Строение молекулы воды

Из уравнения (1.2) видно, что полная энергия трехатомной  молекулы типа H₂O состоит из шести частей, отвечающих шести степеням свободы: трем поступательным и трем вращательным.

Из курса физики известно, что на каждую из этих степеней свободы  при тепловом равновесии приходится одинаковое количество энергии, равное ¹/₂ kT, где k=R_m/N_A= 1,3807·10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура; N_A = 6,0220·10²³ моль^-1 — число Авогадро; kN_A=R_m= 8,3144 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная. Тогда полная кинетическая энергия такой молекулы

(1.3)

 

Полная кинетическая энергия молекул, содержащихся в грамм-молекуле любого газа (пара), составит

(1.4)

 

Полная кинетическая энергия W связана с удельной теплоемкостью при постоянном объеме формулой

 

(1.5)

 

Подсчет удельной теплоемкости по формуле (1.5) для водяного пара дает значение 25 Дж/(моль·К). По опытным данным, для водяного пара c_v = 27,8 Дж/(моль·К), т. е. близко к расчетному значению.

Изучение молекулы воды с помощью спектрографических исследований позволило установить, что она  имеет структуру как бы равнобедренного  треугольника: в вершине этого треугольника расположен атом кислорода, а в основании его — два атома водорода. Угол при вершине составляет 104°27¢, а длина стороны — 0,096 нм. Эти параметры относятся к гипотетическому равновесному состоянию молекулы без ее колебаний и вращений.

Относительная молекулярная масса H₂O зависит от относительной атомной массы ее составляющих и имеет различные значения, так как кислород и водород имеют изотопы. Кислород имеет шесть изотопов: ¹⁴O, ¹⁵O, .... ¹⁹O, а водород три: ¹H (протий), ²H (дейтерий), ³H (тритий). Некоторые из изотопов радиоактивны, имеют короткое время полураспада и присутствуют в воде в незначительных количествах, другие же получены только искусственным путем и в природе не встречаются.

Таким образом, принимая во внимание изотопы кислорода и водорода, можно составить из них несколько видов молекулы H₂O с различными относительными молекулярными массами. Из них наиболее распространены молекулы ¹H₂¹⁶O с относительными молекулярными массами 18 (обычная вода) и молекулы ²H₂¹⁶O с относительными молекулярными массами 20. Последние молекулы образуют так называемую тяжелую воду. Тяжелая вода по своим физическим свойствам значительно отличается от обыкновенной воды.

1.3. Понятие о молекулярно-кинетической  теории 

вещества и воды

 

Структура воды в трех ее агрегатных состояниях еще не может считаться окончательно разгаданной. Существует ряд гипотез, объясняющих строение пара, воды и льда.

Эти гипотезы в большей  или меньшей степени опираются  на молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, основы которой были заложены еще М.В.Ломоносовым. В свою очередь, молекулярно-кинетическая теория исходит из принципов классической механики, в которой молекулы (атомы) рассматриваются как шарики правильной формы, электрически нейтральные, идеально упругие. Такие молекулы подвержены лишь механическим соударениям и не испытывают никаких электрических сил взаимодействия. По этим причинам использование молекулярно-кинетической теории может лишь в первом приближении объяснить строение вещества.

Газ — в нашем случае водяной пар, — согласно молекулярно-кинетической теории, представляет собой собрание молекул. Расстояние между ними во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы газа находятся в непрерывном беспорядочном движении, пробегая путь между стенками сосудов, в котором заключен газ, и сталкиваясь друг с другом на этом пути. Соударения молекул между собой происходят без потери механической энергии; они рассматриваются как соударения идеально упругих шариков. Удары молекул о стенки ограничивающего их сосуда обусловливают давление газа на эти стенки. Скорость движения молекул увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ее падением.

Когда температура газа, уменьшаясь от более высоких значений, приближается к температуре кипения  жидкости (для воды 100°C при нормальном давлении), скорость молекул уменьшается, и при соударении силы притяжения между ними становятся больше сил упругих отталкиваний при ударе и поэтому газ конденсируется в жидкость.

При искусственном сжижении газа температура его должна быть ниже так называемой критической, которой отвечает и критическое давление (п.1.1). При температуре выше критической газ (пар) никаким давлением не может быть переведен в жидкость.

Величина RT_кр/ (P_крV_кр) для всех газов, в том числе и для водяного пара, должна быть равна 8/3=2,667 (здесь R — газовая постоянная; T_кр, P_кр, V_кр — соответственно критические температура, давление, объем). Однако для водяного пара она равна 4,46. Это объясняется тем, что в состав пара входят не только одиночные молекулы, но и их ассоциации.

