей двух видов — «льдоподобных» с ассоциированными молекулами и «плотноупакованных» со свободными отдельными молекулами. Такие области, включающие 102–103 молекул, постоянно разрушаются и вновь возникают.

Энергия водородных связей составляет около 18,9 кДж/моль (4,5 ккал/моль), она значительно меньше энергии химической связи, составляющей более 100 кДж/моль. В то же время эта энергия превышает энергию вандервальсовых сил (9,6 кДж/моль) и энергию теплового движения молекул (около 2,5 кДж/моль при 27° С). Энергия образования молекул воды из водорода и кислорода представляет собой достаточно большую величину — 242 кДж/моль, что обусловливает высокую устойчивость молекул. Вода не изменяется под действием большинства соединений, которые растворяет, и считается инертным растворителем.

Вода имеет большую диэлектрическую проницаемость, кроме того ее молекулы представляют собой диполи, поэтому обладает высокой растворяющей способностью по отношению к полярным соединениям из-за снижения межатомных и межмолекулярных сил. Ионы растворенных веществ размещаются в структуре воды или в ее полостях, либо замещая молекулы Н2О. В любом случае они вызывают изменение структуры воды: во-первых, из-за несовпадения размеров иона и молекулы H2O, во-вторых, из-за изменения ориентации молекул Н2О вследствие влияния иона. Крупные слабозаряженные ионы разрушают структуру воды. Небольшие высокозаряженные ионы способствуют структурообразованию в воде, правда, эти структуры могут отличаться от характерной для воды льдоподобной структуры. Однако все эти эффекты справедливы до температуры 40—50°С, при более высокой температуре все ионы способствуют упрочнению структуры воды.

Эффект разрушения — упрочнения структуры сказывается на таких параметрах, как вязкость, диффузия и, соответственно, зависящих от них явлений очистки воды (коагуляция, осаждение и т.д.)

Образование структур из дипольных молекул воды вокруг ионов растворимых веществ или других заряженных частиц носит название гидратации. Чем выше заряд иона и чем меньше его размеры, тем сильнее он гидратируется, тем большее количество молекул воды входит в гидратную оболочку иона. Катионы, как правило, гидратируются сильнее, чем анионы.

Образование водородных связей и структурирование обусловливают многие исключительные свойства воды, отличающие ее от водородных соединений соседних элементов (аномалии воды). Ниже приводятся основные параметры воды.