Аномалии воды - Карельская Государственная Педагогическая

Карельский Государственный Педагогический университет
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
ВОДЫ И ЛЬДА
Выполнил: Морозов Е. И.
554гр. (2006 г.)
Вступление
Пожалуй, на Земле нет более распространенного и в то же время более загадочного
вещества, чем вода в жидкой и твердой фазах. Действительно, достаточно
вспомнить, что все живое вышло из воды и состоит из нее более чем на 50%, что 71%
поверхности Земли покрыт водой и льдом, а значительная часть северных территорий
суши представляет собой вечную мерзлоту.
Несмотря на многовековую историю изучения, простейший химический состав и
исключительную важность для жизни на Земле, природа воды и льда таит в себе много
загадок из-за сложной динамической протонной и молекулярной структуры.
Основы современного понимания физикохимии воды заложили около 200 лет назад Генри
Кавендиш и Антуан Лавуазье, обнаружившие, что вода – это не простой химический
элемент, как считали средневековые алхимики, а соединение кислорода и водорода в
определенном отношении. Собственно и название свое водород (hydrogene) – рождающий
воду – получил только после этого открытия, и вода приобрела современное химическое
обозначение H2O.
Водородная связь
Водородная связь (Н-связь) – особый тип взаимодействия между реакционно-способными
группами, при этом одна из групп содержит атом водорода, склонный к такому
взаимодействию. В отличие от обычных химических связей, Н-связь появляется не в
результате целенаправленного синтеза, а возникает в подходящих условиях сама и
проявляется в виде межмолекулярных или внутримолекулярных взаимодействий.
Особенности водородной связи. Отличительная черта водородной связи – сравнительно
низкая прочность, ее энергия в 5–10 раз ниже, чем энергия химической связи. По энергии
она занимает промежуточное положение между химическими связями и Ван-дерваальсовыми взаимодействиями, теми, что удерживают молекулы в твердой или жидкой
фазе. В образовании Н-связи определяющую роль играет электроотрицательность
участвующих в связи атомов – способность оттягивать на себя электроны химической
связи от атома – партнера, участвующего в этой связи. В результате на атоме А с
повышенной электроотрицательностью возникает
частичный отрицательный заряд  , а на атомепартнере – положительный +, химическая связь при
этом поляризуется: А–Н+ Возникший частичный
положительный заряд на атоме водорода позволяет ему
притягивать другую молекулу, также содержащую
электроотрицательный элемент, таким образом,
основную долю в образование Н-связи вносят
электростатические взаимодействия.
Само понятие и термин «водородная связь» ввели В.Латимер и Р.Родебуш в 1920, для
того, чтобы объяснить высокие температуры кипения воды, спиртов и др. соединений.
Они выявили закономерность. Из этой закономерности следовало, что вода должна кипеть
на 200° С ниже, чем наблюдаемое истинное значение.
Молекула воды
Молекула H2O построена из двух атомов водорода и одного атома
кислорода. В состоянии полного отсутствия движения (без колебаний и
вращений) ионы водорода и кислорода должны занимать положения в вершинах
равнобедренного треугольника с углом в вершине, занятой кислородом,
104,5° (рис. а). В невозбужденном состоянии расстояния между ионами
H+ и O2- равны 0,96 A. Благодаря такому строению молекула воды
является диполем, поскольку электронная плотность в области
расположения иона O2- значительно выше, чем в области ионов H+ , и
простейшая модель – модель шаров – плохо подходит для описания свойств воды.
Можно представить себе молекулу воды в виде шара с двумя небольшими
вздутиями в области расположения протонов (рис. б). Однако и это не
помогает понять другую особенность воды – способность образовывать
между молекулами направленные водородные связи.
Для объяснения природы воды необходимо принять во внимание
электронную структуру ее молекул. Как известно, на верхней оболочке у атома кислорода
находятся четыре электрона, а у водорода имеется всего лишь один электрон. В
образовании каждой ковалентной связи O–H участвуют по одному электрону от атомов
кислорода и водорода. Два оставшихся у кислорода электрона получили название
неподеленной пары, так как в изолированной молекуле воды они остаются свободными,
не участвуя в образовании связей внутри молекулы H2O. Но при сближении с другими
молекулами именно эти неподеленные электроны и играют решающую роль в
образовании молекулярной структуры воды.