Жидкость в отличие от газа представляет собой совокупность молекул, расположенных столь близко друг от друга, что между ними проявляются силы взаимного притяжения. Поэтому молекулы жидкости не разлетаются в разные стороны, как молекулы газа, а только колеблются около своего положения равновесия. Вместе с тем, так как строение жидкости не вполне плотное, в ней имеются свободные места — «дырки», вследствие чего, по теории Я.И.Френкеля, некоторые молекулы, обладающие большей энергией, вырываются из своего «оседлого» места и скачком перемещаются в соседнюю «дырку», расположенную на расстоянии, примерно равном размеру самой молекулы. Таким образом, в жидкости молекулы сравнительно редко перемещаются с места на место, а большую часть времени находятся в «оседлом» состоянии, лишь претерпевая колебательные движения. Этим, в частности, объясняется слабая диффузия в жидкостях по сравнению с большой ее скоростью в газах. При нагревании жидкости энергия ее молекул увеличивается, скорость их колебания возрастает. При температуре 100°C и нормальном атмосферном давлении вода распадается на отдельные молекулы H₂O, скорость которых уже в состоянии преодолеть взаимное притяжение молекул, и вода превращается в пар.

При охлаждении жидкости (воды) происходит обратный процесс. Скорости колебательного движения молекул уменьшаются, структура жидкости становится более прочной, и жидкость переходит в кристаллическое (твердое) состояние—лед. Различают два вида твердых тел: кристаллические и аморфные. Основным признаком кристаллических тел является анизотропия их свойств по различным направлениям: теплового расширения, прочности, оптических и электрических свойств и т. п. Аморфные тела изотропны, т. е. обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях. Лед является кристаллическим телом.

В твердом теле, в отличие от газа и жидкости, каждый атом или молекула колеблются только около своего положения равновесия, но не перемещаются. В твердом теле отсутствуют «дырки», в которые могут переходить отдельные молекулы. Поэтому диффузия в твердых телах отсутствует. Атомы, составляющие молекулы, образуют прочную кристаллическую решетку, неизменность которой обусловлена молекулярными силами. Когда температура твердого тела приближается к температуре плавления, кристаллическая решетка его разрушается, и оно переходит в жидкое состояние. В отличие от кристаллизации жидкостей плавление твердых тел происходит сравнительно медленно, без явно выраженного скачка.

Кристаллизация большинства  жидкостей происходит с уменьшением  объема, а плавление твердых тел сопровождается увеличением объема. Исключение составляют вода, сурьма, парафин и некоторые другие вещества, у которых твердая фаза менее плотная, чем жидкая.

1.4. Структура воды в трех ее  агрегатных состояниях

 

Проблема оценки структуры  воды пока остается одной из самых сложных. Рассмотрим кратко две обобщенные гипотезы о структуре воды, получившие наибольшее признание, одна — в начальный период развития учения о структуре воды, другая — в настоящее время.

Согласно гипотезе, предложенной Уайтингом (1883г.) и имеющей к настоящему времени различные интерпретации, основной строительной единицей водяного пара является молекула H₂O, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строительной единицей воды является двойная молекула воды (H₂O)₂—дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (H₂O)₃ — тригидроль. На этих представлениях основана так называемая гидрольная теория структуры воды.

Водяной пар, согласно этой теории, состоит из собрания простейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незначительного количества молекул дигидроля.

Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул  моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих молекул  в воде различно и зависит от температуры. Согласно этой гипотезе, соотношение  количества молекул воды и объясняет одну из основных ее аномалий — наибольшую плотность воды при 4°С.

В табл.1.1 показан молекулярный состав воды, льда и водяного пара по различным литературным источникам.

Так как молекула воды несимметрична, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов ее не совпадают. Молекулы имеют два полюса — положительный и отрицательный, создающие, как магнит, молекулярные силовые поля. Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния l между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд e в абсолютных электростатических единицах:

(1.6)

 

Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10^-29 Кл·м. Полярностью молекул моногидроля и объясняется образование дигидроля и тригидроля. Вместе с тем, так как собственные скорости молекул возрастают с повышением температуры, этим можно объяснить постепенный распад тригидроля в дигидроль и далее в моногидроль соответственно при таянии льда, нагревании и кипении воды.

