Что содержится в молекуле воды

Из чего состоит вода?

Вода – источник жизни на нашей голубой планете. Она есть в клетках всех живых организмов. Это самое распространённое в мире вещество. Вода – один из важнейших факторов, определяющих природные условия на Земле, и влияет на формирование климата и рельефа территории.

Слово “вода” происходит от древнегерманского “текучий, мокрый”.

Состав воды

Молекула воды (H₂O) складывается из 2-х атомов водорода и 1-го атома кислорода. Это два газообразных вещества, которые, соединяясь, образуют невероятно прочные связи. Главную роль в молекуле выполняет атом кислорода. Атомы водорода несут положительный заряд, а атом кислорода – отрицательный. Каждый из атомов водорода, крепко держась в образованной молекуле, одновременно притягивается к атому кислорода из соседней молекулы. Связи кислорода и водорода из соседних молекул гораздо слабее, чем внутри. Благодаря этим межмолекулярным связям, вода обладает рядом удивительных свойств.

Физические свойства

Вода – уникальное вещество на планете, способное быть в трех физических состояниях:

Изменение состояния воды возможно благодаря тому, что под действием температур меняется расстояние между молекулами. В твердой форме – молекулы наиболее близко расположены друг к другу. В жидкой – подальше. В газообразной – совсем далеко, что позволяет им отрываться. При температуре от 100°С и выше это пар. От 0°С до 100°С – это вода. А ниже 0°С – это лед.

Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в правильные шестигранные формы. Все кристаллы льда похожи друг на друга. Лед обладает уникальным свойством – он легче самой воды, из которой получен, и никогда не тонет в ней. Поэтому этому водоемы всегда замерзают сверху, что позволяет сохранить жизнь на дне.

В атмосфере всегда есть мельчайшие капельки воды. Но присутствие влаги мы замечаем только тогда, когда её количество увеличивается, формируя облака и туман.

Виды воды

Вся вода делится на категории:

На планете примерно 96,5 % воды приходится на долю морской воды. Пресной – намного меньше. Её доля – около 2,5 %, причём большая часть – в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % от всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, а в живых организмах – всего 0,003 %.

У природных вод есть важный признак – прозрачность. От этого зависит, как глубоко смогут проникнуть солнечные лучи в толщу воды. Цветность определяется количеством растворенных органических соединений, которые окрашивают воду при прохождении её через торфяные и гумусные слои почвы.

Природная солёная вода содержит большое количество разных примесей минеральных и органических соединений. Количество этих веществ оказывает влияние на плотность воды. Самые плотные в природе это морская и минеральная воды. Самой плотной считается вода Мёртвого моря. По степени солёности вода делится на несколько категорий:

Таблица 1. Классификация воды по содержанию солей

В пресной воде тоже есть соли. В основном это кальций и магний. Для такой воды есть характеристика жёсткости. Чем больше содержание примесей, тем более жёсткой называют воду.

Чистой воды в природе никогда не бывает. Вода хорошо растворяет в себе разные вещества – твердые, жидкие и газообразные. Даже дождевая вода пока падает на землю, захватывает из воздуха пыль и газы и растворяет их в себе.

Человек для своих нужд изменяет воду. В водопроводе течет пресная вода из рек и водохранилищ. Она проходит 5 стадий очистки, обеззараживается. В канализацию попадает вода загрязнённая примесями и частицами от человеческой жизнедеятельности. Прежде чем выпустить такую воду в окружающую среду, стоки очищают на специальных очистных сооружениях.

Дистиллированную воду используют в разных областях, чаще в научной и технической. Получают её, испаряя и затем осаждая пар на холодной поверхности. Примеси остаются в перегонном сосуде. Такая вода является наиболее чистой из всех возможных.

Пресная вода на планете распространена неравномерно. Есть области, где существует сильная её нехватка. Для решения проблемы в таких районах строят водоопреснительные станции. На этих станциях морскую воду выпаривают и получают дистиллированную воду, которая тоже непригодна для использования человеком. Её насыщают минеральными солями до показателей природной пресной воды.

Интересные факты

Многие столетия вода считалась простым веществом. В 1783 году химик Лавуазье смог разложить воду на два вещества и предположить количественное их соотношение в молекуле.

