Изучение свойств воды п. Аксеново, в сравнении с крещенской (стр. 1 )

емдёнок Юлия Сергеевна

Изучение свойств воды п. Аксеново, в сравнении с крещенской

Работу выполнила:

Ученица 11 класса

Цель работы:

Расширить представление о воде, как о химическом элементе и природном веществе. Проанализировать пробу воды из различных источников данного поселка с целью установление качества воды и сравнения ее с крещенской водой.

Физические свойства воды

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе её из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность её также увеличивается. При 4°С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании её плотность уменьшается. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твёрдое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоём промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотность вода достигает при 4°С, то перемещение её слоёв, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остаётся на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания. Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоёмкостью [4,18 Д/(гК)], поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре. В связи с тем, что при плавлении льда объём, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Это вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть лёд и жидкая вода находятся в равновесии при 0°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объём. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при 0°С вызывает превращение льда в жидкость, а это значит, что температура плавления льда снижается. Молекула воды имеет угловое строение; входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1нм, расстояние между ядрами атомов водорода примерно 0,15нм. Из восьми электронов, внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две не поделенных электронных пары. Атом кислорода в молекуле коды находится в состоянии – гибридизации. Поэтому валентный угол НОН(104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных электронных полюса. Центры отрицательных зарядов, не поделённых электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных – орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюсов. Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяется, путем изучения её растворов в других растворителях оказывается, более высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей. В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими равноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащих к тому же слою, и с одной – из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекул. При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты - как бы обломки структуры льда, - состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких УледяныхФ агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а её плотность возрастает. По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4 ºC этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании свыше 4 ºC преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4 ºC вода обладает максимальной плотностью. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоёмкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар.

Химические свойства воды

Молекулы воды отличаются большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000 ºC водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород:

  2Н2О = 2Н2 + О2

процесс разложения вещества в результате его нагревания называется термической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле – Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000 ºC степень термической диссоциации воды не превышает 2 %, т. е. равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации – водородом и кислородом – все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000ºC равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении. Вода – весьма реакционно –способное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты;

  Nа2О + Н2О = 2NаОН

некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода. (ПРИМЕР) Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосферы воздуха. Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом: так называемые гидраты газов. Примерами могут служить соединения Хе · 6НО, CI·8НО, С2Н6·6НО, С3Н8 ·17Н2О, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24 ºC (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа (УгостяФ) межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды (УхозяинаФ); они называются соединениями включения или клатратами. В  клатратных соединениях между молекулами УгостяФ и УхозяинаФ образуются лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных затруднений. Поэтому клатраты – неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких температурах. Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных газов. В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в соленую воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают льдоподобные кристаллы клатратов, а соли остаются в растворе. Похожую на снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают. Затем при некотором повышении температуры или уменьшении давления клатраты разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь используется для получения клатрата. Высокая экономичность и сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в качестве промышленного метода опреснения морской воды. 

Водная среда 

Водная среда включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд.375 кубических километров – около 98% всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. квадратных километров. Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн. квадратных километров. Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1 млрд. кубических километров) сохраняет постоянную соленость около 3,5 % и температуру, примерно равную 3,7 ºC. Заметные различия в солености и температуре наблюдается почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 метров. Подземные вод бывают солеными, солоноватыми ( меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру (боле 30ºC). Для производственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляет всего лишь 2,7% общего объема воды на Земле, причем очень малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга. Годовой мировой речной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. кубических километров. Кроме того, может использоваться часть подземных вод, равная 13 тыс. кубическим километрам. К сожалению, большая часть речного стока в России, составляющая около 5000 кубических километров, приходится на малоплодородные и северные малозаселенные территории. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду, производя ее опреснение или гиперфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающими молекулы соли. Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтому представляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительным расчетам разработчиков этого предложения, получение пресной воды будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрации. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впрочем, некоторые из них, например коклюш, ветрянка, туберкулез передаются через воздушную среду. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды.

