Реферат: Свойства и структура воды. Характеристика тяжелой воды. Пептиды в косметологии

Самое важное, уникальное по свойствам и составу вещество нашей планеты - это, конечно, вода. Ведь именно благодаря ей на Земле жизнь есть, в то время как на других известных сегодня объектах Солнечной системы ее нет. Твердая, жидкая, в виде пара - она нужна и важна любая. Вода и ее свойства составляют предмет изучения целой научной дисциплины - гидрологии.

Количество воды на планете

Если рассматривать показатель количества данного оксида во всех агрегатных состояниях, то его на планете около 75% от общей массы. При этом следует учитывать связанную воду в органических соединениях, живых существах, минералах и прочих элементах.

Если учитывать только жидкое и твердое состояние воды, показатель падет до 70,8%. Рассмотрим, как распределяются эти проценты, где содержится рассматриваемое вещество.

1. Соленой воды в океанах и морях, солончаковых озерах на Земле 360 млн км 2 .
2. Пресная вода распределена неравномерно: ее в ледниках Гренландии, Арктики, Антарктиды заковано во льды 16,3 млн км 2 .
3. В пресных реках, болотах и озерах сосредоточено 5,3 млн км 2 оксида водорода.
4. Подземные воды составляют 100 млн м 3 .

Именно поэтому космонавтам из далекого космического пространства видно Землю в форме шара голубого цвета с редкими вкраплениями суши. Вода и ее свойства, знание особенностей строения являются важными элементами науки. К тому же, в последнее время человечество начинает испытывать явную нехватку пресной воды. Может быть, такие знания помогут в решении данной проблемы.

Состав воды и строение молекулы

Если рассмотреть эти показатели, то сразу станут понятны и свойства, которые проявляет это удивительное вещество. Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому имеет эмпирическую формулу Н 2 О. Кроме того, при построении самой молекулы большую роль играют электроны обоих элементов. Посмотрим, что собой представляют структура воды и ее свойства.

Очевидно, что каждая молекула ориентирована вокруг другой, и все вместе они формируют общую кристаллическую решетку. Интересно то, что оксид построен в форме тетраэдра - атом кислорода в центре, а две пары электронов его и два атома водорода вокруг асимметрично. Если провести через центры ядер атомов линии и соединить их, то получится именно тетраэдрическая геометрическая форма.

Угол между центром атома кислорода и ядрами водородов составляет 104,5 0 С. Длина связи О-Н = 0,0957 нм. Наличие электронных пар кислорода, а также его большее в сравнении с водородами сродство к электрону обеспечивают формирование в молекуле отрицательно заряженного поля. В противовес ему ядра водородов образуют положительно заряженную часть соединения. Таким образом, выходит, что молекула воды - диполь. Это определяет то, какой может быть вода, и ее физические свойства также зависят от строения молекулы. Для живых существ эти особенности играют жизненно важную роль.

Основные физические свойства

К таковым принято относить кристаллическую решетку, температуры кипения и плавления, особенные индивидуальные характеристики. Все их и рассмотрим.

1. Строение кристаллической решетки оксида водорода зависит от агрегатного состояния. Оно может быть твердым - лед, жидким - основная вода при обычных условиях, газообразным - пар при повышении температуры воды свыше 100 0 С. Красивые узорные кристаллы формирует лед. Решетка в целом рыхлая, но соединение очень прочное, плотность низкая. Видеть ее можно на примере снежинок или морозных узоров на стеклах. У обычной воды решетка не имеет постоянной формы, она изменяется и переходит из одного состояния в другое.
2. Молекула воды в космическом пространстве имеет правильную форму шара. Однако под действием земной силы тяжести она искажается и в жидком состоянии принимает форму сосуда.
3. То, что по структуре оксид водорода - диполь, обуславливает следующие свойства: высокая теплопроводность и теплоемкость, которая прослеживается в быстром нагревании и долгом остывании вещества, способность ориентировать вокруг себя как ионы, так и отдельные электроны, соединения. Это делает воду универсальным растворителем (как полярным, так и нейтральным).
4. Состав воды и строение молекулы объясняют способность этого соединения образовывать множественные водородные связи, в том числе с другими соединениями, имеющими неподеленные электронные пары (аммиак, спирт и прочие).
5. Температура кипения жидкой воды - 100 0 С, кристаллизация наступает при +4 0 С. Ниже этого показателя - лед. Если же увеличивать давление, то температура кипения воды резко возрастет. Так, при высоких атмосферах в ней можно растопить свинец, но она при этом даже не закипит (свыше 300 0 С).
6. Свойства воды весьма значимы для живых существ. Например, одно из самых важных - поверхностное натяжение. Это формирование тончайшей защитной пленки на поверхности оксида водорода. Речь идет о воде в жидком состоянии. Эту пленку разорвать механическим воздействием очень сложно. Учеными установлено, что понадобится сила, равная весу в 100 тонн. Как ее заметить? Пленка очевидна, когда вода капает из крана медленно. Видно, что она словно в какой-то оболочке, которая растягивается до определенного предела и веса и отрывается в виде круглой капельки, слегка искаженной силой тяжести. Благодаря поверхностному натяжению многие предметы могут находиться на поверхности воды. Насекомые, имеющие особые приспособления, могут свободно передвигаться по ней.
7. Вода и ее свойства аномальны и уникальны. По органолептическим показателям данное соединение - бесцветная жидкость без вкуса и запаха. То, что мы называем вкусом воды, - это растворенные в ней минералы и другие компоненты.
8. Электропроводность оксида водорода в жидком состоянии зависит от того, сколько и каких солей в нем растворены. Дистиллированная вода, не содержащая никаких примесей, электрический ток не проводит.

Лед - это особое состояние воды. В структуре этого ее состояния молекулы связаны друг с другом водородными связями и формируют красивую кристаллическую решетку. Но она достаточно неустойчива и легко может расколоться, растаять, то есть деформироваться. Между молекулами сохраняется множество пустот, размеры которых превышают размеры самих частиц. Благодаря этому плотность льда меньше, чем жидкого оксида водорода.

Это имеет большое значение для рек, озер и прочих пресных водоемов. Ведь в зимний период вода в них не замерзает полностью, а лишь покрывается плотной коркой более легкого льда, всплывающего наверх. Если бы данное свойство не было характерно для твердого состояния оксида водорода, то водоемы промерзали бы насквозь. Жизнь под водой была бы невозможна.

Кроме того, твердое состояние воды имеет большое значение как источник огромного количества питьевых пресных запасов. Это ледники.

Особенным свойством воды можно назвать явление тройной точки. Это такое состояние, при котором лед, пар и жидкость могут существовать одновременно. Для этого требуются такие условия, как:

• высокое давление - 610 Па;
• температура 0,01 0 С.

Показатель прозрачности воды варьируется в зависимости от посторонних примесей. Жидкость может быть полностью прозрачной, опалесцентной, мутной. Поглощаются волны желтого и красного цветов, глубоко проникают лучи фиолетовые.

Химические свойства

Вода и ее свойства - важный инструмент в понимании многих процессов жизнедеятельности. Поэтому они изучены очень хорошо. Так, гидрохимию интересуют вода и ее химические свойства. Среди них можно назвать следующие:

1. Жесткость. Это такое свойство, которое объясняется наличием солей кальция и магния, их ионов в растворе. Подразделяется на постоянную (соли названных металлов: хлоридов, сульфатов, сульфитов, нитратов), временную (гидрокарбонаты), которая устраняется кипячением. В России воду перед использованием смягчают химическим путем для лучшего качества.
2. Минерализация. Свойство, основанное на дипольном моменте оксида водорода. Благодаря его наличию молекулы способны присоединять к себе множество других веществ, ионов и удерживать их. Так формируются ассоциаты, клатраты и прочие объединения.
3. Окислительно-восстановительные свойства. Как универсальный растворитель, катализатор, ассоциат, вода способна взаимодействовать с множеством простых и сложных соединений. С одними она выступает в роли окислителя, с другими - наоборот. Как восстановитель реагирует с галогенами, солями, некоторыми менее активными металлами, с многими органическими веществами. Последние превращения изучает органическая химия. Вода и ее свойства, в частности, химические, показывают, насколько она универсальна и уникальна. Как окислитель она вступает в реакции с активными металлами, некоторыми бинарными солями, многими органическими соединениями, углеродом, метаном. Вообще химические реакции с участием данного вещества нуждаются в подборе определенных условий. Именно от них и будет зависеть исход реакции.
4. Биохимические свойства. Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой.
5. Взаимодействие с газами с образованием клатратов. Обычная жидкая вода может поглощать даже неактивные химически газы и располагать их внутри полостей между молекулами внутренней структуры. Такие соединения принято называть клатратами.
6. Со многими металлами оксид водорода формирует кристаллогидраты, в которые он включен в неизменном виде. Например, медный купорос (CuSO 4 *5H 2 O), а также обычные гидраты (NaOH*H 2 O и другие).
7. Для воды характерны реакции соединения, при которых происходит образование новых классов веществ (кислот, щелочей, оснований). Они не являются окислительно-восстановительными.
8. Электролиз. Под действием электрического тока молекула разлагается на составные газы - водород и кислород. Один из способов получения их в лаборатории и промышленности.

