Вода как вещество, ее молекулярная структура и изотопный состав

Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобед­ренный треугольник с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине (рис. 1.1).

Атом кислорода в молекуле воды присоединяет к себе два элек­трона, отнятых от атомов водорода, и тем самым приобретает от­рицательный заряд. В свою очередь, оба атома водорода, лишенные электронов, становятся положительно заряженными протонами. Молекула воды поэтому образует электрический диполь.

П

Рис. 1.1. Строение молекулы воды

молекулы других веществ, что обусловливает сильное растворяю­щее действие воды.

Каждая молекула воды, обладающая двумя положительными и двумя отрицательными зарядами, способна образовать четыре так называемые водородные связи, т. е. соединения положительно заря­женного ядра водорода (протона), химически связанного в одной молекуле, с отрицательно заряженным атомом кислорода, принад­лежащим другой молекуле.

Наиболее упрощенное представление о молекулярной структуре воды заключается в следующем. Водяной пар состоит преимуще­ственно из мономерных (одиночных) молекул воды, т. е. водород­ные связи практически не реализуются. В твердом состоянии (лед) строение воды в высокой степени упорядочено. В кристаллах льда молекулы воды составляют гексагональную систему с прочными водородными связями. Такая структура весьма рыхлая и, как иног­да говорят, «ажурная». Вода в жидком состоянии занимает проме­жуточное положение между паром и льдом. В такой воде сохраня­ются элементы «льдоподобного» молекулярного каркаса, а его пу­стоты частично заполняются одиночными молекулами. Поэтому «упаковка» молекул в воде, находящейся в жидком состоянии, более плотная, чем у льда, и плавление льда приводит не к уменьшению, а к «аномальному» увеличению плотности воды.

Переход от полностью упорядоченной рыхлой молекулярной структуры, свойственной льду, к более плотной структуре, свой­ственной воде в жидком состоянии, не происходит мгновенно в процессе плавления льда, а продолжается и в жидкой воде. При повышении температуры наряду с упомянутым уплотнением «упа­ковки» молекул происходит и свойственное всем веществам увели­чение объема воды вследствие роста интенсивности теплового дви­жения молекул. В диапазоне повышения температуры от 0 до 4°С преобладает процесс уплотнения химически чистой воды, при тем­пературе выше 4 °С — тепловое расширение, поэтому вода обладает «аномальным» свойством — наибольшей плотностью не при темпе­ратуре плавления, а при 4°С.

Присущие воде водородные связи примерно в десять раз проч­нее связей, обусловленных межмолекулярными взаимодействия­ми, которые характерны для большинства других жидкостей. По­этому для преодоления этих связей при плавлении, нагревании и испарении воды необходимо гораздо больше энергии, чем в слу­чае других жидкостей. Это определят ряд «аномалий» тепловых свойств воды.

Водород и кислород имеют несколько природных изотопов: ‘Н («обычный» водород), ²Н, или D («тяжелый» водород, или дейте­рий), ³Н, или Т (радиоактивный «сверхтяжелый» водород, или три­тий), ¹⁶0, ¹⁷0, ¹⁸0. Поэтому и сама вода имеет переменный изотоп­ный состав. Природная вода — это смесь вод разного изотопного состава. Наиболее распространена вода, состоящая из изотопов ‘Н и ¹⁶0, 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 (¹⁸0) меньше, чем океанические воды.

Воду с изотопным составом *Н₂^|60 называют «обычной» водой и обозначают просто Н₂0, остальные виды воды (кроме ³Н₂0) на­зывают «тяжелой» водой. Иногда «тяжелой» водой считают лишь дейтериевую воду ²Н_гО (или D₂0). Вода с изотопным составом ³Н₂0 (или Т₂0) — так называемая «сверхтяжелая» вода. Ее на Земле находится всего 13—20 кг. Приведенные в дальнейшем сведения относятся только к «обычной» воде.