Пресная вода

Пресные водные ресурсы существуют благодаря вечному круговороту воды. В результате испарения образуется гигантский объем воды, достигающий 525 тыс. км в год.(из-за неполадок шрифта объемы воды указаны без кубометров) 86% этого количества приходится на соленые воды Мирового океана и внутренних морей - Каспийского, Аральского и др.; остальное испаряется на суше, причем половина благодаря транспирации влаги растениями. Каждый год испаряется слой воды толщиной примерно 1250 м. Часть ее вновь выпадает с осадками в океан, а часть переносится ветрами на сушу и здесь питает реки и озера, ледники и подземные воды. Природный дистиллятор питается энергией Солнца и отбирает примерно 20% этой энергии. Всего 2% гидросферы приходится на пресные воды, но они постоянно возобновляются. Скорость возобновления и определяет доступные человечеству ресурсы. Большая часть пресных вод-85%-сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Скорость водообмена здесь меньше, чем в океане, и составляет 8000 лет. Поверхностные воды суши обновляются примерно в 500 раз быстрее, чем в океане. Еще быстрее, примерно за 10-12 суток, обновляются воды рек. Наибольшее практическое значение для человечества имеют пресные воды рек. Реки всегда были источниками пресной воды. Но в современную эпоху они стали транспортировать отходы. Отходы на водосборной территории по руслам рек стекают в моря и океаны. Большая часть использованной речной воды возвращается в реки и водоемы в виде сточных вод. До сих пор рост очистных сооружений отставал от роста потребления воды. И на первый взгляд в этом заключается корень зла. На самом деле все обстоит гораздо серьезнее. Даже при самой совершенной отчистке, включая биологическую, все растворенные неорганические вещества и до 10% органических загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных водах. Такая вода вновь может стать пригодной для потребления только после многократного разбавления чистой пресной водой. И здесь для человека важно соотношение абсолютного количества сточных вод, хотя бы и очищенных, и водного стока рек. Мировой водохозяйственный баланс показал, что на все виды водопользования тратится 2200 км воды в год. На разбавление стоков уходит почти 20% ресурсов пресных вод мира. Расчеты на 2000 г. в предположении, что нормы водопотребления уменьшаются, а очистка охватит все сточные воды, показали, что все равно ежегодно потребуется 30-35 тыс. км. пресной воды на разбавление сточных вод. Это означает, что ресурсы полного мирового речного стока будут близки к исчерпанию, а во многих районах мира они уже исчерпаны. Ведь 1 км очищенной сточной воды "портит" 10 км речной воды, а неочищенной – в 3-5 раз больше. Количество пресной воды не уменьшается, но ее качество резко падает, она становится непригодной для потребления. Человечеству придется изменить стратегии водопользования. Необходимость заставляет изолировать антропогенный водный цикл от природного. Практически это означает переход на замкнутое водоснабжение, на маловодную или малоотходную, а затем на "сухую" или безотходную технологию, сопровождающуюся резким уменьшением объемов потребления воды потенциально велики. Однако в любом районе мира они могут истощиться из-за нерационального водопользования или загрязнения. Число таких мест растет, охватывая целые географические районы. Потребность в воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения мира. Объем потребляемой воды зависят от региона и уровня жизни, и составляет от 3 до 700л в сутки на одного человека. Потребление воды промышленностью также зависит от экономического развития данного региона. Например, в Канаде промышленность потребляет 84% всего водозабора, а в Индии - 1%. Наиболее водоемкие отрасли промышленности – сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит почти 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. В среднем в мире на промышленность уходит примерно 20% всей потребляемой воды. Главный же потребитель пресной воды – сельское хозяйство: на его нужды уходит 70-80% всей пресной воды. Орошаемое земледелие занимает Лиль 15-17% площади сельскохозяйственных угодий, а дает половину всей продукции. Почти 70% посевов хлопчатника в мире существует благодаря орошению. Суммарный сток рек СНГ (СССР) за год составляет 4720 км. Но распределены водные ресурсы крайне неравномерно. В наиболее обжитых регионах, где проживает до 80% промышленной продукции и находится 90% пригодных для сельского хозяйства земель, доля водных ресурсов составляет свего20%. Многие районы страны недостаточно обеспечены водой. Это юг и юго-восток европейской части СНГ, Прикаспийская низменность, юг Западной Сибири и Казахстана, и некоторые другие районы Средней Азии, юг Забайкалья, Центральная Якутия. Наиболее обеспечены водой северные районы СНГ, Прибалтика, горные районы Кавказа, Средней Азии, Саян и Дальнего Востока. Сток рек изменяется в зависимости от колебаний климата. Вмешательство человека в естественные процессы затронуло уже и речной сток. В сельском хозяйстве большая часть воды не возвращается в реки, а расходуется на испарение и образование растительной массы, так как при фотосинтезе водород из молекул воды переходит в органические соединения. Для регулирования стока рек, не равномерного в течение года, построено 1500 водохранилищ (они регулируют до 9% всего стока). На сток рек Дальнего Востока, Сибири и Севера европейской части страны хозяйственная деятельность человека пока почти не повлияла. Однако в наиболее обжитых районах он сократился на 8%, а у таких рек, как Терек, Дон, Днестр и Урал, - на 11-20%. Заметно уменьшился водный сток в Волге, Сырдарье и Амударье. В итоге сократился приток воды к Азовскому морю - на 23%, к Аральскому – на 33%. Уровень Арала упал на 12,5 м. Ограниченные и даже скудные во многих странах запасы пресных вод значительно сокращаются из-за загрязнения. Обычно загрязняющие вещества разделяют на несколько классов в зависимости от их природы, химического строения и происхождения.