В обычных условиях вода не имеет ни вкуса, ни запаха. Вода бесцветна, но при толщине более 2 метров она приобретает голубой цвет. Это происходит благодаря рассеиванию коротких лучей солнечного спектра.

Вода – сильный поглотитель солнечной энергии. У воды есть замечательное свойство – медленно нагреваясь, она и медленно остывает. Мировой океан планет накапливает тепло летом и отдаёт его зимой. Так сглаживаются скачки температуры на планете. Суточные и сезонные колебания температуры уменьшаются вблизи водных объектов. Чем меньше в той или иной местности крупных водоемов, тем более резкоконтинентальный там климат.

Что мы узнали?

Вот краткий список основных сведений о воде, ее составе и свойствах:

Источник

Вода | Строение молекулы и структура воды в жидком, твердом и газообразном виде.

Содержание:

1. Современные представления о составе и структуре воды. Строение молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.

В «тройной» точке на диаграмме может одновременно существовать вода во всех трех агрегатных состояниях.

В «критической» точке все свойства жидкости и пара (энергия, плотность, структура, характер движения частиц и т.п.) становятся равны. При более высоком давлении и/или температуре агрегатное состояние воды называют «сверхкритическим».

В стабильном энергетическом состоянии молекула воды имеет тетраэдрическую пространственную структуру. При изменении агрегатного состояния воды длина сторон и угол между ними меняются. Если бы мы увидели молекулу воды, то обнаружили, что она имеет сфероидальную форму с двумя выпуклостями (рисунок 3).

Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар обуславливает возникновение водородных связей, что способствует ассоциации молекул воды в группы.

Обладая значительным дипольным моментом, молекулы воды также сильно взаимодействуют с полярными молекулами других веществ.

Идеально чистую воду практически невозможно получить. По факту, мы всегда будем иметь дело хоть и с очень разбавленными, но растворами.

В природе на 1 000 000 молекул воды в среднем приходится:
— 997 284 молекул легкой воды 1 H₂ 16 O;
— 311 молекул 1 HD 16 O;
— 390 молекул 1 H₂ 17 O;
— 2005 молекул 1 H₂ 18 O.

Если из глубинной океанической воды, отвечающей стандарту SMOW (Standard Mean Ocean Water) удалить все тяжелые изотопы и заменить их на 1 H₂ 16 O, то масса 1 л такой воды станет меньше на 250 мг, т.е. на четверть.

2. Структура воды. Водородные связи.

В ходе современных физико-химических исследований были выявлены характерные структурные агрегаты воды, формирующиеся с помощью водородных связей.

Для формирования трехмерных структур необходимо, кроме способности молекул создавать водородные связи, выполнение еще двух условий. Этих связей должно быть не менее четырех на одну молекулу и геометрические размеры молекулы не должны противоречить оптимальным направлениям водородных связей. Вода удовлетворяет этим требованиям. Так, нагревая лед мы получаем смесь жидкой воды и кристаллов льда, температура которой останется неизменной до тех пор, пока все кристаллики не расплавятся. Это говорит о том, что подводимое нами тепло будет расходоваться в первую очередь на разрушение водородных связей льда.

3. Структура воды в жидком виде.

Жидкость, как известно, отличается от других агрегатных состояний вещества своей текучестью, т.е. способностью неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, сохраняя при этом объем. Жидкость способна течь даже под свей неподвижной поверхностью. Молекулы жидкости не имеют своего строго определенного места, но, все же, им недоступна полная свобода перемещения, как в паре.

Структура жидкости есть статистическая закономерность межмолекулярных расстояний и ориентаций, характерных для плотно упакованных систем.

Согласно одной из первых моделей воды Бернала и Фаулера, основанной на рентгеноструктурном анализе, существует три формы расположения молекул в жидкой воде:

В 1951 г. Дж. Попл предложил модель воды в виде непрерывной сетки (рисунок 5), отличной от модели Бернала и Фаулера. Отличия заключались в том, что сетка была случайной, связи в ней искривлены и имеют различную длину.

Попл объяснял уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Однако, данная модель не могла объяснить нелинейность зависимости свойств воды от температуры и давления.

Почти одновременно с идеей Попла возникли кластерные и клатратные модели, которые можно обозначить как «смешанные».

Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры из молекул, связанных водородными связями, плавающих в объеме свободных молекул. В группе кластерных моделей выделяется теория Г.Немети и Х.Шераги (рисунок 6). Отметим, что в данной модели разрушение одной водородной связи приводит к разрушению всего кластера. Разрушение и образование кластеров происходит постоянно.

Кластерная модель не говорит о расположении молекул в гроздьях, но авторы предполагают наличие отдельных «роев». При этом постулируется тот факт, что большинство молекул должно быть тетракоординировано. Состояние молекул будет определяться количеством водородных связей, которые она образует (0-5).

Удар по кластерной теории наносят исследования Г.Стэнли на основе теории перколяции (протекания). Г.Стэнли доказывает невозможность существования в воде изолированных кластеров.

Клатратная модель говорила о воде как о непрерывной сетке-каркасе связанных молекул, внутри которого содержались пустоты со свободными молекулами.

Первую модель клатратного типа предложил О.Я.Самойлов в 1946 году. В ее основе лежало представление о жидкой воде как о испорченной, размытой структуре льда Ih с частичным заполнением полостей мономерами. В процессе движения молекул решетка постоянно перестраивается. Настройкой свойств и концентраций микрофаз, а также параметрами пустот легко можно было объяснить все закономерности свойств воды.

Пустоты в воде по результатам моделирования имеют тенденцию объединяться друг с другом, образуя еще более крупные пустоты, как показано на рисунке 7.

Рассмотрим кластерную и клатратную модели строения жидкой воды подробнее.

3.1 Кластерная модель строения жидкой воды.

Согласно квантово-химическим расчетам большей устойчивостью обладают линейного «открытого» димера воды, по сравнению с циклическими формами. В случае цикла выгодными являются трех-четырех- и пятичленные образования, в которых водородные связи имеют одинаковое направление. Для шестичленного цикла выгодным становится структура типа «кресло».

Одно из первых изображений формирования циклических кластеров воды приведено на рисунке 9.

Большой вклад в возможность формирования и устойчивость кластеров воды во времени внесли работы Г.А.Домрачева и Д.А. Селивановского. Они доказывали существование механохимических реакций радикальной диссоциации воды. Доказательство основывалось на том, что вода, по их мнению, представляет собой динамически нестабильную полимероподобную систему и по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механическом воздействии на воду поглощенная водой энергия используется для разрыва химических связей H-OH. Реакция разрыва связи может выглядеть так:

Рассчитав эффективность механодиссоциации воды, авторы пришли к выводу, что кислород на Земле появился при диссоциации воды.

В 1993 г. К.Джордан предложил свои варианты устойчивых «ассоциатов воды», которые состоят из 6 молекул (рисунок 10).

По Джордану кластеры могут объединяться и друг с другом, и со свободными молекулами воды за счет водородных связей, формируя более крупные ассоциаты. Такие кластеры могут объединяться как друг с другом, так и со свободными молекулами воды.

Квантово-химические расчеты нанокластеров с общей формулой (H₂O)_n с n=6-20 показали, что самые устойчивые структуры образуются посредством взаимодействия тетрамерных и пентамерных кольцевых структур (рисунок 11). На рисунке ниже показаны возможные структуры конформации кластеров воды.

Оригинальной кластерной моделью является теория С.В.Зенина. Согласно модели С.В.Зенина вода представляет собой иерархию геометрически правильных объемных структур «ассоциато». Согласно его теории элементарной структурной ячейкой воды являются тетраэдры, в которых может содержаться 4 (простой тетраэдр) или 5 (объемно-центрированный тетраэдр) молекул воды. При этом у каждой молекулы воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, благодаря чему создаются более сложные структуры, как показано на рисунке 13.

Кластеры, содержащие 20 молекул воды (додэкаэдры) более стабильны. Схема их образования показана на рисунке 14.

Из 57 молекул такого образования 17 составляют гидрофобный каркас с полностью насыщенными связями, а по 10 молекул на поверхности каждого додекаэдра формируют центры образования водородных связей.

Методами жидкостной хроматографии было подтверждено существование пяти- и шестиквантовых структур типа «четырехконечной звезды» и «шестилучевой снежинки».

На уровне 24 центров связывание по водородным связям практически прекращается ввиду того, что поверхность образований становится насыщенной (нейтральной).