Другая гипотеза строения воды, разрабатывавшаяся в XX веке (модели О.Я.Самойлова, Дж.Попла, Г.Н.Зацепиной и др.), основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H₂O, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей (Дж.Бернал и Р.Фаулер, 1933г.). Эти связи возникают в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы с атомом кислорода соседней молекулы (с сильно электроотрицательным элементом). Такая особенность водородного обмена в молекуле воды обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом (см. рис.1.3), он остается в виде ядра, почти лишенного электронной оболочки. Поэтому атом водорода не испытывает отталкивания от электронной оболочки кислорода соседней молекулы воды, а, наоборот, притягивается ею, и может вступить с нею во взаимодействие. Согласно изложенному, можно предположить, что силы, образующие водородную связь, являются чисто электростатическими. Однако, согласно методу молекулярных орбиталей, водородная связь образуется за счет дисперсионных сил, ковалентной связи и электростатического взаимодействия.

Таблица 1.1

Молекулярный состав льда, воды и водяного пара, %

Молекула	Лед	Вода				Пар
	Температура, °С
	0	0	4	38	98	100
Моногидроль [H2O]	0	19	20	29	36	>99,5
Дигидроль [(H2O)2]	41	58	59	50	51	<0,5
Тригидроль [(H2O)3]	59	23	21	21	13	0

 

Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода одной  молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы — ассоциаты: каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими (рис. 1.4). Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии (лед Ih) и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии. При этой структуре образуются «пустоты — каналы» между фиксированными молекулами, поэтому плотность льда меньше плотности воды.

Повышение температуры  льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей. При  жидком состоянии воды достаточно даже обычных тепловых движений молекул, чтобы эти связи разрушить.

 

 

Рис. 1.4.Схема взаимодействия молекул воды

1 — кислород, 2 — водород, 3 — химическая связь, 4 — водородная связь.

 

Считается, что при  повышении температуры воды до 4°С упорядоченность расположения молекул  по кристаллическому типу с характерной  структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98°С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.

Вода- как она есть. Оглавление: Роль воды в организме человека.  Качество питьевой воды.  Основные физико-химические свойства воды.

 