Неподеленные электроны отталкиваются от связей O–H, поэтому их
орбиты сильно вытянуты в сторону, противоположную атомам водорода, а
плоскости орбит повернуты относительно плоскости, образованной
связями O–H–O. Таким образом, правильнее молекулу воды было бы
изображать в трехмерном пространстве координат xyz в виде тетраэдра, в
центре которого находится атом кислорода, а в двух вершинах – по атому
водорода (рис. в).
Лед
С точки зрения обычного человека, лед более или менее одинаков
независимо от того, где он образовывается: в атмосфере в виде градинок, на
краях крыш в виде сосулек или в водоемах в виде пластин. С точки зрения
физики имеется множество разновидностей льда, отличающихся своей
молекулярной и мезоскопической структурой. Во льду, существующем при нормальном
давлении, каждая молекула H2O окружена четырьмя другими, то есть координационное
число структуры равно четырем (так называемый лед Ih ) Фрагмент структуры льда Ih.
Молекулы воды, соединяющие их стержни – водородные связи (вся структура состоит из
шестичленных колец); Характерной особенностью структуры льда является то, что в ней
молекулы упакованы рыхло.
Соответствующая кристаллическая решетка (а) – гексагональная – не является
плотноупакованной, поэтому плотность обычного льда (≈0,9 г/см ) ниже плотности воды
(≈1 г/см ). Фиксированные положения в структуре льда занимают только атомы
кислорода. Два атома водорода могут занимать различные положения на четырех связях
молекулы H2O с другими соседями. Ввиду гексагональности решетки кристаллики,
растущие в свободном состоянии (например, снежинки), имеют шестигранную форму.
Фазы льда
Гексагональная фаза далеко не единственная форма
существования льда. Точное число других кристаллических
фаз – полиморфных форм льда – до сих пор неизвестно. Они
образуются при высоких давлениях и низких температурах
(рис. ). Одни исследователи считают точно установленным
наличие 12 таких фаз, в то время как другие насчитывают их
до 14. Количество различных фаз льда продолжают открывать
и по сегодняшний день.
Римскими цифрами обозначены области существования
стабильных фаз. Лед IV – метастабильная фаза, располагающаяся на диаграмме внутри
области V.
Аномалии воды
Аномалия плотности
Всем известна аномалия плотности. Она двоякая. Во-первых, после таяния льда плотность
увеличивается, проходит через максимум при 4°С и только затем
уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях
плотность всегда уменьшается с температурой. Чем больше
температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее
они расталкивают друг друга приводя к большей рыхлости
вещества.
Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды
больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на
поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.).
Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше,
чем у кристалла. Объяснение: резкое увеличение плотности при
плавлении льда – связана с тем, что сетка водородных связей льда
сильно искажается после плавления: в водной сетке углы между
связями отклоняются от оптимальных тетраэдрических, в результате
чего уменьшается объем пустого пространства между молекулами
воды.
В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды,
то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0°С. (Переохладить воду
можно либо в тонких капиллярах, либо – еще лучше – в виде эмульсии: маленьких
капелек в неполярной среде – “масле”). Что же происходит с аномалией плотности при
переохлаждении воды? Она ведет себя странно (см. рис.). С одной стороны, плотность
воды сильно уменьшается по мере переохлаждения, но, с другой стороны, она
приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия
ослабевает). Чем ниже температура, тем ажурнее становится сетка, обусловливая
уменьшение плотности при понижении температуры ниже 4°С.
Аномалия сжимаемости
Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное
поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения
объема при увеличении давления. Обычно сжимаемость
жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы
(имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное
поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя
противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется
минимум при 45°С. Объясн: заключается в том, что при низких температурах сетка
водородных связей воды еще не очень искажена по сравнению с тетраэдрической
конфигурацией, и при изменении температуры имеет первостепенное значение
перестройка структуры этой сетки, которая и определяет аномальный вклад в поведение
наблюдаемого нами свойства воды. При высоких температурах, когда водная сетка сильно
деформирована, ее перестройка оказывает меньшее влияние на наблюдаемое свойство и
вода ведет себя, как и все обычные жидкости.