Кластеры почти не взаимодействуют между собой, а скользят друг по другу, поэтому вода не отличается высокой вязкостью. В таком «режиме» из кластеров формируются метастабильные структуры, пример которых показан на рисунке 17 (микроизображение в режиме фазового контраста).

Теория Зенина хорошо объясняет электропроводные свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо согласуется с большими значениями коэффициента самодиффузии и малым временем диэлектрической релаксации.

Однако практически существование регулярных матриц в воде маловероятно. Кластеры из 280 молекул также могут формировать цепочки, но с более напряженными водородными связями.

Кластеры могут разрастаться в суперкластеры (гигантские икосаэдры), примеры которых приведены на рисунке 19.

В 2002 Беркли методом рентгеноструктурного анализа показала, что молекулы воды действительно способны образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул.

А.Н.Смирновым в бидистиллированной воде и некоторых растворах методами акустической эмиссии, лазерной интерферометрии и термического анализа удалось визуализировать надмолекулярные образования с размерами частиц от 1 до 100 мкм, распределенных в водной среде (рисунок 20). Свойства таких частиц были сходны со свойствами частиц, образующих эмульсию, поэтому они были названы «эмулонами».

Размеры и пространственная организация эмулонов зависят от состава водного раствора, температуры и предыстории раствора. Наибольшее число фракций имеют размеры 30, 70 и 100 мкм.

Температурная динамика структуры эмулонов имеет следующие отсечки:

3.2 Клатратная модель строения жидкой воды.

Клатраты в целом (не только вода) делятся на два класса, зависящие от соединения-хозяина. Молекулярные клатраты образуются «хозяевами», имеющими внутримолекуярные полости. Такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Если «хозяин» способен образовывать только межмолекулярные или кристаллические полости, то из него получаются решетчатые клатраты (рисунок 21), устойчивые лишь в твердом состоянии.

В поздних модификациях клатратной модели воды допускается образование водородных связей между молекулами в каркасе и молекулами в пустотах. При этом сами молекулы в обеих микрофазах соединены водородными связями.

В заключение отметим, что существует целый ряд воздействий, которые могут приводить к определенному структурированию воды:

Более подробно структурирование воды под воздействием внешних сил будет рассмотрено в отдельной статье.

4. Особенности строения воды в твердом виде. Лед.

• Всего насчитывается около 15 структурных модификаций льда (рисунок 22).

1922 г. У.Г.Брэгг в статье «Кристаллическая структура льда» пытается выяснить причины возможных ошибок при расшифровке положений ядер кислорода. Он убежден, что ни Джон, ни Деннисон не смогли найти истинного расположения ядер кислорода в структуре льда. Брэгг сделал важное замечание: каждый атом кислорода в структуре льда должен быть окружен четырьмя другими. Атом же водорода располагается между двумя кислородами как бусинки на нитке. При этом, что важно, бусинки сдвинуты, смещены, относительно центра льда. Т.е. ядра водорода расположены асимметрично.

Кристаллическая решетка льда называется ажурной (рисунок 23). Паутина связей между молекулами воды во льду содержит много крупных пустот, больших по размеру, чем сами молекулы. Именно поэтому лед более легкий, чем жидкая вода. При плавлении льда водородные связи начинают разрушаться и в пустотах оставшихся ассоциатов поместиться освободившиеся молекулы воды.

• При давлении в 2 ГПа можно получить лед со структурой VI (горячий лед), который не будет плавиться даже при 80 о С.
• При очень высоких давлениях внутри нанотрубок с диаметром от 1,35 до 1,90 нм вода может кристаллизоваться в форме двойных спиралей (рисунок 24).

• Современные представления о структуре льда говорят о наличии кластерного строения. Чем ниже температура, тем крупнее кластеры. Наиболее устойчивы кластеры из 8, 12, 24, 36 молекул.

5. Особенности строения воды в газообразном виде. Пар.

В паре водородные связи на 99% разорваны. При этом в нем сохраняется до 1% димеров. Полностью разорвать все связи в паре можно лишь при температура 600 о С.

Расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул. При этом сами молекулы хаотично двигаются, сталкиваются со стенками сосуда, в котором заключены, и между собой. Скорость их тем выше, чем выше температура системы.

