Вода как химическое соединение, 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.

Полярное строение воды и возникающее в воде электрическое поле обусловливают большую диэлектрическую проницаемостъ воды — величину, показывающую, во сколько раз силы взаимодействия электрических зарядов уменьшаются в воде по сравнению с силами их взаимодействия в вакууме. Высокая диэлектрическая проницаемость воды предопределяет большую ее ионизирующую способность, т. е. способность расщеплять 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: ¹Н(«обычный» водород), ²Н, или D («тяжелый» водород, или дейтерий), ³Н, или Т (радиоактивный «сверхтяжелый» водород, или тритий), ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О. Поэтому и сама вода имеет переменный изотопный состав. Природная вода — это смесь вод разного изотопного состава. Наиболее распространена вода, состоящая из изотопов ¹Н и ¹⁶О, 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 (¹⁸О) меньше, чем океанические воды.

Воду с изотопным составом ¹Н₂¹⁶О называют «обычной» водой иобозначают просто Н₂О, остальные виды воды (кроме ³Н₂О) называют «тяжелой» водой. Иногда «тяжелой» водой считают лишь дейтериевую воду ²Н₂О (или D₂O). Вода с изотопным составом ³Н₂О (или Т₂О) — так называемая «сверхтяжелая» вода. Ее на Земле находится всего 13—20 кг. Приведенные в дальнейшем сведения относятся только к «обычной» воде.