Аномалия теплоёмкости
Величина теплоемкости, как известно, показывает, сколько
нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества
на один градус. Для подавляющего числа веществ
теплоемкость жидкости после плавления кристалла
увеличивается незначительно – никак не более 10%. Другое
дело – вода. При плавлении льда теплоемкость скачет от 9 до
18 кал/моль* град, то есть в два раза! Такого огромного скачка
теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного
другого вещества.
Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение
тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что чтобы
деформировать сетку при изменении температуры, перестроить ее структуру, нужно
затратить энергию; это и объясняет аномальный вклад в теплоемкость. Как видно на рис.
сетка водородных связей в воде существует на всем интервале существования жидкости: с
ростом температуры водородные связи не разрываются, а постепенно изменяют свою
конфигурацию.
В переохлажденной воде рост теплоемкости также связан с изменением конфигурации
водородных связей.
Свойства льда
Текучесть льда
Если температура близка к точке плавления, а нагрузка действует длительное время, то
проявляется такое свойство, как текучесть льда. Пластическая деформация льда
происходит в результате зарождения и движения по кристаллу разнообразных
несовершенств структуры: вакансий, межузельных атомов, межзеренных границ и, что
существеннее всего, дислокаций. Как было установлено еще в 30-е годы нашего столетия,
именно наличие последних предопределяет резкое
снижение сопротивления кристаллических твердых тел
пластической деформации (в 102 – 104 раз по отношению
к сопротивлению идеальной решетки). К настоящему
времени во льду Ih обнаружены все виды дислокаций,
свойственных гексагональной структуре, исследованы их
микромеханические и электрические характеристики.
Влияние скорости деформации на механические
свойства монокристаллического льда хорошо
иллюстрирует след. рис. Видно, что при увеличении
скорости деформирования механические напряжения σ,
необходимые для пластического течения, быстро нарастают и на зависимости
относительной деформации Е от σ появляется гигантский зуб текучести.
Цифры на кривых означают величину скорости относительной деформации (ΔL
изменение длины L образца за время Δt) в единицах 10-7 с-1.
Электрические свойства льда
Не менее замечательны и электрические свойства льда. Величина проводимости и ее
экспоненциально быстрое возрастание с повышением температуры резко отличают лед от
металлических проводников и ставят его в один ряд с полупроводниками. Обычно лед
бывает очень чист химически, даже если растет из грязной воды или раствора (вспомните
чистые прозрачные льдинки в грязной луже). Это обусловлено низкой растворимостью
примесей в структуре льда. В результате при замерзании примеси оттесняются на фронте
кристаллизации в жидкость и не входят в структуру льда. Поэтому рассчитывать на
большую примесную проводимость во льду не приходится. Но в нем нет и свободных
электронов, как в металлах. Лишь в 50-е годы XX века было установлено, что носителями
заряда во льду являются неупорядоченные протоны, то есть лед является протонным
полупроводником.
Дефекты
Упоминавшиеся выше
перескоки протонов создают
в структуре льда дефекты
двух типов: ионные и
ориентационные. В первом
случае перескок протона
происходит вдоль водородной связи от одной молекулы H2O к другой (рис. а), в
результате чего образуется пара ионных дефектов H3O+ и ОН-, а во втором – на соседнюю
водородную связь в одной молекуле Н2О (рис. б), в результате чего возникает пара
ориентационных дефектов Бьеррума, получивших название L- и D-дефектов (от нем. leer –
пустой и doppelt – двойной). Формально такой перескок можно рассматривать как поворот
молекулы Н2О на 120°.
а – пара ионных дефектов H3O+ и OH-; б – пара ориентационных дефектов Бьеррума
D и L.