С точки зрения теории Льюиса вода - это слабая кислота и слабое основание одновременно (амфолит). То есть можно сказать о некоей амфотерности в химических свойствах.

Вода и ее полезные свойства для живых существ

Сложно переоценить то значение, которое имеет оксид водорода для всего живого. Ведь вода и есть сам источник жизни. Известно, что без нее человек не смог бы прожить и недели. Вода, ее свойства и значение просто колоссальны.

1. Это универсальный, то есть способный растворять и органические, и неорганические соединения, растворитель, действующий в живых системах. Именно поэтому вода - источник и среда для протекания всех каталитических биохимических преобразований, с формированием сложных жизненно важных комплексных соединений.
2. Способность образовывать водородные связи делает данное вещество универсальным в выдерживании температур без изменения агрегатного состояния. Если бы это было не так, то при малейшем снижении градусов она превращалась бы в лед внутри живых существ, вызывая гибель клеток.
3. Для человека вода - источник всех основных бытовых благ и нужд: приготовление пищи, стирка, уборка, принятие ванны, купание и плавание и прочее.
4. Промышленные заводы (химические, текстильные, машиностроительные, пищевые, нефтеперерабатывающие и другие) не сумели бы осуществлять свою работу без участия оксида водорода.
5. Издревле считалось, что вода - это источник здоровья. Она применялась и применяется сегодня как лечебное вещество.
6. Растения используют ее как основной источник питания, за счет чего они продуцируют кислород - газ, благодаря которому существует жизнь на нашей планете.

Можно назвать еще десятки причин того, почему вода - это самое широко распространенное, важное и необходимое вещество для всех живых и искусственно созданных человеком объектов. Мы привели только самые очевидные, главные.

Гидрологический цикл воды

Иными словами, это ее круговорот в природе. Очень важный процесс, позволяющий постоянно пополнять исчезающие запасы воды. Как он происходит?

Основных участников трое: подземные (или грунтовые) воды, поверхностные воды и Мировой океан. Важна также и атмосфера, конденсирующая и выдающая осадки. Также активными участниками процесса являются растения (в основном деревья), способные поглощать огромное количество воды в сутки.

Итак, процесс происходит следующим образом. Грунтовые воды заполняют подземные капилляры и стекаются к поверхности и Мировому океану. Затем поверхностные воды поглощаются растениями и транспирируются в окружающую среду. Также происходит испарение с огромных площадей океанов, морей, рек, озер и прочих водоемов. Попав в атмосферу, вода что делает? Конденсируется и проливается обратно в виде осадков (дождь, снег, град).

Если бы не происходили эти процессы, то запасы воды, особенно пресной, давно бы уже закончились. Именно поэтому охране и нормальному гидрологическому циклу уделяется людьми большое внимание.

Понятие о тяжелой воде

В природе оксид водорода существует в виде смеси изотопологов. Это связано с тем, что водород формирует три вида изотопа: протий 1 Н, дейтерий 2 Н, тритий 3 Н. Кислород, в свою очередь, также не отстает и образует три устойчивые формы: 16 О, 17 О, 18 О. Именно благодаря этому существует не просто обычная протиевая вода состава Н 2 О (1 Н и 16 О), но еще и дейтериевая, и тритиевая.

При этом устойчива по структуре и форме именно дейтериевая (2 Н), которая включается в состав практически всех природных вод, но в малом количестве. Именно ее называют тяжелой. Она несколько отличается от обычной или легкой по всем показателям.

Тяжелая вода и ее свойства характеризуются несколькими пунктами.

1. Кристаллизуется при температуре 3,82 0 С.
2. Кипение наблюдается при 101,42 0 С.
3. Плотность составляет 1,1059 г/см 3 .
4. Как растворитель в несколько раз хуже легкой воды.
5. Имеет химическую формулу D 2 O.

При проведении опытов, показывающих влияние подобной воды на живые системы, было установлено, что жить в ней способны лишь некоторые виды бактерий. Для приспособления и акклиматизации колониям потребовалось время. Но, приспособившись, они полностью восстановили все жизненно важные функции (размножение, питание). Кроме того, стали очень устойчивы к воздействию радиоактивного излучения. Опыты на лягушках и рыбах положительного результата не дали.

Современные области применения дейтерия и образованной им тяжелой воды - атомная и ядерная энергетика. Получить в лабораторных условиях такую воду можно при помощи электролиза обычной - она образуется как побочный продукт. Сам дейтерий формируется при многократных перегонках водорода в специальных устройствах. Применение его основано на способности замедлять нейтронные синтезы и протонные реакции. Именно тяжелая вода и изотопы водорода - основа для создания ядерной и водородной бомбы.

Опыты на применении дейтериевой воды людьми в небольших количествах показали, что задерживается она недолго - полный вывод наблюдается через две недели. Употреблять ее в качестве источника влаги для жизни нельзя, однако техническое значение просто огромно.

Талая вода и ее применение

Свойства такой воды издревле были определены людьми как целебные. Давно было замечено, что при таянии снега животные стараются напиться водой из образовавшихся лужиц. Позже были тщательно исследованы ее структура и биологическое воздействие на организм человека.

Талая вода, ее признаки и свойства находятся посередине между обычной легкой и льдом. Изнутри она образована не просто молекулами, а набором кластеров, сформированных кристаллами и газом. То есть внутри пустот между структурными частями кристалла находятся водород и кислород. По общему виду строение талой воды сходно со строением льда - сохраняется структурность. Физические свойства такого оксида водорода незначительно меняются в сравнении с обычным. Однако биологическое воздействие на организм отличное.

При замораживании воды первой фракцией превращается в лед более тяжелая часть - это дейтериевые изотопы, соли и примеси. Поэтому эту сердцевину следует удалять. А вот остальная часть - чистая, структурированная и полезная вода. Каково воздействие на организм? Учеными Донецкого НИИ были названы следующие виды улучшений:

1. Ускорение восстановительных процессов.
2. Укрепление иммунитета.
3. У детей после ингаляций такой водой происходит восстановление и излечение простудных заболеваний, проходит кашель, насморк и прочее.
4. Улучшается дыхание, состояние гортани и слизистых оболочек.
5. Общее самочувствие человека, активность повышаются.

Сегодня существует ряд сторонников лечения именно талой водой, которые пишут свои положительные отзывы. Однако есть ученые, в том числе медики, которые эти взгляды не поддерживают. Они считают, что вреда от такой воды не будет, но и пользы мало.

Энергетика

Почему свойства воды могут изменяться и восстанавливаться при переходе в разные агрегатные состояния? Ответ на этот вопрос следующий: у данного соединения существует своя информационная память, которая записывает все изменения и приводит к восстановлению структуры и свойств в нужное время. Биоэнергетическое поле, через которое проходит часть воды (та, что поступает из космоса), несет в себе мощный заряд энергии. Эту закономерность часто используют при лечении. Однако с медицинской точки зрения не каждая вода способна оказать благоприятный эффект, в том числе и информационный.

Структурированная вода - что это?

Это такая вода, которая имеет несколько иное строение молекул, расположение кристаллических решеток (такое, которое наблюдается у льда), но это все же жидкость (талая также относится к этому типу). В этом случае состав воды и ее свойства с научной точки зрения не отличаются от тех, что характерны для обычного оксида водорода. Поэтому структурированная вода не может иметь такого широкого лечебного эффекта, который ей приписывают эзотерики и сторонники нетрадиционной медицины.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока: сформировать представление о целостной картине мира на примере вещества воды, осуществив интеграцию знаний учащихся, полученных в курсах физики, химии и биологии.

Задачи урока:

1. Образовательные: усвоение всеми учащимися стандартного минимума фактических сведений о строении и функциях воды на всех уровнях организации живого.
2. Развивающие: совершенствование надпредметных умений сравнивать и анализировать, устанавливать причинно-следственные связи; переводить информацию в графический вид (таблицу), постановки и решения проблем; оперировать понятиями и связывать с ранее полученными знаниями в курсах ботаники, зоологии, анатомии; рассуждать по аналогии, развивать память, произвольное внимание.
3. Воспитательные: развивать интерес к окружающим явлениям, умение работать в парах и в коллективе, вести диалог, слушать товарищей, оценивать себя и других, формировать культуру речи.

Планируемые результаты: умение характеризовать функции вещества на основе строения и свойств; обобщение полученных знаний о функциях воды на разных уровнях организации живого в форме таблицы.

Тип урока: изучение нового материала и первичное закрепление знаний.

Методы обучения : беседа, рассказ учителя, показ иллюстраций, презентации, индивидуальная работа с текстом, контроль знаний.

Формы организации учебной деятельности : работа в парах (составление обобщающей таблицы), индивидуальная, фронтальная, эксперимент.

Оборудование: фотографии, компьютер, мультимедийный проектор, на столах учащихся раздаточный материал для урока, демонстрационные опыты.

Ход урока

Организационный момент (2 мин.): поздороваться, представиться детям.

