Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » Сила воды
21:21
Сила воды

По мнению официальной науки, жизнь зародилась в океане, с тех пор, вода неразрывно связана с любыми известными нам формами жизни. Большинство жизненных процессов происходит в водной среде. Вода покрывает ¾ поверхности земного шара и составляет 7% от общей массы земной коры (2.1018 тон). Распространенность и уникальный набор свойств, придают воде статус спутника жизни.

Своими уникальными свойствами вода обязана аномально сильным водородным связям, которые на порядок сильнее, чем можно было бы предполагать, двигаясь снизу вверх по ряду водородных соединений элементов главной подгруппы шестой группы периодической таблицы. Так же, как и слева направо по второму периоду периодической таблицы элементов. Как известно, температуры плавления и кипения тем выше, чем больше масса молекул (ионов) из которых состоит вещество и чем больше полярность вещества. К примеру, легкий молекулярный водород Н2 кипит при -253оС, что близко к "абсолютному нулю температур” в 0оК. Одноатомный молекулярный гелий кипит при -269оС, ибо он менее полярен в виду отсутствия возможности к поляризации и статистической дислокации электронов. Много более тяжелый и полярный хлорид натрия кипит при 1413оС.

Аномальное завышение температур плавления и кипения для данной молекулярной массы обусловлено высокой полярностью молекулы воды из-за высокой электроотрицательности атома кислорода. Но, вода имеет достаточно широкий диапазон жидкого состояния при сравнительно невысоких температурах, так как, электротрицательность атома кислорода разрывается между двумя атомами водорода, что не позволяет их связям стать ионными.

Таким образом, воде характерна высокая растворяющая способность, за счет небольших размеров молекулы; значительная полярность молекулы, что позволяет эффективно растворять как полярные, так и малополярные соединения, а также, широкий температурный интервал жидкого состояния. При учете большой распространенности воды в природе, она и получила такое огромное значение "вселенского” растворителя.

Существенную роль вода играет не только для живой природу, но и в свойствах атмосферы, таких как, скажем, проводимость ультрафиолетового излучения или плотность. Огромное значение имеет вода для круговорота веществ в природе, для формирования почв (подробнее см. статью) и процессов выветривания горной породы.

Более-менее разобравшись со значением воды, вернемся к ее свойствам. Небольшие размеры и высокая полярность молекул, сильные водородные связи и сравнительно не высокий температурный интервал жидкого состояния обуславливает интересное поведение ассоциатов молекул воды. Ассоциаты – образования из некоторого числа отдельных молекул, скрепленные, как правило, слабыми физическими взаимодействиями. Раз уж мы коснулись взаимодействий в растворах, кратко скажем о них. Если представить себе две молекулы средней полярности, находящиеся одна от другой на расстоянии, в разы превышающем из диаметры. Тогда, разноименно заряженные области этих молекул будут "чувствовать” друг друга за счет сил Кулоновского притяжения. Это будет вызывать их ориентацию в пространстве, при некотором сближении – деформацию формы молекул, при большем сближении – поляризацию (расхождение разноименно заряженных центров одной молекулы с увеличением ее полярности (дипольного момента)). Такие взаимодействия называются "силами Ван-дер-ваальса”. Это понятие введено еще в 19 веке, и положило основу для исследования слабых взаимодействий в растворах. Более сильное взаимодействие будет наблюдаться, если еще немного сблизить молекулы, в этом случае водородный атом (если он имеется в составе хоть одной из двух представленных нами молекул) одной молекулы частично потеряет связь с родной молекулой (оставив у нее свой электрон), за счет притяжения к центру высокой электронной плотности другой молекулы. При этом, катион водорода, будет принадлежать обеим молекулам почти в равной степени.

Водородные связи "сшивают” молекулы воды в ассоциаты переменного состава. В начале (до середины 20-го века) считали что количество молекул воды в составе ассоциата зависит от температуры, при повышении температуры количество молекул в составе ассоциата снижается с некоторой, относительно линейной зависимостью, от бесконечности в куске льда до одной молекулы в водяном паре. Более поздние исследования показали, что в воде существует непрерывная сетка водородных связей между большим количеством молекул. Линейные ассоциаты представляют из себя изогнутый неоднородный каркас (напоминающий волокна ваты или армирующую сетка пластика), в пустотах которого находятся свободные молекулы воды. При повышении температуры, количество молекул воды связанных в каркас снижается, сам каркас при этом становится более редким и гибким. Тепловое движение несвязанных молекул воды при этом увеличивается. Этим объясняется снижение вязкости воды (и других сильнополярных жидкостей) при повышении температуры. При снижении температуры до нуля градусов Цельсия, жидкая фаза из несвязанных молекул исчезает, дополняя каркас – вода становится льдом. Так как молекула воды представляет собой тетраэдр (из-за неподеленных электронных пар), то молекулы сшитые в каркасе, образуют достаточно рыхлую структуру, содержащую пустоты.

Образование большого количества пустот при снижении температуры обуславливает расширение воды при температурах ниже 4оС, а тепловое движении мономерных молекул объясняет расширение воды при более высоких температурах. При температуре 4оС эти два явления взаимокомпенсируются до возможной степени, поэтому плотность воды при данной температуре максимальна и равна 1 гр./см3. При переходе к нулю градусов Цельсия, плотность снижается на 0,08 гр. на миллилитр, а при повышении температуры снижение плотности происходит намного медленнее, при переходе к 85оС потеря в плотности составляет лишь 0,03 гр. на миллилитр. Это не только дополнительно подчеркивает высокое значение водородных связей для свойств воды, но и указывает на высокое содержание сшитого водородными связями каркаса из молекул воды ("льдоподобная структура”). Экспериментально обнаружено, что заметное количество льдоподобной фазы сохраняется в воде до температур порядка 50-60оС.

Если Вы вспомните, что количество пустот в воде пропорционально содержанию льдоподобной фазы, то поймете, почему я заостряю внимание на этом вопросе. Ведь многие вещества, как участвующие в жизненных процессах, так и применяемые в промышленности, имеют очень низкую растворимость в воде, как правило, из-за низкой полярности всей молекулы в целом (метан, инертные газы, бензин и др.) или ее отдельных частей (жирные кислоты, высшие спирты, многие органические растворители, жиры и др.), поэтому их растворение в воде протекает почти исключительно по пустотному механизму. То есть, молекулы малополярного вещества попадают в свободные полости в структуре каркаса, сшитого водородными связями. Поэтому, растворимость многих вещества в воде повышается при снижении температуры. Но, и здесь много отклонений от линейных и равномерных моделей, ведь у воды и растворов пока остается еще много неразгаданных тайн.

Категория: Пища для размышлений | Просмотров: 1316 | Добавил: Chemadm | Теги: процессы растворения, структура воды, РАСТВОРИТЕЛИ | Рейтинг: 4.7/23
Всего комментариев: 2
0
1  
Отличная статья, прям по-другому смотришь на себя и на глобальные вопросы возникновения жизни. Автору спасибо.

0
2  
Благодарность всегда радует. Подробнее о возникновении жизни можете ознакомиться здесь.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]