История открытия воды

Вода, можно сказать, - самая популярная и самая загадочная жидкость из всех существующих на Земле. Вода – одно из начал всего существующего на Земле, говорили в древности. Это простое вещество, единое и неделимое, считали в средние века.

Вода состоит из водорода и кислорода, ее можно получить с помощью химической реакции, доказал А. Лавуазье. Свойства воды во многом предопределяют свойства растворов, утверждал . Но, по мнению ученых, всего этого оказалось недостаточно, чтобы объяснить причины аномальных свойств воды. Вся практическая деятельность человека с самой глубокой древности связана с использованием воды и водных растворов. Основные запасы воды гидросферы воды содержаться в мировом океане, причем морские воды составляют 94% от всего объема, а на долю пресных приходится менее 2%. В истории человечества первые попытки изучения воды относятся к глубокой древности. Большое внимание воде уделил греческий философ Фалес из Милета (около 6гг. до н. э.), считая, что в основе всего многообразия явлений и вещей лежит вода. Он был первым, кто отметил необычность ее физических свойств и, сравнивая с другими веществами природы, указал на способность воды существовать в трех состояниях: твердом, жидком и газообразным. Фалесу принадлежит знаменитое восклицание: "Воистину вода лучше всего". Важную роль в понимании химической природы воды сыграли исследования выдающегося английского ученого Роберта Бойля (). Продолжая в алхимических традициях изучать процессы горения и обжига металлов, он обнаружил, что часть воздуха при этом расходуется, но что это за часть для него осталось загадкой. Бойль вплотную подошел к открытию кислорода, но остановился. Неоднократно  наблюдал образование воды при сгорании органических веществ – винного спирта, воска, бальзама и других соединений, он все же не смог расшифровать величайшую загадку того времени – состав воды. Бойль был проницательным исследователем, но сложная природа воды от него все-таки ускользнула. Завершить многолетний гигантский марафон суждено было выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье и его коллеге Пьеру Лапласу, синтезировавшим воду из водорода и кислорода. Первым, кто совершил великий переворот в представлениях о воде, был выдающийся французский химик Антуан Лоран Лавуазье (). Продолжая опыты по синтезу и разложению воды, А. Лавуазье и Ж. Минье в феврале 1785 года пришли к выводу, что вода содержит 85% кислорода и 15% водорода (по современным данным, 88,81% кислорода и 11,19% водорода). В 1805 году было установлено, что для образования воды необходимо два объема водорода и один объем кислорода. Дюма нашел точный весовой состав воды, в 1843 году проведя опыты по восстановлению окиси газообразным водородом. Экспериментальные исследования, выполненные в ХIХ веке весовыми и объемными методами, в конце концов, убедительно показали, что вода как химическое соединение может быть выражено формулой Н2О. Было установлено, что плотность воды достигает максимума при 4ºC. Охлаждаясь до этой температуры, вода уменьшается в объеме до минимальных значений, а при дальнейшем понижении температуры, от 4ºC до 0ºC, расширяется. Это свойство приводит к чрезвычайно важным последствиям. Зимой поверхностная вода, охлаждаясь до 4ºC, опускается на дно, процесс идет до тех пор, пока вся вода не охладится до температуры максимальной плотности, конечно, оставаясь при этом не замерзшей. Дальнейшее понижение температуры приводит к образованию ледяного покрова, который также надежно защищает воду от полного вымораживания. Только очень неглубокие водоемы промерзают до самого дна. Морская вода в отличие от пресной ведет себя по-другому. Наличие различных солей заметно меняет ее физико-химические свойства. Она замерзает при -1,9 ºС и имеет максимальную плотность при – 3,5ºC. В этом проявляется весьма интересное свойство морской воды: она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Способность расширяться при замерзании спасает нашу планету от оледенения. Не обладая, вода этой важной аномалией, все водоемы промерзали до дна и жизнь, скорее всего, вряд ли могла бы возникнуть. Благодаря высокой теплоемкости воды на континентах не происходит резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днем, поскольку они окружены гигантским регулятором, своеобразным термостатом – водами Мирового океана. Удельная теплоемкость воды, высока по сравнению с другими веществами. При нагревании вещества теплоемкость, как правило, возрастает. Она различна, например, при нагревании вещества от 10 до 11 ºC или от 99 до 100ºC, но для любого вещества неизменно повышается с увеличением температуры. Для любого вещества, но не для воды. Вода – исключение. Она ведет себя совершенно по-другому, и здесь не упуская возможности быть оригинальной. Изменение теплоемкости воды с повышением температуры аномально: от 0 до 37 ºC  падает, и только от 37до 100 ºC начинает повышаться. Все знают, что в летнее время по утрам выпадает роса. Пристально всмотришься в игровую росу. Удивительные капельки, играя бликами солнечного света, искрятся по утрам на листьях, в траве, рассыпаются по земле светлым жемчугом. Круглые шарики воды очень упруги. Известно, что если стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то иголка не тонет. А ведь удельная масса металла значительно  больше, чем у воды. Молекулы воды связаны  силами поверхностного натяжения. Если бы удалось заглянуть внутрь капли, то можно было бы увидеть, что силы, действующие между молекулами, уравновешивают друг друга. Однако это не относится к поверхностному слою молекул, которые располагаются на границе вода-воздух. На поверхности силы межмолекулярного притяжения действуют только с одной стороны