Введение (5 мин.):

Вода – самое распространенное и удивительное на Земле вещество (например, расширяется при охлаждении, замерзает уже при 0 0 С, кипит при 100 0 С, выполняет множество функций и даже может хранить информацию). Ею заполнены океаны, моря, озера и реки; пары воды входят и в состав воздуха. Вода содержится в клетках всех живых организмов (животных, растений, грибов, бактерий) в значительных количествах: организме млекопитающих массовая доля воды составляет примерно 70%, а в огурцах и арбузах ее около 90%, в костях человека – 45 %, а в мозге до 90 %.

Цели урока: почему воды больше всего в составе живых организмов? Почему вода покрывает большую часть суши? Как вода сохраняет информацию? На эти вопросы нам с вами предстоит ответить в конце урока.

Как будем работать: беседуем, я рассказываю, показываю иллюстрации и схемы (Презентация), в процессе объяснения заполняем пропущенные слова в распечатках (Приложение 1). В конце урока я проконтролирую, как вы меня поняли. Мы заполним обобщающую таблицу, а я оценю ваши старания.

Демонстрационные опыты:

Опыт № 1:

Цель опыта: доказать растворимость веществ в воде.

Ход опыта: насыпать в колбу с водой соль или сахар. Размешать.

Результат: соль (сахар) полностью растворились.

Вывод: вода – хороший растворитель.

Опыт № 2

Цель опыта: доказать способность воды передвигаться по сосудам стебля за счет корневого давления и присасывающей силы испарения.

Ход опыта: поставить на сутки укоренившийся побег бальзамина в раствор чернил.

Результат: стебель и некоторые листья бальзамина окрасились в синий цвет.

Вывод: вода передвигается по сосудам стебля за счет сил сцепления между молекулами при помощи корневого давления и присасывающей силы испарения..

Опыт № 3:

Цель опыта: доказать способность воды двигаться в область меньшей концентрации растворителя.

Ход опыта: в две чашки Петри поместить одинаковые кусочки картофеля. В одну чашку налить воду, в другую – концентрированный раствор соли.

Результат: картофель в простой воде набух, а в концентрированном растворе соли сморщился.

Вывод: молекулы воды двигаются в область меньшей концентрации растворителя.

Объяснение нового материала (20 мин.):

Проводится в форме беседы. Изучаем вещества по определенному плану (пишу на доске): строение – свойства – функции на системных уровнях организации живого.

Строение молекулы и межмолекулярные связи	Свойства
Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный примерно 105 0. Поэтому молекула воды – диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород – отрицательно.	Вода – хороший растворитель. Растворы образуются путем взаимодействия растворенного вещества с частицами растворителя. Процесс растворения твердых веществ в жидкостях можно представить так: под влиянием растворителя от поверхности твердого вещества постепенно отрываются отдельные ионы или молекулы и равномерно распределяются по всему объему растворителя. Опыты № 1 и № 3
	Вода – реагент в реакциях гидролиза (разрушение сложных химических веществ под действием воды до более простых с новыми свойствами) и ряде других реакций ферменты крахмал + вода → глюкоза
Водородные связи между молекулами воды	Растворы ряда веществ образуются за счет водородных связей между веществом и молекулами растворителя (сахара, газы)
Водородных связей много, поэтому необходимо много энергии для их разрыва.	Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью . Вода медленно нагревается и медленно остывает.
Водородные связи слабые	Молекулы воды подвижны относительно друг друга
Силы межмолекулярного сцепления образуют пространства между молекулами	Вода практически не сжимается
Образование водородных связей между молекулами воды и других веществ	Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения , текучесть воды Опыт № 2
Вода замерзает при 0 0С, при замерзании образуется много водородных связей, возникают пространства между молекулами Схема строения льда: пространства между молекулами	Максимальная плотность воды при 4 С° равна 1 г/см3, лед имеет меньшую плотность, и всплывает на ее поверхность.

Функции на системных уровнях организации живого
Вода обеспечивает диффузию - пассивный транспорт веществ в клетку и из нее в область меньшей концентрации (осмос) и пиноцитоз , а также транспорт веществ из клетки. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно, и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Образовавшиеся в результате распада веществ ионы быстро вступают в химические реакции, поэтому вода – основная среда всех биохимических процессов в организме (реакциях обмена веществ).
Обеспечивает подготовительный этап окисления полимеров: гидролиз крахмала до глюкозы, белков до аминокислот. Вода – источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа. Эндогенная вода, образующаяся при окислении органических веществ.
Гидрофильные вещества проникают внутрь клетки. Гидрофобные вещества (белки, липиды) могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Из гидрофобных веществ состоит клеточная мембрана, которая сохраняет целостность клетки, но избирательно пропускает вещества; жироподобными веществами из копчиковой железы птицы смазывают перья. Растворяя газы, вода обеспечивает возможность дыхания и фотосинтеза организмов водных экосистем. А сероводород, образующийся при разложении остатков организмов, делает водоем безжизненным.
Вода – терморегулятор. 1) Вода обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму. При изменении температуры окружающей среды, внутри клетки температура оказывается неизменной или ее колебания оказываются значительно меньшими, чем в окружающей среде, поэтому вода обеспечивает сохранение структуры клетки (чем активнее клетка, тем больше в ней воды). 2) Охлаждение организма (потоиспарение, испарение воды растениями) происходит при участии воды. 3) Вода – благоприятная среда обитания для многих живых организмов (непосредственно водная и полости, заполненные водой, в почве). 4) Водные бассейны регулируют температуру на нашей планете. Большая теплоемкость определяет климатическую роль океанов. Поэтому морской климат мягче континентального, погода подвержена меньшим колебаниям температуры
«Смазочный материал» в суставах, плевральной полости и околосердечной сумке.
Создается тургорное давление, которое определяет объем и упругость клеток и тканей. Гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов. Околоплодный пузырь с жидкостью поддерживает и защищает плод млекопитающих.
Капиллярный кровоток, движение веществ в капиллярах почвы, восходящий и нисходящий ток растворов в растениях. Поверхностное натяжение воды образует пленку – часть среды обитания некоторых животных (клоп-водомерка, личинки комаров).
Лед защищает водоемы от промерзания. Обитатели водных экосистем остаются активными в зимний период.

Вода может хранить информацию (Приложение 2).

Закрепление (13 мин.):

Биологические задачи:

1. Показать синюю или зеленую хризантему. Как создают такие растения? Являются ли они результатом селекционной работы?
2. Почему кожа на пальцах при длительном купании сморщивается?
3. Почему сморщивается яблоко, лежащее в тепле?

Разделить класс на три группы (по рядам). Первая группа выписывает в тетрадь функции воды на уровне живой клетки. Вторая группа – на уровне живого организма. Третья группа – на уровне экосистем и биосферы. В конце работы оценить себя по количеству найденных функций. Работа ведется по парам.

Функции воды

В живой клетке	В живом организме	В экосистемах и биосфере
1. Транспорт веществ в клетке.	1. Охлаждение организмов.	1. Дыхание и фотосинтез водных организмов.
2. Основная среда всех биохимических процессов.	2. «Смазочный материал» в суставе, плевральной полости, околосердечной сумке, глазном яблоке.	2. Регуляция температуры на планете.
3. Участвует в ряде химических реакций.	3. Гидростатический скелет.	3. Благоприятная среда обитания для живых организмов.
4. Сохранение структуры клетки.	4. Защита плода млекопитающих.	4. Защита водоемов от промерзания.
5. Тургорное давление.	5. Капиллярный кровоток, нисходящий и восходящий ток в растениях.	5. Часть среды обитания животных.
		6. Подъем почвенных растворов по капиллярам почвы.

Подведение итогов урока, оценка работы (2 мин.)

Основное вещество, которое позволяет существовать жизни на планете – это вода. Она необходима в любом состоянии. Изучение свойств жидкости привело к образованию целой науки – гидрологии. Предмет изучения большинства ученых – это физические и химические свойства . Они понимают под этими свойствами: критические температуры, кристаллическую решетку, примеси и другие индивидуальные особенности химического соединения.

Вконтакте

Изучение

Формула воды известна каждому школьнику. Это три простых знака, но содержатся они в 75% от общей массы всего на планете.

Н2О – это два атома и один — . Структура молекулы имеет эмпирическую форму, поэтому свойства жидкости такие многообразные, несмотря на простой состав. Каждая из молекул находится в окружении соседей. Они связаны одной кристаллической решеткой.

Простота строения позволяет жидкости существовать в нескольких агрегатных состояниях. Ни одно вещество на планете не может этим похвастаться. Н2О очень подвижна, она уступает в этом свойстве лишь воздуху. Каждый осведомлен о круговороте воды, о том, что после испарения ее с поверхности земли, где-то далеко проходит дождь или снег. Климат регулируется именно благодаря свойствам жидкости, которая может отдавать тепло, а сама при этом практически не изменяет свою температуру.

