Уважаемые коллеги
P.S. Предлагаем на представленной нами новой концепции обсуждать некоторые проблематичные вопросы которые обсуждаются в органической и неорганической форумах нефти и газа, таких как:
.......
7. Вода известная и неизвестная.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ АНОМАЛЬНЫХ И СПЕЦИФИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ВОДЫ
Симонян Г.С.1, Арутюнян Н.М.2
1Симонян Геворг Саркисович- кандидат химических наук, доцент,
кафедра неорганической и аналитической химии,
Ереванский государственный университет, г. Ереван,Армения
2Арутюнян Норик Мартикович - магистрант,
кафедра неорганической и аналитической химии,
Ереванский государственный университет, г. Ереван,Армения
Аннотация: в статье обсуждаются аномальные и специфические свойства воды, такие как теплоемкость, температура кипения и замерзания, летучесть, плотность, сжимаемость, удельная теплота плавления и испарения, тепловое расширение, поверхностное натяжение, диэлектриче¬ская проницаемость, растворяющая способность, электролитическая диссоциа¬ция, теплопроводность, вязкость и прозрачность, скорость звука в воде. Показано, что необычные свойства воды связаны не только с наличием водородной связи, но также с «особенностью» структуры воды.
Ключевые слова: вода, структура воды, аномалия воды, специфичность воды.
Вода – химическое соединение кислорода и водорода, которое принято обозначать формулой Н2О. Она играет фундаментальную роль во многих процессах и явлениях, происходящих в Земле, на Земле и вокруг Земли. До сих пор не раскрыты все «тайны» воды, хотя более или менее изучены ее свойства, поведение в различных условиях и многое о воде уже известно. Химическая природа ее до сих пор окончательно не установлена, и на самом деле вода имеет более сложный состав. Молекулярная масса воды равна 18, но встречают¬ся молекулы с молекулярной массой 19, 20, 21 и 22. Они состоят из более тяжелых атомов водорода и кислорода, имеющих атомную массу соответственно более 1 и 16.Природные воды имеют неодинаковый изотопный состав. Из известных разновидностей молекул воды стабильны девять [1,2].
Молекула воды имеет угловое строение: представляет собой равнобедренный треугольник с углом при вершине 104,5°. Атом кислорода находится в sp3- гибридном состоянии; из четырех гибридных орбиталей кислорода две участвуют в образовании одинарных связей О–H, а две другие sp3 - гибридные орбитали заняты неподеленными электронными парами, их действие является причиной уменьшения угла от 109,28˚ до 104,5°. Молекула воды представляет собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности.
Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы воды довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется тепловым, механическим и электрическим разрушающим воздействиям. Согласно современным представлениям, наличие водородных связей между молекулами воды приводит к возникновению так называемых водных кластеров или комплексов. Однако необычные свойства воды связаны не только с наличием водородной связи, но также обстоятельством, что структура жидкой воды проявляет свойства, как целостная система[3-7].
Ниже представляем аномальные свойства воды [1,2, 5-10].
1. Теплоемкость — наиболее вы¬сокая, за исключением NH3 (при 20°С 4731 Дж/(кг·град). При атмосферном давлении и температуре до 100°С она находится в виде жидкости и ее теплоемкость изменяется в диапазоне от 4174 до 4220 Дж/(кг·град). Зависимость теплоемкости воды от температуры при атмосферном давлении не линейна. При нагревании воды до 27°С теплоемкость уменьшается, от 4217 до 4174 Дж/(кг·град), затем в интервале температуры 27–40°С значение этой величины остается практически постоянным (следует отметить, что в этом диапазоне температуры вода обладает наименьшей теплоемкостью). При температуре выше 40°С ее удельная теплоемкость увеличивается и достигает своего максимума при температуре кипения 4220 Дж/(кг·град). С повышением давления удельная теплоемкость воды уменьшается, но увеличивается также и температура кипения воды, например, при давлении в 100 бар (атмосфер) она находится в жидком состоянии даже при температуре 300°С. Удельная теплоемкость воды при этом составляет величину 5700 Дж/(кг·град). При продолжении нагрева воды, например до 320°С, она переходит в пар, который имеет большую теплоемкость. Однако, при низких давлениях, вода начинает кипеть и переходит в пар при температурах гораздо ниже 100 °С. Например, по данным таблицы, при давлении 0,1 бар и температуре 50 °С, вода уже находится в виде водяного пара, и его теплоемкость при этих условиях составляет величину, равную 1929 Дж/(кг·град). Как показано, в области температур человеческого тела 30-40 °С, теплоемкость воды минимальна. Это замечательное свойство воды предопределяет равную вероятность течения обратимых и необратимых биохимических реакций в организме человека и обеспечивает энтропийно-информационное управление ими.