Вода может длительное время находиться и в перегретом состоянии до 200 о С. При введении пузырька воздуха в такую перегретую воду она мгновенно вскипает и ее температура падает до 100 о С.

Источник

Научная электронная библиотека

Шишелова Т. И., Созинова Т. В., Коновалова А. Н.,

2. Строение молекулы воды

Молекула воды (H₂O) состоит из двух атомов водорода (H 1 ) и одного атома кислорода (O 16 ).

Рис. 1. Строение молекулы воды [1]

При испарении рвутся все оставшиеся связи. Для разрыва связей требуется большое количество энергии, отсюда высокая температура, удельная теплота плавления и кипения, высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Строение электронного облака молекулы воды таково, что во льду каждая молекула связана четырьмя водородными связями с ближайшими к ней молекулами, координационное число молекул в структуре льда равно четырем. О размере молекулы можно судить по величине расстояния между ближайшими молекулами во льду, составляющего 2,67Å. Соответственно молекуле воды можно приписать радиус равный 1,38Å.

Тенденция каждой молекулы воды к окружению четырьмя ближайшими молекулами и к образованию с ними водородных связей сохраняется и в жидкости, исследования показали, что в воде сохраняется ближняя упорядоченность, свойственная структуре льда. Расстояние между ближайшими молекулами при плавлении льда изменяется от 2,76 Å до 2,90 Å. Свойственное среднее расположение ближайших молекул ведет к очень рыхлой, ажурной структуре. Именно с этим связаны аномалии воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом.

Источник

Химический состав питьевой воды: какие элементы туда входят, свойства жидкости, нормы качества, характерные особенности, таблица

Чистая формула Н2О встречается разве только в условиях лабораторий. И это хорошо, ведь даже для здоровья более полезно наличие ряда микроэлементов, которые поступают в организм с жидкостью. Для показательного примера предположим, что мы взяли одну каплю из родника (или иного водоема природного образования) и оставили ее на предметном стекле. Спустя несколько минут при определенных условиях она испарится (водород и кислород – это газы, которые просто улетучиваются), но на поверхности останутся разводы. Это и будут кристаллы соли, соединения металлов, которые в большом количестве содержатся в живительной для всей природы влаге. Итак, в статье поговорим о том, какой химический состав у питьевой воды, что является нормой, представим свойства в таблице.

Составные элементы

Сразу оговоримся, что в рамках данной темы мы рассматриваем водный ресурс, полученный из источника (скважина, колодец, родник, естественный водоем с водонапорной башней и пр.) и прошедший через многоступенчатую систему водоподготовки. Целью этих очистительных манипуляций является создание раствора, очищенного от вредных и особенно крупных взвесей. Иными словами, состав и концентрация микроэлементов должны соответствовать стандартам.

Нормативные акты (ГОСТы и СанПиН) разрабатываются с учетом санитарных и экологических рекомендаций отдельно для холодного и горячего водоснабжения. Таким образом, в каждом литре H2O находится некоторое количество (в мг) веществ, которые обогащают ее, придают запах, цвет и уровень прозрачности или мутности.

Также имеют значения при проверке еще и такие факторы:

Кроме всем известных показателей, в лабораториях используют термины «железистость», «хлорирование». Привычный для городских централизованных систем водоподготовки способ обеззараживания может при избыточном хлоре в составе привести к негативным последствиям для состояния кожи, ногтей и волос.

Таким образом, мы понимаем, что все вышеперечисленные характеристики зависят от того, что входит в состав воды и в каком количестве. Постараемся разобраться в нормах и излишках примесей.

Основные (преобладающие) компоненты

Ниже мы приведем таблицу с элементами, которые могут содержаться в качестве взвесей, а также их максимальная концентрация в пересчете на литр водного питьевого раствора – требования взяты из нормативных документов российского законодательства (европейские регламенты обычно намного более жесткие по отношению к допустимым загрязнениям). Но прежде чем перечислить вещества, отметим, что нельзя руководствоваться только цифрами. Дело в том, что сами по себе химикаты могут быть не вредны, но при их взаимодействии образуются соединения, опасные для здоровья. Хотя по отдельности их содержание было в пределах нормы. Поэтому следует заказывать полноценные анализы химических и физических особенностей воды из источника. Итак, что может быть в растворе (мг/л):

Источник