Физические свойства

Н2О и ее свойства зависят от многих ключевых факторов. Основные из них:

• Кристаллическая решетка. Строение воды, а точнее ее кристаллической решетки, обусловлено агрегатным состоянием. Она имеет рыхлое, но очень прочное строение. Снежинки показывают решетку в твердом состоянии, а вот в привычном – жидком, у воды нет четкости в строении кристаллов, они подвижны и изменчивы.
• Строение молекулы – шар. Но влияние земного притяжения заставляет воду принимать форму сосуда, в котором находится. В космосе она будет геометрически правильной формы.
• Реагирует вода с другими веществами, в том числе с теми, кто обладает неразделенными электронными парами, среди них спирт и аммиак.
• Обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью , быстро нагревается и долго не остывает.
• Еще со школы известно, что температура кипения — 100 градусов Цельсия. В жидкости появляются кристаллы при понижении до +4 градусов, а вот лед образуется при еще большем снижении. Температура кипения зависит от давления, в которое поместить Н2О. Есть эксперимент, при котором температура химического соединения достигает 300 градусов, при этом жидкость не кипит, а плавит свинец.
• Еще одним важным свойством является поверхностное натяжение. Формула воды позволяет ему быть очень прочным. Ученые выяснили, чтобы разорвать его потребуется сила с массой больше 100 тонн.

Интересно! Н2О, очищенная от примесей (дистиллированная), не может проводить ток. Это свойство оксида водорода появляется лишь при наличии растворенных в нем солей.

Другие особенности

Лед – это уникальное состояние, которое свойственно оксиду водорода. Он образует рыхлые связи, которые легко деформируются. Кроме того, расстояние между частицами значительно увеличивается, делая плотность льда намного ниже жидкости. Это позволяет водоемам не промерзать полностью в зимний период, сохраняя жизнь под слоем льда. Ледники – большой запас пресной воды.

Интересно! У Н2О есть уникальное состояние, которое называется явлением тройной точки. Это когда она находится сразу в трех своих состояниях. Возможно это условие, лишь при температуре 0,01 градус и давлении 610 Па.

Химические свойства

Основные химические свойства :

• Разделяют воду по жесткости, от мягкой и средней — до жесткой. Этот показатель зависит от содержания солей магния и калия в растворе. Есть также такие , которые находятся в жидкости постоянно, а от некоторых можно избавиться кипячением.
• Окисление и восстановление. Н2О влияет на процессы, изучаемые в химии, происходящие с другими веществами: одни она растворяет, с другими вступает в реакцию. Исход любого эксперимента зависит от правильного выбора условий, при которых он проходит.
• Влияние на биохимические процессы. Вода основная часть любой клетки , в ней как в среде, происходят все реакции в организме.
• В жидком состоянии впитывает в себя газы, которые неактивны. Их молекулы располагаются между молекулами Н2О внутри полостей. Так образуются клатраты.
• При помощи оксида водорода образуются новые вещества, которые не связаны с окислительно-восстановительным процессом. Речь идет о щелочах, кислотах и основаниях.
• Еще одна характеристика воды — это способность образовывать кристаллогидраты. Оксид водорода при этом остается в неизменном виде. Среди обычных гидратов можно выделить медный купорос.
• Если через соединение пропустить электрический ток, то можно разложить молекулу на газы.

Важность для человека

Очень давно люди поняли неоценимое значение жидкости для всего живого и планеты в целом. Без нее человек не может прожить и недели. Какого же полезное действие от этого самого распространенного на Земле вещества?

• Самое главное применение — это наличие в организме, в клетках, где проходят все важнейшие реакции.
• Образование водородных связей благоприятно сказывается на живых существах, ведь при изменении температуры жидкость в теле не замерзает.
• Человек давно применяет Н2О в бытовых нуждах, кроме приготовления пищи, это: стирка, уборка, купание.
• Ни один промышленный завод не может работать без жидкости.
• Н2О – источник жизни и здоровья , она является лекарством.
• Растения используют ее на всех этапах своего развития и жизни. С ее помощью они производят кислород, такой необходимый для жизни живых существ, газ.

Кроме самых очевидных полезных свойств, их имеется еще очень много.

Важность воды для человека

Критическая температура

У Н2О, как и у всех веществ, есть температура, которая называется критической . Критическая температура воды определяется методом ее нагрева. До 374 градусов по Цельсию жидкость называют паром, она еще может превратиться обратно в привычное жидкое состояние, при определенном давлении. Когда температура вышей этой критической отметки, то вода как химический элемент, превращается в газ безвозвратно.

Применение в химии

Большой интерес у химиков Н2О вызывает благодаря основному своему свойству – умению растворять. Часто ученые ею очищают вещества, чем создают благоприятные условия для проведения экспериментов. Во многих случаях она является средой, в которой можно провести опытные испытания. Кроме того, Н2О сама участвует в химических процессах, влияя на тот или иной химический эксперимент. Она соединяется с неметаллическими и металлическими веществами.

Три состояния

Вода предстает перед людьми в трех состояниях, называемых агрегатными. Это жидкость, лед и газ. Вещество одно и то же по составу, но разное по свойствам. У

мение перевоплощаться – очень важная характеристика воды для всей планеты, таким образом, происходит ее круговорот.

Сравнивая все три состояния, человек чаще видит химическое соединение все же в жидком виде. Вода не имеет вкуса и запаха, а то, что ощущается в ней, это из-за наличия примесей, растворенных в ней веществ.

Основные свойства воды в жидком состоянии — это: огромная сила, позволяющая точить камни и рушить скалы, а также возможность принимать любую форму.

Мелкие частицы при замерзании сокращают скорость своего движения и увеличивают дистанцию, поэтому структура льда пористая и по плотности ниже жидкости. Лед применяется в холодильных установках, для различных бытовых и промышленных целей. В природе лед несет лишь разрушения, выпадая в виде града или лавины.

Газ – еще одно состояние, который образуется, когда не достигается критическая температура воды. Обычно при температуре больше 100 градусов, или испаряясь с поверхности. В природе это облака, туманы и испарения. Большую роль искусственное газообразование сыграло в техническом прогрессе в 19 веке, когда были изобретены паровые двигатели.

Количество вещества в природе

75% — такая цифра покажется огромной, но это вся вода на планете, даже та, которая находится в разных агрегатных состояниях, в живых существах и органических соединениях. Если же учесть лишь жидкое, то есть воду, находящуюся в морях и океанах, а также в твердую – в ледниках, то процент становится 70,8%.

Распределение процентного содержания примерно такое:

• моря и океаны – 74,8%
• Н2О пресных источников, распределенная неравномерно по планете, в ледниках составляет — 3,4%, а в озерах, болотах и реках лишь 1,1%.
• На подземные источники приходится примерно 20,7% от всего количества.

Характеристика тяжелой воды

Природное вещество – водород встречается в виде трех изотопов , в таком же количестве форм есть и кислород. Это позволяет выделять кроме обычной питьевой воды еще дейтериевую и тритиевую.

Дейтериевая имеет самую устойчивую форму, она встречается во всех природных источниках, но в очень малом количестве. Жидкость с такой формулой обладает рядом отличий от простой и легкой. Так, образование кристаллов в ней начинается уже при температуре 3,82 градуса. А вот температура кипения немного выше — 101,42 градуса Цельсия. У нее больше плотность и способность к растворению веществ значительно снижена. Кроме того, ее обозначают другой формулой (D2O).

Живые системы реагируют на такое химическое соединение плохо. Лишь некоторые виды бактерий смогли в нем приспособиться к жизни. Рыбы и вовсе не выдержали такого эксперимента. В организме человека, дейтерий может находиться несколько недель, а после выводится, не причиняя вреда.

Важно! Пить дейтериевую воду – нельзя!

Уникальные свойства воды. – просто.

Вывод

Широкое применение тяжелая вода нашла в ядерной и атомной промышленности, а обычная — в повсеместном.

Выясним сначала структуру термодинамического предшественника воды - льда. Тем самым мы повторим путь всех исследователей воды. Каждый из них, пытаясь понять структуру воды, рано или поздно приходил к необходимости разобраться в структуре льда.

В 1910 г. американский физик П. Бриджмен и немецкий исследователь Г. Тамман обнаружили, что лед может образовывать несколько полиморфных кристаллических модификации. Сейчас известно 9 модификаций льда, у них различные кристаллические решетки, различные плотности и температуры плавления. Всем нам хорошо знакомым лед называется "льдом I", другие модификации льда существуют при давлениях, превышающих 2000 ат. Например, лед Ш, образующийся при давлении 2115 ат, тяжелее воды, а лед VI (при давлении около 20 000 ат) плавится при температуре, превышающей 80 °C. В обычных условиях мы можем наблюдать лишь лед I, он и изучен наиболее полно. Ниже речь идет именно о нем.

Каждая молекула воды может образовывать до четырех водородных связей, если вблизи окажется достаточное количество подходящих соседей, причем благодаря свойству кооперативности каждая последующая связь требует для своего образования меньше энергии, поэтому она будет образовываться с большей вероятностью, чем предыдущая.

Во льду все молекулы связаны между собой водородными связями. При этом четыре связи каждой молекулы локально организованы в тетраэдрическую структуру, т.е. четыре близлежащие молекулы располагаются в вершинах трехгранной пирамиды, в центре которой находится пятая молекула воды.