Основные физико-химические свойства воды.    Основные физико-химические свойства воды влияют на все процессы, в которых вода принимает участие. Наиболее важны следующие  свойства: Чистота воды – наличие в ней примесей, бактерий, солей тяжелых металлов, хлора и др. Поверхностное натяжение – это степень сцепления молекул воды друг с другом. Этот параметр определяет степень усвояемости воды организмом. Чем более «жидкая» вода, тем меньше энергии требуется организму для разрыва молекулярных связей и осуществления взаимодействия. Поверхностное натяжение воды в среднем сейчас составляет около 73 д/см. Поверхностное натяжение клетки нашего организма около 43 д/см. Жесткость воды – наличие в ней солей. От жесткости зависит также степень взаимодействия воды с другими веществами. Кислотно-щелочное равновесие воды. Основные жизненные среды (кровь, лимфа, слюна, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость и др.) имеют слабощелочную реакцию (в среднем 7,5 ед.). Кислотно-щелочное равновесие воды в настоящее время колеблется от 3,0 ед. до 7,0 ед. При сдвигах их в кислую сторону, меняются биохимические процессы, организм закисляется. Это ведет к развитию болезней. Окислительно-восстановительный потенциал воды (ОВП). Это способность воды вступать в биохимические реакции. Она определяется наличием свободных электронов. Это очень важный показатель для организма человека. ОВП межклеточных жидкостей в организме в среднем равно -50 – (-100).  ОВП воды в среднем равно +55 – (+630). Структура воды. Вода представляет собой жидкий кристалл. Диполи молекулы воды ориентируются в пространстве определенным образом, соединяясь в структурные конгломераты. Это позволяет жидкости составлять единую биоэнергоинформационную среду. Вся жидкость в организме структурирована. Только в таком состоянии она способна проводить энергетические импульсы. Когда вода находится в состоянии твердого кристалла, молекулярная решетка жестко ориентирована. При таянии разрываются жесткие структурные молекулярные связи. И часть молекул, высвобождаясь, образует текучесть воды.       Структура воды с Alka-Mine   Структура воды с Alka-Mine   Структура воды из источника г.Тотьма   Структура воды из источника г.Тотьма Информационная память воды. За счет структуры кристалла происходит запись биополевой информации. Это один из очень важных параметров воды, имеющий большое значение для организма человека. Японский ученый Эмото Масару проводил исследования, фотографируя кристаллы замороженной воды из различных источников, которой давал послушать классическую и современную музыку, прочитать слова, написанные на разных языках мира, показывал снимки. В результате своих исследований он доказал, что Вода может слышать, видеть, читать. Учитывая, что мы с вами состоим из воды, то вся информация, которую мы получаем извне и генерируем внутри себя (обиды, злость, досада или радость, прощение, доброту, сочувствие), мы записываем на своих жидкостях и передаём своим потомкам.       Слова: «Ты  болван»   Любовь  и возрождение   Спасибо   500 человек  послали энергию любви Минерализация воды. Наличие в воде макро- и микроэлементов необходимо для здоровья. Жидкости организма представляют собой электролиты, и восполнение минерального состава идет, в том числе, за счет воды. Необходимо учитывать, что легче в организме усваиваются минералы органического происхождения.     В настоящее  время всё чаще и чаще появляются новые статьи, книги, передачи, проводятся конференции и международные конгрессы, посвящённые воде. И это не потому, что стало модным говорить о чистоте воды, а потому, что это стало очень актуально, учитывая, сколько тысяч человек ежегодно погибает из-за употребления загрязнённой, мёртвой воды. На самом деле, всё то, что разбирается сейчас во всех изданиях, посвящённых воде, было известно нашим предкам. Мало того Они передали нам эту информацию. Вспомните наши сказки, былины, поговорки. Только, мы, почему- то решили, что всё это нам передали для того, чтобы детей было легче спать укладывать. Сказка ложь, да в ней намёк … говорим мы своим детям многозначительно. Всё правильно, только этот намёк передали наши предки для нас с вами. Вспомните, в большинстве сказок рассказывается о живой и мёртвой воде, даже приведены примеры, для чего надо использовать живую и мёртвую воду…     Что же такое мёртвая вода? Мёртвая вода – это вода с поверхностным натяжением около 73 д/см., с ОВП – положительным, с кислым рН, содержащая соли тяжелых металлов или пестициды, болезнетворные микроорганизмы, потерявшая свою структуру, несущая информацию о разрушении. То есть та вода, для оживления которой, организму приходится тратить огромное количество сил и энергии. Та вода, которая будет истощать, и убивать организм человека.     Где же взять живую воду или как сделать мёртвую воду живой?     Вот уже несколько лет в России, странах СНГ и Прибалтике, также как во многих странах мира существует Международный Коралловый Клуб, который был основан в Канаде. Это сообщество интеллигенции, объединившееся вокруг идеи «Выживания населения Планеты». Международный Коралловый Клуб распространяет по всем странам уникальную минеральную добавку "Алка-Майн" (Коралловый кальций). Которая превращает воду в живую, биодоступную клетке. Кораллы – супердолгожители на Земле. Как сказал академик В.П.Казначеев: "Коралловая вода– это палеоэкологическое воздействие девственной природой, несущей информацию из глубины веков."      В Москве с 1-4 июня 2004г. проходил IV Международный конгресс «Вода: экология и технология. ЭКВАТЕК- 2004». На этом конгрессе была поддержана Глобальная Водная инициатива Европейского Союза: «Вода для жизни – здоровье, благополучие, экономическое развитие и безопасность», которая провозгласила 2005-2015 годы «Международным десятилетием пресной воды». В резолюции конгресса говорилось «о деградации качества вод, о снижении продолжительности жизни населения и повышенной смертности (особенно детской), что связано с потреблением недоброкачественной питьевой воды». Живая вода, «оживление воды»- как путь оздоровления населения, суть Международного просветительского движения «Международный Коралловый Клуб» («Вечное движение добра» Новосибирск 2005, с.4). Из выступления академика  РАМН, профессора В. П. Казначеева:    « Жизнь на Земле  возникла 4,5 – 5 миллиардов лет назад. Она накапливала в себе многие космические и земные качества, она  упрятывала эти качества всё глубже, в более новые клеточные организмы  и структуры… Но то, что осталось на планете со времён старых, более древних – это осадочный чехол, это минералы, которые усваивались ещё 3-4 миллионов лет тому назад и консервировались организмами. Это сегодня палеорастения, организмы, которые нередко ещё сохраняют ту палеопамять прошлых эпох. Палеоэкология становится не предметом изучения прошлой истории, а средством извлечения из неё тех информационных терапевтических, профилактических и гигиенических условий и средств, без которых человечество не проживёт.     Вернусь к Владимиру Ивановичу Вернадскому, который первым в своих лабораториях стал определять стабильные изотопы кальция в осадках, в осадочном чехле, в редких растениях, животных, в том числе и с морского дна. Спрашивается: если я потребляю палеопродукты, друзья мои, и не только кораллы, что я делаю с организмом? Я отнюдь не только пополняю дефициты кальция – это всё, так сказать, само собой разумеется – я вношу память прошлых тысячелетий о чистоте и здоровье воды и жизни в океане. И клетки регенерируют! Это достояние Международного Кораллового Клуба – он решает эти проблемы».  (Из выступления на Первой региональной медицинской конференции Международного Кораллового Клуба. (Новосибирск, 28-30 марта 2003г.) Академик РАМН, профессор В.П.Казначеев).