МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ ВОДЫ

Вода состоит из 11,19% водорода и 88,81% кислорода (соответственно атомному весу водорода 1,008), причем по объему - водорода в 2,00285 раза больше, чем кислорода. Воду Н2О следует считать водородным соединением кислорода, т. е. гидридом, хотя формально ее можно назы­вать и окислом водорода.

Аномалии воды.Как физическое тело вода обнаруживает много осо­бенностей — аномалий, отличающих ее от всех других тел. Наиболее важны следующие аномалии.

1. Плотность воды при повышении температуры от 0 до 4° увеличи­вается. При 4° плотность становится наибольшей и уменьшается только при дальнейшем повышении температуры.

2. При замерзании вода резко увеличивает свой объем (почти на 10%). Плотность пресного льда равна 0,91 г/см^г. Плотность большинства других тел, кроме висмута и галлия, увеличивается при переходе из жидкого состояния в твердое.

3. Вода обладает большой удельной теплоемкостью. Плавление льда сопровождается увеличением удельной теплоемкости с 0,49 до 1,009 кал при 0°. Затем теплоемкость воды до температуры 40° уменьшается и только после этого начинает увеличиваться.

По кинетической же теории теплоемкость с повышением температуры должна непрерывно увеличиваться. В связи с этим за единицу тепла — калорию — принимают количество тепла, которое нагревает 1 г чистой воды на 1° в интервале либо от 14°,5 до 15°,5 (15-градусная калория, равная 4,124 абс. джоуля], либо от 19°,5 до 20°,5 (20-градусная калория, равная 4,181 абс. джоуля).

4. Температура замерзания воды понижается при увеличении давле­ния примерно на 1° на каждые 130 атм и достигает минимума (—22°) при давлении 2115 атм.

5. Температура кипения воды равна 100°. Но так как молекула воды построена из атомов водорода, кипящего при —253°, и кислорода, кипя­щего при —180° (при давлении в 1 атм), то температура кипения воды должна была бы лежать в пределах от —100 до —150°.

6. Лед обладает исключительно большой теплотой плавления, рав­ной 79,4 калорий на грамм, т. е. вода и лед при 0° отличаются по содер­жанию скрытой энергии почти на 80 калорий.

7. Скрытая теплота парообразования также очень велика (539 кало­рий на грамм при температуре 100°). Ее зависимость от температ Теплоемкость насыщенного пара при температурах до 500° отрицательная. Пар при увеличении давления остается в газообразном состоянии (прозрачным), а при уменьшении давления конденсируется, образуя туман.

8. Диэлектрическая постоянная воды а = 81 (при 20°). У большинства других тел она находится в пределах от 2 до 3.

10. Коэффициент преломления света в воде тг = 1,3. Между тем как, согласно волновой теории света, он должен был бы быть равным я = -/7= 9.

Все эти аномалии объясняются строением молекулы и особенностями структуры воды. Установлено, что в молекуле воды (Н₂О) ядра атомов водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник с углом при вершине, равным приблизительно 103—106°. Электронная оболочка представляет собой сферу с радиусом, равным 1,38 X 10~⁸ см. Ее центр совпадает с центром инерции и лежит на высоте треугольника ядра ближе к вершине, занятой кислородом. Электрические связи, удержи­вающие составные части молекулы, очень велики. Диссоциация (разло­жение) молекулы водяного пара на кислород и водород начинается только при температуре порядка 1400°, но и при температуре 3092° раз­рушается не более 13% молекул.

Молекулы воды обладают, кроме того, большим результирующим электрическим моментом, т. е. создают в электрическом поле сильную поляризацию. Этим объясняется большая диэлектрическая постоянная воды. Структура самой воды, т. е. собрания водяных молекул, также сложна.

Тяжелая вода.Представления о строении воды еще больше усложни­лись с открытием изотопов кислорода и водорода. Тяжелая вода, пред­ставляющая изотопную разновидность воды, в которой водород частично или полностью заменен тяжелым водородом (D-дейтерий), значительно отличается от обыкновенной воды по физическим свойствам. Сравни­тельные данные физических характеристик обыкновенной и тяжелой воды приведены в табл. 11.

Таблица 11

Существует также тяжелокислородная вода, >в которой обыкновенный кислород заменен его тяжелыми изотопами О¹⁷ или О¹⁸. Существует, наконец, сверхтяжелая вода, в которой водород заменен радиоактивным изотопом — тритием.