Таким образом, тетраэдрическая форма отдельной молекулы повторяется в кристаллической структуре льда. Возможно, определенную роль здесь играет то, что угол H-O-H молекулы H 2 O почти равен идеальному тетраэдрическому углу 109°, а молекулы воды, как мы знаем, объединяются с помощью водородных связен, которые они образуют именно в направлении O-H. Эти трехгранные пирамиды могут также объединятся в некую сверхструктуру. Во льду такая сложная трехмерная сверхструктура из тетраэдров простирается на весь объем.

Начиная с любого атома кислорода, переходя от соседа к соседу по водородным связям, можно строить бесконечное число различных замкнутых фигур. Все такие фигуры представляют собой некие "гофрированные" многоугольники причем число сторон всегда кратно шести, а самый короткий путь от молекулы "к себе самой" проходит по сторонам обычного шестиугольника. Поэтому структуру льда называют шестиугольной, или гексагональной.

Если забыть о тетраэдрах, то можно увидеть, что молекулярная структура льда состоит из зигзагообразных слоев, причем каждая молекула H 2 O связана с тремя молекулами своего слоя и одной молекулой соседнего слоя. Количество соседей одной молекулы (в данном случае равное четырем) называется координационным числом и легко измеряется рентгеноструктурным методом. Как видим, ажурная сеть водородных связей превращает молекулярную структуру льда в рыхлую конструкцию с большим количеством пустот.

Если очень сдавить лед I, то он перейдет в другие кристаллические формы, и хотя структура его несколько изменится, но основные элементы тетраэдрической конструкции сохранятся. При умеренных давлениях (лед II, VI и IX) часть водородных связей выходит из тетраэдрической структуры (благодаря чему лед становится несколько плотнее), но любые четыре ближайшие атома кислорода по-прежнему объединяются водородными связями. Даже при очень больших давлениях (лед VIII и VII) локально сохраняется тетраэдрическая структура.

Впервые молекулярную структуру льда установил в начале нашего века английский ученый Уильям Брэгг, разработавший рентгеноструктурный метод анализа кристаллов. Он обнаружил, что каждая молекула H 2 O во льду окружена четырьмя другими молекулами. Но он смог исследовать именно молекулярную структуру льда, установить же, как в этой структуре располагаются атомы кислорода и водорода, ни Брэгг да и никто другой в то время не могли. Брэгг пользовался рентгеноструктурным методом, который в то время позволял наблюдать лишь сравнительно крупные атомы, такие, как кислород или кремний. Небольшие атомы вроде водорода не видны при рентгеноструктурном анализе. Лишь в конце 40-х годов XX века, когда появились новые, более чувствительные спектроскопические методы, удалось установить расположение атомов водорода в структуре льда.

Однако еще в 1932 г. ученик Брэгга профессор Бернал смог чисто умозрительно понять, как должны располагаться в молекулярной структуре льда атомы кислорода и водорода.

Бернал шел от конфигурации молекулы H 2 O. Он понял, что именно молекула воды определяет всю структуру льда. Рассуждал Бернал следующим образом: каждый атом водорода может "зацепиться" только за один "чужой" атомом кислорода, связывая тем самым два атома кислорода ("свой" и "чужой" атомы) одной водородной связью, следовательно, каждая молекула H 2 O может соединиться с помощью водородных связей с четырьмя соседними молекулами, две из которых образуют свои атомы водорода и две - атомы соседних молекул, а так как молекула H 2 O "однобока", то такая конфигурация должна быстро заполнить пространство, образуя тетраэдрическую структуру.

Эти гипотезы были позднее подтверждены спектроскопическими исследованиями и сейчас известны как "правила Бернала-Фаулера". Действительно, оказалось, что каждый атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода, находящимися на линии O-O. С двумя "своими" атомами он связан ковалентной связью, а с двумя "чужими" - с помощью водородной связи. Вообще говоря, определения "свой", "чужой" не совсем точно описывают молекулярную жизнь льда. Как было установлено, ни один водород не фиксирован на своем месте. Каждый водород точно знает только свою связь O-O, но на этой линии у него есть два возможных положения - около "своего" и около "чужого" атомов кислорода. В каждом из этих положений он проводит в среднем половину своего жизненного времени. Если обозначить, как это принято в химии, черточкой валентную связь, а точками - водородную, то можно сказать, что во льду непрерывно идет реакция:

O-H....O ↔ O....H-O

Как видим, молекулярная жизнь льда довольно динамична. Но это касается только атомов водорода атомы кислорода прочно сидят на своих местах и расстояние в каждой паре O-O сохраняется неизменным и равным 2,76 A.

Очевидно, что непоседливость атомов водорода безусловно должна влиять на электрические и диэлектрические свойства льда. Лед обладает довольно высокой электропроводностью. Возможно, эта особенность льда объясняется тем, что в присутствии внешнего электрического поля перескоки атомов водорода становятся более направленными.

Структура реального льда не является абсолютно идеальной, в ней, как и в любом другом кристалле, встречают дефекты. Датский исследователь И. Бьеррум установил, что дефекты льда могут быть двух видов: 1) на линии O-O нет ни одного атома водорода (бьеррумовский Л-дефект); 2) на линии O-O находится два атома водорода (Д-дефект). Разумеется энергия дефекта больше энергии бездефектной связи, поэтому дефекты не сидят на одной и той же связи все время, а довольно интенсивно мигрируют по всей структуре льда. При этом они ведут себя так, как будто они являются некими частицами разных знаков. Два одинаковых дефекта (например, Д-дефекты) будут отталкиваться - ведь один дефект приводит к увеличению локальной энергии, а уж два дефекта иметь рядом тем более энергетически невыгодно. Интуитивно также ясно, что два различных дефекта будут притягиваться и при встрече аннигилировать - уничтожать друг друга.

Во льду концентрация дефектов невелика - всего один на 2,5 миллиона молекул. Так что бьеррумовские дефекты для льда - это тонкости, почти незаметные для структуры льда. Иное дело в воде, где концентрация таких дефектов возрастает в 25 тысяч раз и составляет величину один дефект на 100 молекул. Величина эта настолько значительна, что становится ясно - в воде бьеррумовские дефекты играют существенную роль. Была предпринята даже попытка описывать воду как лед с большой концентрацией дефектов, которая, в общем-то, оказалась не очень состоятельной, но тем не менее построенная таким образом теория смогла объяснить некоторые явления.

Теперь перейдем к воде в жидком состоянии. Современное понимание молекулярной структуры воды ведет свою историю со статьи английских ученых Бернала и Фаулера, которая появилась в 1933 г. в августовском номере только что созданного международного журнала по химической физике Journal of Chemical Physics. Эта статья остается одной из самых замечательных вех на тернистом пути познания природы.

В то время существовало довольно простое - скорее филологическое, чем естественнонаучное - объяснение аномальных свойств воды. Считалось, что вода, ассоциированная жидкость, т.е. ее молекулы объединяются в большие дегидрольные супермолекулы (H 2 O) 2 , (H 2 O) 3 , . . . (H 2 O) n , благодаря которым вода и обладает аномальными свойствами. Было совершенно не ясно, почему и как именно молекулы H 2 O объединяются, как распределяются различные ассоциаты по объему воды. И самое главное, такой подход, вообще говоря, не объяснял природу особых свойств воды.

Пытаясь найти собственное понимание молекулярной структуры воды, Бернал начал с анализа экспериментальных фактов. Нельзя сказать, чтобы в то время, в 30-е годы XX века, этих фактов было достаточно, но все-таки они были. Благодаря блестящим исследованиям создателя рентгеноструктурного анализа кристаллов Уильяма Брэгга прояснилась молекулярная структура льда. Кроме данных о структуре льда, в распоряжении Бернала были рентгенограммы жидкой воды, а также полученные с помощью таких рентгенограмм так называемые функции радиального распределения, т.е. относительное содержание молекул, находящихся на тех или иных расстояниях друг от друга. Помимо чисто экспериментальных фактов, Бернал имел возможность, разумеется, пользоваться идеями, гипотезами и предположениями, которых к началу 30-х годов накопилось уже довольно много. Однако обилие этих идей могло скорее помешать, чем помочь разработке теории воды. За исключением, пожалуй, одной старой идеи, восходящей еще к знаменитому Вильгельму Рентгену, который высказал предположение, что молекулярная структура льда каким-то образом должна повторяться и в структуре жидкой воды. Одно время эта идея пользовалась большой популярностью среди ученых, но все попытки применить ее к описанию природы аномальных свойств воды оканчивались неудачей. Даже самое простое свойство воды - то, что она тяжелее льда, - не удавалось объяснить с помощью этой идеи. Более того, казалось, что эта особенность воды просто противоречит ей. В самом деле, если допустить существование в воде какой-то сильно искаженной структуры льда, то вода должна быть легче. Любое нарушение четкой структуры, любой беспорядок только увеличивает объем, занимаемый структурой. Следовательно, такая вода должна быть легче льда.

В общем, несмотря на красоту и заманчивость рентгеновской идеи, воспользоваться ею до 30-х годов никто не смог. Она так и оставалась в "банке идей" скорее как эстетическая, чем логическая категория, как общее утверждение, что "вода - это жидкость, еще сохранившая воспоминание о кристаллической структуре, из которой она произошла" (формулировка французского физика Клемена Дюваля).