Рост кристаллов льда
На фотографии изображен дендритный кристалл льда, на простом языке называемый
снежинкой. Во время каждого снегопада образуются миллиарды таких кристаллов. Лед
является минералом гексагональной сингонии, поэтому все его кристаллы
подчинены "шестилучевой" симметрии. Дендритный рост кристаллов
связан с переохлаждением, перенасыщением и быстрым ростом
кристаллов. При росте дендритов скорость роста кристалла
контролируется в первую очередь скоростью подтока молекул или частиц
к растущей поверхности. В перенасыщенных средах, образование
дендритных форм помогает кристаллу расти быстрее.
Память воды
С.В. Зенин защитил диссертацию, посвященную памяти воды. До сих пор считалось, что
вода не может образовывать долгоживущих структур. Однако его расчеты показали, что
вода представляет собой иерархию правильных объемных структур, в основе которых
лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул. Эта структура
энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь
при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей. "Кванты воды" 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 за счет образования
водородных связей.
Доктор Эмото использовал Анализатор Магнитного Резонанса (MRA) для нескольких
функций, включая качественный анализ воды. Он заметил, что никакие два образца воды
не образуют абсолютно похожых кристаллов, и что форма кристаллов отражает свойства
воды. Согласно доктору Эмото, современная медицина сосредотачивает свои наблюдения
на молекулярном (химическом) уровне. Однако, чтобы успешно заниматься лечением,
нужно обратиться глубже молекулярного уровня - на уровень атомов, и даже
микрочастиц.
Согласно доктору Эмото, в основе любой сотворенной вещи лежит источник энергии
ХАДО (HADO) - вибрационная частота, волна резонанса. (ХАДО - определенная волна
колебаний электронов атомного ядра). Поле магнитного резонанса всегда присутствует
везде, где существует ХАДО. Таким образом, ХАДО может интерпретироваться
непосредственно как область магнитного резонанса, которая является одним типом
электромагнитной волны. MRA измеряет магнитный резонанс ХАДО. После своей работы
с MRA доктор Эмото заключил, что, " все вещи лежат в пределах вашего собственного
сознания. " Таким образом, он верит, что мы должны стараться поднимать наш уровень
ХАДО, например, посылая благословение нашей пище, пить воду, не накапливая
отрицательных эмоций.
В лаборатории были исследованы образцы воды из различных водных источников всего
мира. Вода подвергалась различным видам воздействия такие как музыка, изображения,
электромагнитное излучение от телевизора, мысли одного человека и
групп людей, молитвы, напечатанные и произнесенные слова.
В отчете, по отношении к этой фотографии, доктор Эмото объясняет, что
во время фотографирования кристаллов воды, любой вид льда, тая и
превращаясь в воду, должен пройти через состояние, показанное на этой
фотографии. Когда вода замерзает, она кристаллизуется. В момент, перед тем, как она вотвот обратно превратится в воду (в промежутке температур между -5°C и 0°C), она создает
форму, совпадающую с китайским иероглифом "вода". Возможно ли, что люди в древние
времена знали это, и сделали китайский иероглиф "вода", основываясь на этой
информации? Это очень широко раскрывает этимологию Китайских иероглифов.
Кристаллы воды после "прослушивания" музыкальных произведений...
«Пасторали» Бетховена
"Прощальной Песни" Шопена
тяжелого металлического рока
Вывод
Вода, лед и их взаимные фазовые превращения еще таят в себе множество загадок. Их
разгадывание представляет собой не только очень интересную физическую проблему, но
и чрезвычайно важно для жизни на Земле, так как имеет прямое отношение к здоровью и
благополучию человека. Возможно, они дают один из самых ярких примеров роли
электронной и молекулярной структуры в формировании физических свойств при
простейшем и хорошо известном химическом составе вещества.
Литература:
Головин Ю.И. ВОДА И ЛЕД – ЗНАЕМ ЛИ МЫ О НИХ ДОСТАТОЧНО?
//Соросовский образовательный журнал, том 6, №9 2000 с.66-72
Наберухин Ю.И. ЗАГАДКИ ВОДЫ. // Соросовский образовательный журнал, №5 1996, с.
41-48
http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1161476
http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/movies/movies.htm
http://www.log-in.ru/dtSection/news/?id=420
http://www.krugosvet.ru/articles/112/1011275/1011275a1.htm