и как бы стягивают поверхность жидкости. Молекулы как бы "примагничивают"  друг друга и стремятся втянуться внутрь от поверхностного слоя. Поэтому вода в свободном состоянии принимает шарообразную форму. Силы поверхностного натяжения настолько велики, что две смоченные водой пластинки из стекла удается  разъединить только с помощью огромных усилий. Абсолютно чистая вода не кипит, даже если нагреть выше температуры кипения на несколько десятков градусов. Она не замерзает при температуре ниже 0 ºC. Но такой воды в природе нет, да и в лабораторных условиях ее пока получить невозможно. Оригинальная и еще одна характеристика воды – ее вязкость. Обычно с повышением давления вязкость вещества увеличивается, а с ростом температуры уменьшается. Вода и здесь шагает не в ногу со всеми. Ее вязкость при температурах ниже 30 ºC  с ростом давления значительно уменьшается. По мере повышения давления вязкость воды проходит через минимум и только потом увеличивается. Вода может растворять любые вещества. Предполагается, что в морской воде присутствуют все элементы таблицы Менделеева. В настоящее время их обнаружено около 80. Свойство воды растворять вещества объясняется высокой диэлектрической проницаемостью. Из-за способности растворять другие вещества вода никогда не бывает чистой. Различные породы, в естественных условиях, взаимодействуя с водой, принимают форму гидратов, создавая при этом интереснейшие минералы сложного химического состава. Эта область представляет большой интерес для геологов и химиков, поскольку еще многое остается не ясным при изучении обнаруженных в природе образований гидратного типа. Современник Лавуазье, французский химик Антуан Франсуа Фуркруа () высказал предположение, в соответствии, с которым вода представляет собой раствор водяного пара в воде, и тем самым обратил внимание на неоднородность частиц, взаимодействующих между собой в жидкой среде. Спустя столетия после Фуркруа американский ученый Г. Уайтинг в 1884 году в работе "Теория сцепления" возрождает забытые идеи. По мнению Уайтинга, вода – ассоциированная жидкость. В 1929 году публикует интересную статью "Кристаллическая структура льда", в которой приводит новые данные исследования твердой фазы воды с помощью рентгеноструктурного метода. Предварительно изучив работы своих предшественников, проводивших исследования льда, он, прежде всего, пытается выяснить причины возможных ошибок при расшифровке положений ядер кислорода. В 1929 году, изучая структуру льда рентгенографическим методом, В. Барнс обнаружил, что молекулы воды во льду полностью ионизированы, а каждый водород находится на равном расстоянии между двумя соседними кислородными ядрами. Именно Брэгг и Барнс первыми увидели ажурную структуру кристаллической решетки льда, и это на многие годы определяло пути дальнейшего изучения воды. Обычный лед был достаточно хорошо изучен, но оказалось, что лабораторным путем можно синтезировать другие его модификации, которые в естественных условиях не существуют. Обычный лед сохраняется при давлении, не превышающем 208 МПа (мегапаскалей). При более высоких значениях образуется лед III, а при достижении величин 300 МПа получается лед II. Давление в 500МПа приводит к новой модификации, которая называется – лед V. Если давление повысить до 2ГПа (гигопаскалей), то удается получить лед VI, который не плавится даже при 80ºC, это так называемый горячий лед. Ученые обнаружили и лед VII, но при очень большом давлении 3ГПа. Он плавится при совершенно фантастической температуре 190ºC, это очень твердый и очень тяжелый лед. В научной литературе появились сообщения о существовании малоустойчивого льда IV, который переходит в лед V. В 1937 году открыл лед VIII, имеющий самую большую плотность. Все указанные модификации льда тяжелее воды и создаются искусственно при проведении различных экспериментов. Такой лед не будет плавать, он тонет, его плотность выше плотности воды. Итак, в результате рентгенографического изучения структуры льда в годах была установлена тетраэдрическая структура в твердой фазе воды. Основные идеи, обуславливающие взаимосвязь молекул воды посредством водородной связи, сыграли поистине революционную роль в представлениях о структуре воды. У Дж. Бернала возник замысел новой теории при необычных обстоятельствах. В осенние дни 1932 года он находился в Москве в составе английской делегации, которая знакомилась с организацией научно – исследовательских работ в Советском Союзе. Ученые прибыли в Ленинград морем, а возвращались на родину из Москвы воздушным транспортом. В день вылета густой туман окутал все кругом, рейс откладывался. В ожидании подходящей для вылета погоды Дж. Бернал прохаживал вместе с профессором Р. Фаулером. Разговор шел о тумане, задержке рейса и незаметно перешел к проблеме воды. "И тут-то я задумался над нею заново, - пишет Дж. Бернал, - в свете наших московских дискуссий. Меня вдруг осенило, что, быть может, ключ ко всей природе воды лежит в структуре самой молекулы… Вода обладает весьма сильным электрическим моментом, и этим, возможно, объясняются ее особенности. Такой электрический момент может образоваться, только если оба атома водорода примыкают к кислороду с одной и той же стороны… Именно такое "однобокое" расположение частиц водорода и способно объяснить чрезвычайно ажурный способ межмолекулярного сцепления в воде". В основе современных взглядов касающихся строения молекулы воды, лежат главным образом исследования ее газового состояния. Изучая спектр паров воды советский физик, академик АН БССР нашел, что валентный угол Н - О - Н достигает 104°40’, длинна связи О – Н равна 0,0956 нм, для льда она несколько больше – 0, 099 нм. Расстояние между протонами Н - Н составляет 0, 1539 нм.