Анализируя природу воды, Бернал много времени потратил на изучение льда. Он был уже близок к той теории льда, о которой мы говорили выше. Но сама по себе теория льда, не способная перейти в теорию воды, особой ценности не представляет. А вот с водой все по-прежнему оставалось неясно.

И тут вмешался случай, которому было угодно, чтобы дождливой осенью 1932 г. профессор Бернал поехал с группой английских ученых в Советский Союз. Случаю было также угодно, чтобы в день отлета английской делегации на Москву опустился густой осенний туман. Аэрофлот в то время не баловал своих клиентов роскошными залами, поэтому Берналу не оставалось ничего другого, как бродить в тумане вокруг аэродрома. Совершенно случайно его спутником в этих прогулках оказался очень любознательный человек, профессор Р. Фаулер. "Больше всего прочего, - вспоминал позднее Бернал, - нас занимал туман, нас окружавший, и естественно, что о нем и пошла речь. Туман состоит из воды... и профессор Фаулер, большой знаток термодинамики, но не очень сведующий в структурных вопросах, попросил меня объяснить структуру воды, как я эти проблему понимаю. И тут я задумался над ней заново - в свете наших московских дискуссий". Прогулка двух профессоров продолжалась более двенадцати часов и оказалась очень плодотворной, им удалось найти простое и красивое решение проблемы воды. Через несколько месяцев совместная работа Бернала и Фаулера появилась в печати и стала основой современного понимания молекулярной природы воды.

Рассказывая Фаулеру о воде, профессор Бернал упомянул и старую идею Рентгена, в которую уже мало кто верил. Совершенно неожиданно они нашли чрезвычайно важный аргумент в пользу этой идеи. Он был получен методом "от простого". "А что было бы с водой, - спросил Фаулер, если бы оно не обладала молекулярной структурой? Например, какова была бы плотность такой воды?" В такой воде каждая молекула H 2 O должна быть окружена не менее чем шестью соседями, как при любой плотной упаковке. Можно рассчитать, что плотность такой воды была бы не 1 г/см 3 , а 1,8 г/см 3 . Так как ни при каких температурах плотность реальной воды и близко не приближается к этой цифре, то отсюда следует, что в жидкой воде при любой температуре существует какая-то молекулярная структура, скорее всего похожая на молекулярную структуру льда. Именно эта структура удерживает молекулы воды от плотной упаковки.

Позднее это предположение было подтверждено рентгеноструктурным анализом, с помощью которого удалось установить, что так называемое "координационное число" воды (т.е. среднее число соседей любой молекулы) равно 4,4. Так как координационное число льда равно 4, то число соседей "среднестатистической" молекулы H 2 O при переходе из твердого в жидкое состояние возрастает лишь на 0,4 соседа. Следовательно, из каждых 10 молекул воды 8 по-прежнему окружены четырьмя соседями, а около двух других появятся две новые молекулы.

Да но как теперь быть с аномальным поведением льда при плавлении? Ведь выше мы как будто пришли к выводу, что искажение структуры должно приводить к снижению плотности любой субстанции. Обсуждая это противоречие, Бернал и Фаулер пришли в конце концов к выводу, что при плавлении льда происходит не искажение, а перестройка структуры, при этом дальний порядок льда разрушается, но внутри небольших областей молекулярная кристаллоподобная конструкция сохраняется. В то время уже было известно, что подобная перестройка может привести к увеличению плотности. Бернал и Фаулер в своей статье сослались на данные рентгеноструктурного анализа тридимита и кварца, которые очень близки к соответствующим данным для льда и воды. Тридимит и кварц - это два различных кристаллических состояния кремнезема SiO 2 . Химический состав кварца и тридимита одинаков, молекулярные структуры также одинаковы - как в кварце, так и в тридимите молекулы образуют тетраэдрические конструкции. Но плотность кварца приблизительно на 10% больше плотности тридимнта. Почему же одна и та же структура, одни и те же молекулы, а плотность разная? Ответ на этот вопрос Берналу и Фаулеру был известен. Так как и кислород и кремний являются достаточно крупными атомами, то они хорошо видны на рентгенограммах, поэтому все тонкости структур этих кристаллов в 30-е годы уже были выяснены. Эти тонкости состоят в том, что расстояние между ближайшими молекулами в этих кристаллах одинаковы, а вот расстояние до следующих (не ближайших) соседей у них различно, т.е. первые координационные сферы у них одинаковы, а размер второй сферы у кварца 4,2 A, а у тридимита - 4,5 A. Это и объясняет различия плотности кварца и тридимита.

Если же вспомнить, что, во-первых, лед также имеет тетраэдрическую структуру и, во-вторых, что плотность льда и воды отличаются на 9%, то легко понять уверенность Бернала и Фаулера в том, что структура льда подобна структуре тридимита, а структура воды подобна структуре кварца. Далеко не все детали их теории выдержали испытание временем, позднее появились более изощренные теории, но их статья в Journal of Chemical Physics остается одной из наиболее важных вех на теоретическом пути познания воды.

Как это часто бывает, теория Бернала-Фаулера оказалась верной лишь в своей методологической части, а многие ее детали не подтвердились дальнейшими экспериментами. В частности, никаких кварцеподобных структур обнаружить в жидкой воде не удалось. А вот представление о воде как о жидкости с сильно развитым ажурным каркасом находило все больше и больше подтверждений.

Бесспорным достижением XX века явилось ясное понимание того, что структура льда как-то сохраняется и в воде, или, пользуясь формулировкой Клемена Дюваля, - вода помнит свое происхождение. Но почему она помнит, а другие жидкости лишены этой способности? Ведь лед (если забыть, что он существует не в "своем" температурном диапазоне), в общем-то, довольно обычный кристалл. Наличие у него особой молекулярной структуры не так уж и странно. Все кристаллы образуют какие-нибудь (подчас удивительные) структуры. Но при плавлении они порождают вполне тривиальные, обычные жидкости. Лед тоже плавится и тоже порождает жидкость, но она необычна. Почему? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что молекулы большинства веществ удерживаются в узлах своих кристаллических структур довольно слабыми вандерваальсовыми или электрическими силами. Молекулы же H 2 O удерживаются в гексагональной структуре льда водородными связями, отличие которых от вандерваальсова и электростатического взаимодействий весьма существенно. Водородные связи значительно сильнее и, самое главное, их действие строго направлено в пространстве. Последнее свойство приводит к тому, что водородная связь при плавлении льда разрушается только "сразу", она не может постепенно "ухудшаться", прежде чем окончательно разорваться . Это очень важное отличие льда от других кристаллов. Ведь при нагревании кристалла в первую очередь усиливается тепловое движение отдельных молекул которые постепенно все дальше и дальше отклоняются от всего узла идеальной кристаллической структуры. И вот здесь проявляется эффект направленности водородных связей. Предположим, что все молекулы кристалла сидят в узлах идеальной структуры. И вдруг одна молекула выскакивает из своего узла и удаляется от него на некоторое расстояние. В обычном веществе эта молекула все равно сохраняет связь со своими соседями по кристаллической решетке. Конечно, сцепление между ними ухудшается, энергия взаимодействия увеличивается, но связь остается. Если же подобное событие происходит во льду, то непоседливая молекула обязательно разорвет все свои водородные связи, она не может "чуть-чуть" отклониться от узла кристаллической решетки, сохранив при этом все свои водородные связи. Ведь водородные связи ее соседей протянуты в совершенно определенную точку пространства, и если молекула уходит из этой точки, то тем самым она теряет возможность "замкнуть" свои два протона и два неподеленных электрона. На первый взгляд, может показаться, что как раз вода должна быстро забыть свое кристаллическое прошлое. Получается, что молекулы H 2 O "порывают" со своим прошлым сразу и бесповоротно. Строго говоря, так и должно быть, если бы сразу большое количество молекул во льду могло разорвать все свои водородные связи. Но чтобы такое событие произошло в молекулярной жизни льда, нужно сконцентрировать в одном месте сразу довольно большую (по молекулярным масштабам) энергию.

Отдельная молекула воды не может постепенно накапливать энергию, чтобы по достижении определенного энергетического уровня оторваться от соседей. Воспользовавшись известным физическим лексиконом, можно сказать, что каждая молекула льда сидит в глубокой энергетической яме с совершенно отвесными краями. Выскочить из такой ямы очень трудно, а если выскочившая молекула "оступится", она сразу окажется внизу, в структуре идеального льда. Поэтому, во-первых, вероятность разрыва водородных связей мала, а во-вторых освободив из кристаллической структуры всего одну молекулу H 2 O, лед отдаст сразу довольно большую энергетическую дань кинетическим процессам плавления и тем самым может сохранять значительное число молекул в кристаллической структуре.