2. Температура кипения и замерзания воды. Если бы вода была бы нормальным мономолекулярным соединением, таким, например, как гидриды ее аналогов: серы, селена и телура по шестой группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева, то в жидком состоянии вода существовала бы в диапазоне от минус 100 °С до минус 80°С(см. таблицу 1).
Таблица 1.
Температура кипения и замерзания воды и ее химических аналогов
Соединение H2O H2S H2Se H2Te
М,г/моль 18 34 80 129
ےHЭH 104,6 92 90 90
Tзам., °С 0 -82 -64 -51
Tкип., °С 100 -61 -42 -4
3. Летучесть воды наименьшая, тогда как у соединений водорода с элементами подгруппы кислорода она возрастает при переходе от телура к сере (см. таблицу 1).
4.Плотность воды в зависимости от температуры максимальная при температуре от 3,8 до 4,2°С. В этих условиях точное значение плотности воды составляет величину 999,972 кг/м3. Такая температурная зависимость плотности характерна только для воды. Вода существует как отдельная жидкость при температуре от 0 до 374,12°С–это ее критическая температура, при которой исчезает граница раздела между жидкостью и водяным паром. Другие распространенные жидкости не имеют максимума плотности на этой кривой — их плотность равномерно снижается по мере роста температуры.Так, для всей биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому жизнь может существовать в воде замерзающих водоемов.
5. Сжимаемость, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления. Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. При нагреве воды от точки плавления вплоть до 46°C сжимаемость уменьшается, а потом увеличивается.
6. Удельная теплота плавления льда наиболее высокая (330кДж/кг), за исключением NH3– 332,3 кДж/кг.
7.Удельная теплота испарения — наиболее высокая из всех ве¬ществ. При нормальном атмосферном давлении удельная теплота парообразования воды равна 2258 кДж/кг, а температура кипения воды составляет 100°С. При увеличении давления, например до 100 атм., величина теплоты парообразования воды снижается до 1315 кДж/кг.Температура кипения воды в зависимости от давления изменяется следующим образом: при росте давления температура кипения воды увеличивается и достигает в критическом состоянии максимального значения 374,15°С при давлении 218,4 атмосфер. Высокая удельная теплота испарения крайне важна для переноса тепла и воды в атмосфере.
8.Тепловое расширение — темпе¬ратура, соответствующая мак-симальной плотности, умень¬шается с повышением солено¬сти. Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20 °С βв ≈ 2·10–4 К–1. Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры (β < 0). Максимум плотности ρв = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4 °С.
9.Поверхностное натяжение–наиболее высокое из всех жидкостей, кроме ртути. У воды коэффициент поверхностного натяжения при температуре 20°С на воздухе равен 72.86мН/м. Для ртути 20°С на воздухе равен 486.5мН/м. Высокое поверхностное натяжение позволяет воде иметь шарообразную форму при свободном падении. Поверхностное натяжение и смачивание являются основой особого свойств воды и водных растворов, названного капиллярностью. Капиллярность имеет огромное значение для жизни растительного, животного мира, формирования структур природных минералов и плодородия земли. В микроканалах вода приобретает удивительные свойства. Она становится более вязкой, уплотняется в полтора раза, а замерзает при -75°С. Связанная межмолекулярными силами с поверхностью пор и микрополостей пород и минералов земной коры и других объектов живой и неживой природы. Эта поровая вода , обладает особой структурой.
