2.2. Вода как вещество, ее молекулярная структура и изотопный состав

Вода – одно из самых распространенных на Земле химических соединений. Природные воды образуют океаны, моря, ледники, реки, озера, в виде паров присутствуют в атмосфере, проникают в почву и горные породы. Вода – простейшее и устойчивое соединение водорода с кислородом: 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода (по массе).

Большинство физических и физико-химических свойств воды аномальны, так как они резко отличаются от тех, которые можно было бы теоретически ожидать для оксида водорода или гидрида кислорода исходя из положения этих элементов в периодической системе Менделеева.

Строение молекулы воды. Самая распространенная на Земле молекула воды среди многоатомных молекул имеет наименьшие размеры. Элементарная структурная единица воды (гидроль) плоская, межатомные связи в ней образуют равнобедренный треугольник с величиной угла при вершине 104,4° (рис. 2).

Рис. 2. Строение молекулы воды

Молекула воды – диполь, полярность ее обусловлена конфигурацией электронного облака, состоящего из двух длинных и двух коротких лепестков. Наибольшая плотность электронов, таким образом, создается вблизи атома кислорода, обладающего более высокой электроотрицательностью, поэтому вблизи атомов водорода наблюдается некоторый избыток положительного заряда.

Таким образом, молекула воды имеет значительный электрический момент (количественная характеристика ее полярности, равен произведению одного из зарядов на расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов), который и обусловливает возникновение межмолекулярных, так называемых водородных связей. Эти связи, являющиеся следствием стремления системы к компенсации избыточных зарядов, формируются между атомами водорода одной молекулы воды и атомами кислорода других в результате их взаимопритяжения. Специфика водородных связей, отраженная в их названии, состоит в чрезвычайной «легкости захвата» миниатюрнейшего атома водорода одной молекулы (поляризованного положительно) электронной оболочкой более крупного отрицательно поляризованного атома кислорода другой молекулы воды. Очевидно, что каждая молекула способна образовать четыре водородные связи: две между неподеленными электронными парами ее атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и еще две – между ее атомами водорода и атомами кислорода двух других молекул. Энергия водородной связи довольно значительна и может изменяться от 17 до 33 кДж/моль, благодаря чему одиночные молекулы в структуре воды скорее исключение, а норма – разнообразные агрегаты, которые и являются типоморфными единицами структуры воды. Уникальной способностью воды образовывать водородные связи и объясняется большинство ее аномальных свойств (табл. 2).

Таблица 2

Наиболее важные физические аномалии воды и их географическое значение

№ п/п	Физическая характеристика воды	Её «аномалия»	Значение для
			водных объектов на Земле	природы Земли в целом
1	Температура плавления (замерзания), 0 0С	Очень высока	Вода может существовать в твердом виде	Существование ледников и снежного покрова
2	Температура кипения, 100 0С	Очень высока	Вода может существовать в жидком виде	Существование водоемов и водотоков – океанов, морей, рек, озер
3	Температура наибольшей плотности, 4 0С	Наступает не в момент замерзания, а при более высокой температуре	При охлаждении водоема вода прекращает опускаться при достижении температуры наибольшей плотности. Водная толща не замерзает	Сохранение жизни в водоемах зимой
4	Плотность льда, 917 кг/м3	Плотность льда меньше, чем жидкой воды	Лед всплывает, теплоизолирует водоем, замедляет его охлаждение	То же
5	Удельная теплота плавления (замерзания), 333 • 103 Дж/кг	Очень велика	При плавлении льда требуется большая затрата теплоты; при замерзании это же количество теплоты выделяется	Регулирование тепловых процессов
6	Удельная теплота испарения (конденсации), 2,5 • 106 Дж/кг при 0 0С, 2,26 • 106 Дж/кг при 100 0С	Очень велика	При испарении воды требуется большая затрата теплоты; при конденсации водяного пара это же количество теплоты выделяется	То же