Энергетические ямы, в которых находятся другие вещества, имеют иной вид. Между состояниями, соответствующими кристаллу и жидкости, находится целый ряд промежуточных состояний. Поэтому молекулы обычных веществ могут постепенно накапливать энергию, переходя из одной промежуточной ямы в другую. Если же какая-либо молекула потеряет часть энергии, то она окажется не в самом низу ямы, а может задержаться в каком-либо промежуточном состоянии. В результате этого довольно быстро в процесс плавления вовлекаются все молекулы кристалла. Средняя энергия молекул постепенно растет, при этом индивидуальные колебания энергии молекул не слишком велики. Если изобразить плавление обычного кристалла в некоем фазово-энергетическом пространстве, то можно будет увидеть, что при плавлении все молекулы держатся довольно компактной группой. В самом деле, каждая точка такого пространства обозначает энергетический уровень молекул. В начале плавления все точки сольются в одну сплошную точку, соответствующую кристаллическому состоянию. В процессе плавления обычного вещества эта точка поползет вверх, постепенно размываясь и распадаясь на отдельные точки. Потом центральная точка распадется на более мелкие точки, которые, в свою очередь, будут также распадаться, и завершится этот процесс образованием большого, относительно плотного роя точек с центром, соответствующим жидкому состоянию. Картина плавления льда в такой интерпретации будет выглядеть совершенно иначе. Своеобразие энергетического профиля молекул льда позволяет достаточно большому числу молекул H 2 O во время плавления сохранять кристаллическую гексагональную структуру из водородных связей, в каждый момент времени в процессе плавления фактически участвует лишь небольшое количество молекул воды. В начале плавления все молекулы "сидят" на энергетическом уровне, соответствующем состоянию льда. По мере нагревания льда отдельные молекулы вырываются из кристаллической структуры и сразу оказываются на энергетическом уровне молекул без водородных связей. Между этими двумя уровнями идет непрерывный обмен, часть "жидких" молекул встраивается в гексагональную структуру, из которой за это же время какая-то часть молекул освобождается. По мере нагревания льда число уходящих из ледяной структуры молекул растет, а число возвращающихся падает. Но даже после полного завершения плавления достаточно большая часть водородных связей, существовавших во льду, сохраняется и в воде.

Описанная выше картина плавления льда - это идеализация, соответствующая так называемой двухструктурной модели воды, т.е. модели, в которой допускаются только два состояния молекул H 2 O - либо совершенно свободные мономеры, либо полностью включенные в гексагональную структуру. В этой связи может возникнуть вопрос: а допустима ли такая смесь мономеров и гексагональной решетки? Вспомним: структура льда рыхлая, в ней много пустот, атомы расположены довольно просторно. Каждая полость окружена шестью молекулами H 2 O, а каждая молекула - шестью полостями, которые образуют сплошные микроскопические каналы. Автор одной из первых физических теорий воды советский ученый О. Самойлов вычислил размер полостей и установил, что в них вполне может разместиться одна молекула воды, не задевая и не разрушая основного каркаса водородных связей. Самойлов высказал еще в 40-х годах XX века предположение, что в процессе плавления льда часть водородных связей разрывается, появляются свободные мономеры H 2 O, которые и заполняют частично полости водородного каркаса.

В 1952 г. американским ученым Хеггсу, Хастеду и Буханану удалось по данным зависимости диэлектрических свойств воды от температуры установить, что при 25 °C в жидкой воде 67% всех молекул H 2 O сохраняют все четыре водородные связи, 23,2% по три водородные связи, 7,6% - по две водородные связи и лишь 0,2% - полностью свободных молекул. Несомненно, реальная структура воды сложнее той, которую предполагают двухструктурные модели, однако благодаря своей простоте они довольно наглядны и в качестве "нулевого" приближения подходят.

Были предложены и другие теории молекулярного состояния воды. Например, английский физик Д.Ж. Попл предполагал, что при плавлении льда водородные связи вообще не рвутся, а как-то "изгибаются". Профессор Бернал, развивая его идею, построил новую теорию воды, согласно которой молекулы H 2 O образуют небольшие замкнутые кольца из четырех, пяти и более молекул. Но подавляющее большинство этих колец, считал Бернал, состоит только из пяти молекул, так как угол H-O-H в молекуле воды близок к 108° - углу правильного пятиугольника.

Л. Полинг в 1952 г. высказал предположение, что структура воды подобна структуре клатратных гидратов типа Cl 2 10H 2 O. Эйринг выдвинул теорию значащих структур, которая предполагает, что в воде существует две кристаллоподобные структуры: лед I и лед III. Водородные связи в структуре льда III несколько сжаты и слегка изогнуты, поэтому лед этот на 20% плотнее льда I.

Г. Намети и X. Шерага предположили, что каждая молекула воды может находиться в одном из пяти допустимых энергетических состояний, определяемых тем, сколько водородных связей она образует (0, 1, 2, 3 или 4). Предполагается, что молекулы собираются в льдоподобные "рои". Проделав обычный для статистической механики анализ, Намети и Шерага нашли количество молекул воды в отдельных роях, образующих 4, 3 и 2 водородные связи. Полученный таким образом молярный объем системы имеет минимум при 4 °C, другие параметры также неплохо соответствуют экспериментальным результатам. Однако теория Намет и Шерага, как и двухструктурная модель, противоречит целому ряду спектроскопических данных. Это общий недостаток всех теории, предполагающих существование четко различающихся структур в воде. В реальной воде, по-видимому существует широкий и непрерывный спектр различных молекулярных структур.

Все теории (здесь мы упомянули лишь некоторые) более или менее согласуются с наблюдаемыми экспериментальными данными, но для каждой из них рано или поздно обнаруживались факты, которые они не могли объяснить. Это, разумеется, не означает, что теории неверны. Каждая из них представляла определенную степень приближения к истинной реальной картине физического состояния воды и работала на будущую окончательную теорию.

С появлением компьютеров и возможностей моделировать на них самые разные процессы удалось резко сократить число достоверных теорий. С помощью таких экспериментов удалось точно определить, какая доля молекул воды сохраняет все четыре водородные связи, какая - три, две, одну и сколько в воде совершенно свободных молекул-мономеров. На рисунке показана полученная с помощью машинного эксперимента гистограмма распределения водородных связей в воде при 10 °C.

Как видим, в воде существует довольно значительная часть всех видов молекул - от полностью свободных до полночью связанных. Гистограммы для других температур похожи но в случае более высоких температур максимум гистограммы (который в случае 10 °C приходится на значение 2,3 водородные связи на молекулу) смещается в область меньших значений числа водородных связей.

Оказалось, что в воде с равным успехом образуются как пяти-, так и шестиугольники, без какого-либо предпочтения одних другим. Это, кстати, означает, что водородные связи могут растягиваться и искривляться. Полученный таким образом результат перечеркнул все модели "айсбергов", которые постулировали, что вода - это море полностью свободных молекул, в котором плавают более или менее крупные фрагменты ледяных структур. Хотя кластеры с 1, 2, 3 ... числом водородных связей и присутствуют, но доля их мала. Так как ледяные структуры образуют только шестиугольники, то такой поход, разумеется, совершенно исключает возможность появления в воде пятиугольных структур.

Обобщая результаты многочисленных компьютерных экспериментов, можно сказать, что топологию молекулярной структуры воды нельзя трактовать в виде какой-либо гексагональной структуры льда со случайно разорванными водородными связями. Более того, эта структура представляет собой единое целое в любом объеме воды. Машинные эксперименты показали, что сеть водородных связей находится выше "порога критической перколяции". Это означает, что в любом объеме воды всегда найдется по крайней мере одна сплошная цепочка из водородных связей, пронизывающая весь объем воды.

Как же теперь, в свете результатов компьютерных экспериментов, можно представить физическую природу воды? На молекулярном уровне вода, по-видимому, представляет собой случайным образом организованную трехмерную сеть водородных связей. Локально эта сеть стремится к тетраэдрической конфигурации. Это означает, что ближайшие соседи среднестатистической молекулы воды в основном располагаются в вершинах четырехгранной пирамиды, окружающей молекулу воды. Сеть содержит значительное число сильно напряженных водородных связей, причем именно эти связи играют фундаментальную роль в возникновении особых аномальных свойств воды. Любая молекула воды, связи которой достаточно напряжены, может быстро изменить все свое ближайшее окружение, переключив свои напряженные связи на новых соседей. Все это приводит к тому, что общая топология всей сети водородных связей воды чрезвычайно изменчива и разнообразна. В процессе плавления льда четкая, но рыхлая тетраэдрическая структура заменяется менее определенной, но более компактной сетью водородных связей. Увеличение плотности происходит за счет образования более компактных локальных структур (например, переход к пятиугольникам из водородных связей) и за счет искривления водородных связей. При нагревании талой воды переход к более компактным структурам доминирует до 4 °C, после которого превалируют процессы, связанные с обычным термическим расширением.

Структура жидкости

Применение термина "структура" для описания льда понятно, лед кристалл и, разумеется, обладает внутренней структурой. Но что такое структура жидкости? "Разве отсутствие структуры - текучесть - не является определяющим качеством жидкости?" - писал Бернал. Оказывается, жидкость обладает структурой, и не одной, а несколькими. Все дело во временном масштабе.