Дипольный момент, Н – О – Н и водородная связь О – Н…О во многом определяют уникальные свойства воды. Строение молекулы воды, в частности совсем небольшие деформации валентного угла в молекуле воды, зависящие от размещения протонов, играет исключительно важную роль в формировании окружающего нас мира. По поводу расположения ядер атомов водорода – протонов в молекуле воды было выдвинуто несколько гипотез. Известный датский ученый Н. Бьеррум, изучая структуру и свойства льда, в 1951 году предложил модель с точечным распределением зарядов, которая, несмотря на свою простоту, довольно удачно передавала различные особенности молекулы воды. Модель получила широкое распространение и всеобщее признание.

Тяжелая вода

Мир неожиданно облетела сенсационная новость: обнаружена тяжелая вода. Американский физико - химик Гарольд Юрии (), в молодости проявлявший большой интерес к ядерной структуре вещества, решил использовать спектроскопический метод для изучения водорода. На этом пути ему сопутствовала большая удача, он открыл тяжелый водород – дейтерий, предсказанный еще Э. Резерфордом. Об этом Г. Юрии сообщил в 1931 году на новогоднем собрании Американской Ассоциации развития науки в Нью-Орлеане. Дальнейшие усилия ученого были направлены на получение образца с высокой концентрацией дейтерия. Это удалось сделать с помощью электролиза, газовой диффузии, дистилляции воды и других методов. Дейтерий начал свой новый путь, а Г. Юри была вручена Нобелевская премия (в 1934 году). Тяжелая вода впервые была обнаружена в природной воде Г. Юри и в 1932 году. В 1933 году в Калифорнийском университете США известный физико-химик Г. Льюис (), иностранный почетный член АН СССР (1942); и его коллега Р. Макдональд впервые выделили из природной воды практически чистую тяжелую воду.

