Вода как среда обитания

По Самойлову, количественной характеристикой  гидратации является время (t) пребывания молекул воды в окрестности иона, т.е. время обмена ее с удаленными молекулами. Причем это время сопоставляется со временем (t_о) самодиффузии воды:

1. Отношение t/t_о. >1 (Положительная гидратация). Ионы при этом имеют отрицательный объем, они упрочняют структуру молекул воды, т.к. вокруг них постоянно заполнены одна или несколько полостей. К таким ионам относятся: Fe3, Al3,Fe2,Mg2,Li1,CO32-, Ca2+, Na+,SO42-.
2. Отношение t/t_о. <1 (Отрицательная гидратация).Обмен молекул идет быстрее, чем в чистой воде, поэтому такие ионы разупорядочивают структуру воды. Ее молекулы из координационной сферы быстрее мигрируют во внешнюю среду. K+, Rb+,Cs+,Cl-, Br-, I-.

Уменьшение объема раствора при  растворении упрочняющих структуру  ионов  - электрострикция. Этот эффект проявляется в виде заметного  снижения уровня водоемов при образовании  рассолов электролитов типа Na2SO4, MgSO4.

Эти факторы должны учитываться  при составлении водных балансов минеральных озер.

Говоря об особых свойствах водных растворов, следует остановиться также  и на Тзам воды и водных растворов.

Температура замерзания - это Т, при  которой Р пара над твердой фазой и жидкой одинаково. Тзам зависит от концентарции растворенного вещества и природы растворителя.

ÑТ= КС

К - криоскопическая константа, зависящая  от природы растворителя, для чистой воды она самая низкая +1.86.

При растворении солей в воде Тпл снижается по кривым (рис). Точка пересечения называется эвтектической и соответствует определенным значениям Т и С.

Для системы вода-соль эта точка  называется криогидратной.

Такие эвтектические и криогидратные  системы широко распространены в  природе:

Все изверженные горные породы - это эвтектические системы

При замерзании природных  вод образуется криогидрат сложного состава - хлориды, сульфаты и карбонаты, кот имеют различные Т-ры криогидратных точек. Из-за этого различия при образовании льда карбонаты и сульфаты, как правило, находятсяся в тв.фазе, а хлориды заполняют внутриледные пустоты и постепенно стекают в нижние слои незамерзшей воды. Лед при этом обессоливается. Этот процесс часто называют старением льда.

Т.о., при образовании льда значительная часть солей поступает в раствор, минерализация его возрастает. Так вымораживают соль при ее добыче.

При наступлении зимы в клетках холоднокровных организмов (лягушек, напр.) начинает накапливаться пероксид водорода. Система вода-Н2О2 образует криогидратную смесь с Т замерзания -50С и ниже. Подобные криогидраты предохраняют клетку от образования в ней льда и повреждения при замораживании. Это один из механизмов выживания холоднокровных организмов.

[Исcледование тв.фазы воды продолжается во многих лабораториях мира и очень интенсивно. Эти исследования приносят неожиданные открытия. Напр., установлена сверхплотная (2.3 г/см3) модификация льда (при Т -173С и Р=10-5атм). Этот лед может играть огромную роль в физике комет и низкотемпературных планет.]

Чем же можно объяснить аномальные свойства самой главной обеспечивающей жизнь на Земле жидкости?

1. Прежде всего, необычны водообразующие  компоненты:

Водород - единственный в своем роде элемент, устроенный очень просто - один электрон и один протон, он является родоначальником всего многообразия элементов в Солнечной системе. Он восстановитель.

Кислород - один из наиболее активных элементов в природе - он атакует все атомы, способные отдавать электроны, т.е. главный окислитель на Земле.

2. Простота молекулы воды кажущаяся. Химическая природа воды сложна и не до конца выявлена. Многие аномальные свойства воды обусловлены водородными связями. Энергия водородной связи недостаточно велика, чтобы не зависеть от Т и Р. Но больше тепловой энергии. Поэтому роль этих связей м.б. определяющей для ориентации и подвижности молекул относительно друг друга в растворах и молекулярных кристаллах.

По данным современных физических исследований, каждая молекула воды имеет  в среднем 4.4 ближайших соседа с  размытым тетраэдрическим расположением  молекул. Этому факту может соответствовать много разных структур.

Существующие на сегодня модели воды делятся на 3 класса:

1. Однородные континуальные
2. Двухструктурные кластерные
3. Двухструктурные специфические

Однородные континуальные  модели (Попл, 1951): все участки воды гомогенны и представляют один континуум, при плавлении льда Н-связи не рвутся, а лишь растягиваются и изгибаются. Эта модель не объясняет всю совокупность аномальных свойств воды.

Двухструктурные кластерные модели (Фрэнк, Вин, 1957): при изменении Т одна структура воды заменяется другой. Энергия Н-связей не аддитивна, поэтому происходит кооперирование молекул воды в рои и кластеры. При тепловом движении кластеры образуются и распадаются (“мерцают”), они содержат от 12 до 150 молекул и живут от 10^-10 до 10^-11с. Находятся в равновесии со свободными молекулами воды.

Эта модель удовлетворительно описывает многие свойства воды, в т.ч. термодинамические.

Двухструктурные специфические модели (Самойлов, 1946, 1957): пространственно однородная двухструктурная модель. При плавлении льда его каркас не разрушается полностью, а лишь слегка искажается тепловым движением молекул. Некоторые свободные молекулы поступают в полости структуры, сохраняя часть Н-связей в своем окружении и ослабляют прочность каркаса. С ростом Т и Р число полостных молекул увеличиваетсяю.

Объясняет многие свойства воды и применима к водным растворам.

Необыкновенная легкость льда связана  с тем, что водородные связи сплетают молекулы воды в кристалле в объемные сети, причем между частицами остается много места, куда с повышением давления устремляются…. При таянии регулярная сеть частично разрывается, промежутки соединяются. Поэтому, превращаясь в жидкость, вода становится плотнее.