background image

 

62

9  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ. 

Рассмотрим физико-химические свойства воды на основе наших представлений 

о строении воды. 

9.1  Плотнейшее (аномальное) состояние воды. 

Плотнейшее (аномальное) состояние воды наблюдается при 4 

0

С, как это видно 

из нижеприведенной таблицы. 

 

Температура,

  0

С 0 

20 

Удельный вес жидкой воды, г/см

3

 

0,999868 1,000000 0,998230 

Удельный вес льда, г/см

3

 

0,9168 - 

 

Эта 

температура 

оказывает 

наиболее 

положительное 

влияние 

на 

термодинамическое  равновесие  всех  существующих  структур  из  молекул  НОН. 
Малые  структуры,  такие  как  димеры,  тримеры  и  различные  цепочки  из  молекул 
воды  заполняют  все  возможные  пустоты  в  структурах D, F, H, что  приводит  к 
формированию  максимальной  плотности  воды,  о  чем  свидетельствует  увеличение 
координационного числа молекул (к.ч. >4). 

При  понижении  температуры  от 4 

0

С  амплитуды  колебательных  движений 

молекул  уменьшаются;  в  связи  с  этим  уменьшаются  расстояния  между  молекулами 
от 2,9 до 2,76 А  (последнее  значение  определено  методом  рентгеноструктурного 
анализа  в  тетраэдрической  структуре  льда);  уменьшается  размер  пор  в  фазовых 
структурах,  и  цепочечные  молекулы  (димеры,  тримеры  и  т.д.)  выталкиваются  из 
этих  фаз.  Происходит  разделение  взаимно-проникающих  структур.  Ажурная 
тетраэдрическая  фаза-1  является  менее  плотной  и  при 0 

0

С  начинает  превращаться 

в лед. 

При  охлаждении  воды  происходит  формирование  кристаллов  льда  в 

соответствии с законами кристаллохимии. Более рыхлые Н-ассоциаты воды фазы-1, 
присутствующие 

в 

значительном 

количестве, 

формируют 

гексагональную 

структуру  из  тетраэдров  молекул  воды,  отторгая  другие  структуры,  имеющиеся  в 
меньшем  количестве  и  несоответствующие  по  своей  геометрии  тетраэдрическим 
формам.  Поэтому  плотные  структуры  фазы-2  в  виде  кластеров  из  молекул  воды, 
связанных  диполь-квадрупольными  и  квадруполь-квадрупольными  связями  и 
различные цепочки встроиться в кристаллы льда не могут. 

Известно,  что  при  замерзании  воды  ее  объем  увеличивается.  Этот 

удивительный  факт  легко  объясняется  нашей  двухфазной  моделью  строения  воды: 
фаза 1 – это  тетраэдрические  Н-ассоциаты;  фаза 2 – плотная  кластерная. 
Обозначим  исходный  объем  некоторой  порции  воды  через  V

1

,  а  объем  плотных 

кластеров  через  V

2

;  кроме  того,  следует  также  учесть  некоторый  объем  V

3

который  занимают  различные  цепочки  из  молекул  воды.  Помним,  что  кластерные 
структуры  фазы 2 находятся  внутри  и  в  окружении  тетраэдрических  структур  фазы 
1,  поэтому  объемы  V

2  

и  V

3  

при  4

0

С  являются  внутренними  частями  объема  V

1

Выше  отмечалось,  что  понижение  температуры  ниже  нуля  приводит  к 
выталкиванию  цепочечных  и  отделению  плотных  кластерных  структур  от  фазы 1; 
это  приводит  к  тому,  что  при  замораживании  общий  объем  исходной  порции  воды 
увеличивается примерно  на 9 % и  становится  равным  V

4

=V

1

+V

2

+V

3

, даже несмотря 

на  уменьшение  расстояния  между  Н-связанными  молекулами  воды,  происходящее 
при  понижении  температуры,  т.е.  три  структуры  существуют  независимо  друг  от 
друга  при  увеличении  пористости  льда,  в  который  превратилась  фаза 1. Более 
плотная  и  более  тяжелая  фаза 2 опускается  в  нижнюю  часть  объема,  занимаемого 
водой.  При  отрицательных  температурах  лед  имеет  плотность 0,9168 г/см

3

,  то  есть 

меньшую, чем вода, что дает возможность ему плавать на поверхности воды.