Тяжелая вода, как выяснили ученые, подавляет все живое. По мнению – Соколова, теоретически можно взять различные комбинации изотопов водорода и кислорода, то есть если каждый изотоп кислорода прореагирует в аналогичном для воды соотношении с изотопами водорода – 1:2, то из всего набора компонентов можно будет получить 48 разновидностей воды. Из нескольких десятков разновидностей воды большая часть существует только теоретически, то есть только на бумаге. Из 48 вод 39 – радиоактивны и всего лишь 9 стабильны, то есть устойчивы: Н2 16О, Н2 17 О, Н2 18 О, НD16 О, НD17 О, НD18 О, D2 16 О, D2 17 О, D2 18 О. Но это число может существенно вырасти, если подтвердится сообщение о наличии двух сверхтяжелых водородов 4Н и 5Н, тогда различных вод будет уже 120. Итальянский физик Энрико Ферми,  проводивший эксперименты в области ядерной физики, понял, что тяжелая вода имеет огромнейшее военное значение. Такая вода используется в ядерных реакторах как теплоноситель и замедлитель нейтронов. Тяжелая вода замедляет биологические процессы и действует угнетающе на живые организмы.  Микробы в тяжелой воде гибнут, семена не прорастают.  Тяжелая вода губительно влияет на животных. А на человека? К сожалению, нам это еще не известно. Известно, что в одной тонне речной воды присутствует около 150 граммов тяжелой. В океанской воде еще чуть больше.

В послевоенные годы исследования свойств тяжелой воды заметно расширилось. На первый план выдвигается проблема изучения содержания и распределения изотопов водорода в природных водах. Многие ученые-экспериментаторы с интересом принялись за изучение дейтерия в природных водах. Исследуя различные типы вод: озерная, речная, морская, грунтовая, атмосферные осадки и т. д., удается установить определенные закономерности в распределении тяжелой воды. Данные о влиянии молекулы тяжелой воды(D2О) на структуру воды нет, но установлено, что молекулы тяжелой воды повышают вязкость, скрытую теплоту парообразования и скрытую теплоту плавления. В тяжелой воде понижается диэлектрическая постоянная, электропроводность, растворимость солей, подвижность ионов, давление паров и т. д.

Модель воды

По мнению кандидата наук – Ожевского, модели воды могут быть разделены на пять групп: 1) непрерывные модели, 2) двухструктурные,  3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные, 5) модели ассоциатов. А, по мнению ученых из Сибирского отделения АН СССР и модели воды можно разделить на два класса: смешанные и непрерывные. При повышении температуры в жидкой воде происходит перераспределение водородных связей, из-за случайных искажений сильные тетраэдрически направленные водородные связи могут переходить в слабые,  однако такая трансформация ни в коем случае не позволит два различных дискретных сорта молекул или ассоциатов. Новый важный вклад в изучение структуры воды сделал профессор , в 1946 году предложивший модель жидкой воды. Структура воды в жидкой вазе, по его мнению, может рассматриваться как размытый тепловым движением вариант структуры льда I с частично заполненными пустотами. Весьма интересные идеи  высказал известный ученый из Калифорнийского университета США Л. Холл. Исследуя повышенное поглощение ультразвука водой, он обнаружил, что наблюдается некоторое запаздывание молекулярной перестройки структуры в воде. По его мнению, возникают как бы две структуры или два молекулярных состояния. Первое характеризуется наличием большого объема и малой энергии, что соответствует тетраэдрической структуры льда. Для второго состояния характерна более плотная упаковка (объем меньше, а энергии больше). Сжатие жидкости приводит к повышению доли второго состояния. То же самое происходит и под действием ультразвука – уплотнение с соответствующими энергетическими изменениями.    Загрязнение воды и загрязнители воды 

Загрязнения воды, изменения химического и физического состояния или биологических характеристик воды, ограничивают ее дальнейшее употребление. При всех типах водоиспользования меняются либо физическое состояние (например, при нагревании), либо химических состав воды – при поступлении загрязняющих веществ, которые делятся на две основные группы: со временем изменяющиеся в водной среде и остающиеся в ней неизменными. К первой группе относятся органические компоненты бытовых стоков и большая часть промышленных, например отходы целлюлозно-бумажных предприятий. Вторую группу составляют многие неорганические соли, например сульфат натрия, который используется как краситель в текстильной промышленности, и неактивные органические вещества типа пестицидов.