10.Относительная диэлектриче¬ская проницаемость — наибо¬лее высокая из всех жидко¬стей (для чистой воды ε=81 при 20 °C), за исключением формамида (ε=84 при 20 °C).Большое значение диэлектрической проницаемости объясняется особенностями молекулы H2O. Это связано с тем, что вода - сильно полярная жидкость и поэтому обладает мягкой ориентационной степенью свободы (т.е. вращения молекулярных диполей). Каждая молекула воды обладает значительным дипольным моментом. В отсутствие электрического поля диполи ориентированы случайным образом, и суммарное электрическое поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается и в любой другой полярной жидкости, но вода благодаря большому значению дипольного момента молекул H2O способна очень сильно (в 80 раз) ослабить внешнее поле.
11.Растворяющая способность — как правило, растворяет большинство веществ. Эксперименты показали, что вода и водные растворы после прогре¬ва при высоких значениях температуры и давления в течение неко¬торого времени находятся в метастабильном состоянии.
Метастабильная вода характеризуется повышенной растворяющей способ¬ностью по отношению к карбонатам, сульфатам, оксидам и силика¬там; она имеет пониженные значения pH и длительное время удер¬живает в своем составе аномальные количества растворенного ве-щества. Так, вода, активированная при 200, 300 и 400 °С, повыша¬ет свою растворяющую способность по отношению к кальциту в 2, 3 и 4 раза соответственно[9]. Способность воды сохранять свое струк¬турное состояние в течение некоторого времени после изменения внешних условий называется структурной памятью воды [10].
12.Электролитическая диссоциа¬ция — очень мала. Вода, это нейтральное вещество, хотя со¬держит ионы Н+ и НО–.
13.Теплопроводность — наиболее высокая из всех жидкостей. При 35 °С вода имеет наименьшую теплопроводимость. Основную роль играет в процессах, кото¬рые происходят в живых клетках, но для молекулярных процессов оказыва¬ется гораздо важнее, чем вихревая про¬водимость
14. Вязкость– при температуре ниже 35°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, проходит через минимум и только потом возрастает. Определяет гидродинамику водных объектов и седиментацию взвешенных веществ.
15. Прозрачность — относительно велика. Сильно поглощает лучистую энергию солнца в инфракрасной и ультрафиолетовой облас-тях спектра; в видимой области спектра наблюдается относительно малое избира¬тельное поглощение, поэтому вода бес¬цветна: особенности поглощения важны для физических, химических и биологических процессов.
16. Скорость звука в воде. Для всех жидкостей, кроме воды, скорость звука уменьшается с повышением температуры. Зависимость скорости звука в воде от температуры при атмосферном давлении не линейна. При нагревании воды от 0 до 70 °С скорости звука в воде увеличивается от 1403 до 1555 м/с , затем в интервале температуры 70– 85 °С значение этой величины остается практически постоянным При температуре выше 85°С скорость звука в воде уменьшается и при температуре кипения достигает величины 1543 м/с.
Список литературы
1. Петров М.Н., Михилев Л.А., Кукущкин Ю.Н. Неорганическая химия.–Л.:Химия.1976. 480с.
2. Никаноров А. М. Гидрохимия.– СПб: Гидрометеоиздат, 2001. 444 с.
3. Latimer Wendell M., Rodebush Worth H. Рolarity and ionization from the standpoint of the lewis theory of valence // J. Am. Chem. Soc.1920. V. 42. P. 1419–1433. DOI:10.1021/ja01452a015
4. Simonian G.S., Beylerian N.M. The solvent action on Michaelis reaction rate. A New Parameter concerning the solvent Polariti.//Oxidation Communication, 2003,V.26, №4,P.485-491.
5. Мосин О.В., Игнатов И. Структура воды // Химия. 2013. № 1. С. 12–32
6. Асхабов А.М. Нанокластерная модель образования жидкой воды //Известия Коми научного центра УРО РАН. 2016. №1.(25). С.62-67
7. Зенин С.В. Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса // Докл. РАН. 1993. Т. 332, № 3. С. 328–329.
8. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. –М.: Энергия, 1980. 424 с.
9. Летников Ф.А., Кащеева Т.В., Минцис А.Ш. Активированная вода.– Новосибирск: Наука, 1976. 135 с.
10. Блох А. М. Структура воды и геологические процессы. –М.: Не¬дра, 1969. 216 с.
Симонян Г.С. Арутюнян Н. М. Представление об аномальных и специфических свойствах воды. // Наука и образование сегодня,2018, № 4 (27), С.13-15.
Голосование