Продолжение таблицы 2

7		Удельная теплоемкость, 4190 Дж/(кг • 0С) при 15 0С	Очень велика	Вода медленно нагревается и медленно охлаждается	То же
8		Коэффициент теплопроводности, 0,57 Вт/(м • 0С) при 0 0С	Очень мал	То же	То же
9	Коэффициент вязкости, 1,14 • 10-6 м2/с при 15 0С		Мал	Вода текуча и хорошо смачивает твердые тела	Вода переносит наносы, растворенные вещества, теплоту, совершает механическую и эрозионную работу
10	Коэффициент поверхностного натяжения, 75,6 • 10-3 Н/м при 0 0С и 60,8 • 10-3 Н/м при 90 0С		Очень велик	В порах грунта и растениях действуют капиллярные силы. Капли воды обладают ударной силой	Питание растений, дождевая эрозия

Примечание. Численные значения характеристик приводятся для химически чистой воды

Структура воды. Вода – единственное вещество, которое в естественных природных условиях Земли способно существовать во всех трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и парообразном. Структура их различна. Лед имеет кристаллическую решетку, в которой каждая молекула расположена в центре тетраэдра, образованного четырьмя другими молекулами и связанного с центральной водородными связями. «Рыхлостью» такой структуры объясняется меньшая (0,917 г/см³ при 0°С) плотность льда по сравнению с жидкой водой и соответственно увеличение объема воды при замерзании примерно на 10%. В связи с практическим отсутствием надежных методов исследования жидкостей изучение воды сопряжено с большими трудностями, поэтому единой точки зрения о структуре жидкой воды не существует до настоящего времени.

Большинство современных представлений по этому вопросу базируется на положениях Дж. Бернала и Р. Фаулера (1934) о формировании молекулярных агрегатов (структурных единиц воды) по тетраэдрическому принципу, который четко выражен в структуре льда и несколько менее – в жидкой воде. При этом одни исследователи придерживаются гипотезы «двухструктурной» модели строения воды, т.е. наличия в массе несвязанных молекул многочисленных разнообразных ассоциатов со структурой типа льда (Х.С. Френк и У.И. Вин; Д. Эйзенберг, В. Кауцман), другие – «одноструктурной» модели (О.Я. Самойлов), согласно которой жидкая вода имеет однородный тетраэдрический льдоподобный каркас с несколько деформированными вследствие теплового движения молекул связями. Гипотеза М. Аджено предполагает наличие в воде разнообразных кольцевых структур из молекул воды, причем связь между ними осуществляется через атом водорода – «водородный мостик».

В целом сейчас уже нет сомнений, что при наличии льдоподобных каркасных ассоциатов жидкая вода, по сути, представляет собой вещество переходного типа от твердого кристаллического к жидкому. В связи с этим очевидно, что привычная формула Н₂О не соответствует истинному характеру этого вещества, и правильнее было бы писать (Н₂О)_n, где n, по данным различных исследователей, может изменяться от 2 до 860 в зависимости от температуры. Вода отвечает общепринятой формуле только при температурах, превышающих 250°С.

Водород и кислород имеют несколько природных изотопов: ¹Н («обычный» водород), ²Н, или D («тяжелый» водород, или дейтерий), ³Н, или Т (радиоактивный «сверхтяжелый» водород, или тритий), ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О. Поэтому и сама вода имеет переменный изотопный состав. Природная вода – это смесь вод разного изотопного состава. Наиболее распространена вода, состоящая из изотопов ¹Н и ¹⁶О, доля других изотопных видов воды ничтожна – менее 0,27 %. Одна из главных причин, приводящих к различию изотопного состава природных вод, – процесс испарения. В результате испарения происходит некоторое обогащение воды более тяжелыми изотопами, а в результате конденсации – более легкими. Поэтому поверхностные воды, формирующиеся атмосферными осадками, содержат «тяжелого» водорода (³Н) и «тяжелого» кислорода (¹⁸О) меньше, чем океанические воды.

Воду с изотопным составом ¹Н₂¹⁶О называют «обычной» водой и обозначают просто Н₂О, остальные виды воды (кроме ³Н₂О) называют «тяжелой» водой. Иногда «тяжелой» водой считают лишь дейтериевую воду ²Н₂О (или D₂О). Вода с изотопным составом ³Н₂О (или Т₂О) – так называемая «сверхтяжелая» вода. Ее на Земле находится всего 13–20 кг.