Если с какой-либо фиксированной молекулой воды связать систему координат, то для наблюдателя, находящегося в этой системе, структура воды будет зависеть от характерного масштаба времени, с которым он будет наблюдать молекулярную жизнь воды. У воды существуют два характерных временных параметра. Как и у всякого вещества, будь то жидкость или твердое тело, существует период колебаний отдельной молекулы τ υ . Для воды эта величина составляет значение 10 -13 с. В жидкости, кроме периода колебаний молекул около своего положения равновесия τ υ , имеется еще одно характерное время - время "оседлой жизни" τ D , т.е. среднее время существования данного локального окружения одной молекулы. Для воды τ D ~ 10 -11 с, т.е. прежде чем перескочить на новое место, молекула воды совершает 100 колебаний на одном месте.

Два эти параметра разбивают временную шкалу на три области, каждой из которых соответствует своя структура жидкости. Если наблюдатель будет пользоваться достаточно малым временным масштабом, т.е. будет смотреть в течение времени, много меньшего τ υ , то он увидит хаотически разбросанные молекулы, среди которых трудно усмотреть какой-либо порядок. Тем не менее это беспорядочное расположение молекул называют мгновенной, или М-структурой.

Чтобы понять, почему все-таки этот беспорядок называют структурой, наблюдателю необходимо перейти к более длительному временному масштабу. Но не слишком, точнее, больше чем τ υ , но меньше чем τ D . На этом временном интервале реальные молекулы уже не будут видны, наблюдатель сможет увидеть лишь точки, вокруг которых они совершают свои колебания. Оказывается, что эти точки в воде расположены довольно регулярно и образуют четкую структуру, называемую К-структурой, что означает "колебательно усредненная".

М- и К-структуры воды подобны таким же структурам льда. Чтобы увидеть различия этих структур у воды и льда, нужно понаблюдать за ними несколько дольше, т.е. с характерным временем, много большим чем τ D . Наблюдаемую в этом случае картину называют Д-структурой - диффузионно усредненной. В отличие от льда Д-структура воды полностью размыта из-за частых перескоков молекул воды на большие расстояния (эти перескоки составляют процесс самодиффузии молекул воды). Д-структура образуется диффузионным усреднением К-структур и не может быть описана каким-либо особым расположением точек в пространстве. Сторонний наблюдатель видит, что, по сути дела, никакой Д-структуры жидкости и не существует (заметим, что именно Д-структура как полное статистическое усреднение ансамбля молекул определяет термодинамические свойства воды.).

И тем не менее Д-структура существует, и ее можно увидеть. Наблюдатель, находящийся на некоторой молекуле воды, увидит, что его собственная молекула, перемещается хаотически по всему объему воды, каждый раз оказывается в более или менее упорядоченном окружении. Он увидит, что чаще всего "его" молекулу будут окружать четыре других молекулы H 2 O, иногда соседей окажется пять, иногда шесть, в среднем как мы знаем, их будет 4,4. Таким образом, Д-структурой воды можно считать картину, видимую наблюдателем.

Такой подход к описанию структуры воды чаще всего используется при интерпретации спектроскопических данных, потому что различные спектроскопические методы - рентгеновский, ЯМР, диэлектрическая релаксация, комбинационное рассеяние нейтронов - способны "считывать" молекулярные данные с различным характерным временем разрешения.

Перемещение молекул доказывается обычно броуновским движением. Каплю воды, в которой плавают очень легкие частицы твердого нерастворимого вещества, рассматривают под микроскопом и наблюдают, что частицы беспорядочно перемещаются в массе воды. Каждая такая частица состоит из множества молекул и не облачает самопроизвольным движением. Частицы испытывают удары со стороны движущихся молекул воды, которые заставляют их всё время менять направление движения, а это означает, что сами молекулы воды движутся беспорядочно.

Молекула воды Н2О состоит из одного атома кислорода, связанного ковалентной связью с двумя атомами водорода.

В молекуле воды главным действующим лицом является атом кислорода.

Поскольку атомы водорода друг от друга заметно отталкиваются, угол между химическими связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород - кислород не прямой (90°), а немного больше - 104,5°.

Химические связи в молекуле воды – полярные, так как кислород подтягивает к себе отрицательно заряженные электроны, а водород - положительно заряженные электроны. В результате вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода - положительный.

Поэтому вся молекула воды является диполем, то есть молекулой с двумя разноименными полюсами. Дипольная структура молекулы воды во многом определяет ее необычные свойства.

Молекула воды – это диамагнетик.

Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - тетраэдр. Таково строение самой молекулы воды.

При изменении состояния молекулы воды длина сторон и угол между ними изменяются в тетраэдре.

Например, если молекула воды находится в парообразном состоянии, то угол, образованный ее сторонами, равняется 104°27". В водном состоянии угол составляет 105°03". И в состоянии льда угол равен 109,5°.

Геометрия и размеры молекулы воды для различных состояний
а - для парообразного состояния
б - для низшего колебательного уровня
в - для уровня, близкого к образованию кристалла льда, когда геометрия молекулы воды соответствует геометрии двух египетских треугольников с соотношением сторон 3: 4: 5
г - для состояния льда.

Если разделить пополам эти углы, то получим углы:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

Значит, среди геометрических рисунков молекулы воды и льда находится знаменитый египетский треугольник, в основу построения которого заложены соотношения золотой пропорции - длины сторон относятся как 3:4:5 с углом 53°08".

Молекула воды приобретает строение золотой пропорции на пути, когда вода переходит в лед, и наоборот, когда лед тает. Очевидно, за это состояние и ценится талая вода, когда ее структура в построении имеет пропорции золотого сечения.

Теперь становится понятным, что знаменитый египетский треугольник с соотношением сторон 3:4:5 "взят" из одного из состояний молекулы воды. Сама же геометрия молекулы воды образована двумя египетскими прямоугольными треугольниками, имеющими общий катет равный 3.

Молекула воды, имеющая в основе соотношение золотой пропорции, является физическим проявлением Божественной Природы, которая участвует в создании жизнь. Именно поэтому в земной природе заложена та гармония, которая присуща всему космосу.

И поэтому древние египтяне обожествляли числа 3, 4, 5, а сам треугольник считали священным и старались заложить его свойства, его гармонию в любую конструкцию, дома, пирамиды и даже в разметку полей. Кстати, украинские хаты строились тоже с применением соотношения золотой пропорции.

В пространстве молекула воды занимает некоторый объем, и покрыта электронной оболочкой в виде вуали. Если представить вид гипотетической модели молекулы в плоскости, то она похожа на крылья бабочки, на Х-образную хромосому, в которой записана программа жизни живого существа. И это является показательным фактом того, что сама вода - это обязательный элемент всего живого.

Если представить вид гипотетической модели молекулы воды в объеме, то она передает форму треугольной пирамиды, у которой имеется 4 грани, а у каждой грани по 3 ребра. В геометрии треугольная пирамида называется тетраэдром. Такое строение свойственно кристаллам.

Таким образом, молекула воды образует прочную уголковую структуру, которую она сохраняет даже, когда находится в парообразном состоянии, на грани перехода в лед, и когда превращается в лед.

Если "скелет" молекулы воды так устойчив, то и его энергетическая "пирамида" - тетраэдр тоже стоит непоколебимо.

Такие структурные свойства молекулы воды в различных условиях объясняются прочными связями между двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Эта связь примерно в 25 раз сильнее, чем связь между соседними молекулами воды. Поэтому легче отделить одну молекулу воды от другой, например, при нагревании, чем разрушить саму молекулу воды.

За счет ориентационных, индукционных, дисперсионных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса) и водородных связей между атомами водорода и кислорода соседних молекул молекулы воды способны образовывать как случайные ассоциаты, т.е. не имеющие упорядоченной структуры, так и кластеры – ассоциаты, имеющие определенную структуру.

Согласно статистическим данным, в обычной воде находится случайных ассоциатов - 60% (деструктурированная вода) и кластеров - 40% (структурированная вода).

В результате исследований, проведенных российским ученым С. В. Зениным, были обнаружены стабильные долгоживущие кластеры воды.

Зенин установил, что молекулы воды первоначально образуют додекаэдр. Четыре додекаэдра соединяясь, образует основной структурный элемент воды - кластер, состоящий из 57 молекул воды.

В кластере додекаэдры имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. Это объёмное соединение молекул воды, в том числе гексамеров, которое имеет положительные и отрицательные полюса.

Водородные мостики позволяют молекулам воды объединяться самыми различными способами. Благодаря этому в воде наблюдается бесконечное разнообразие кластеров.

Кластеры могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, что приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников. Они состоят из 912 молекул воды, которые практически не способны к взаимодействию. Время существования такой структуры весьма велико.

Эту структуру, похожую на маленький острый кристаллик льда из 6 ромбических граней, С.В. Зенин назвал "основным структурным элементом воды”. Многочисленные эксперименты подтвердили; в воде - мириады таких кристалликов.

Эти кристаллики льда почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому не образуют более сложных устойчивых конструкций и легко скользят гранями относительно друг друга, создавая текучесть. В этом смысле вода напоминает переохлажденный раствор, который никак не может кристаллизоваться.