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
4
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.