1.3. Фізико-хімічні властивості води.

Вода – це самий поширений на Землі мінерал. Реальна вода представляє собою водяний розчин багатьох речовин різного агрегатного стану і складу. До водяного розчину входять іони неорганічних сполук (Na­­­⁺, K⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, NH⁴⁺, Cl^-, HCO₃^-, SO₄^2-, NO₃^-, NO₂^-, F^-, SiO₂^2-, HS^-, CO₃^2- і інші), розчинені гази (O₂, CO₂, N₂, H₂S), дрібні частки твердих домішок, органічні речовини природного і неприродного походження, мікроорганізми і продукти їх життєдіяльності. Розмір часток коливається в великому інтервалі від десятитисячних часток мікрометра до 100 і більше мікрон.

Вода, як окисел водню H₂O є найпоширенішою стійкою сполукою водню і кисню. Співвідношення кисню і водню у воді є таким: 11,11 % гідрогену і 88,89 % оксисену, молекулярна маса 18,0160. Вода – безколірна рідина без запаху і смаку.

Найпростішу формулу H₂O має водяна пара – гідроль. Молекула води як рідини складається із двох простих молекул (H₂O)₂ – дигідроль і льоду об’єднання трьох молекул (H₂O)₃ – тригідроль.

Вода може знаходитися в рівновазі в трьох станах пара, вода і лід за умов температури + 0,01˚С і тиску 6,03·10^-3 атм. і називається потрійною точкою води.

Багато фізичних властивостей води мають аномалії. Об’ємна густина в інтервалі температур від 100 – 4 ˚С збільшується досягає максимального значення 1,000 г/см³ при температурі 3,98 ˚С, а потім починає зменшуватися і при замерзанні стрибкоподібно падає.

В’язкість води з ростом тиску зменшується, а не збільшується як у інших рідин. Вода є практично не стискуваною речовиною, причому з ростом температури стискуваність зменшується.

Аномалії фізичних властивостей пов’язані зі структурою її молекули і особливо міжмолекулярної взаємодії в воді і льоду.

С труктурна схема молекули води приведена на рис. 1.4. Три ядра в молекулі води утворюють рівнобедрений трикутник з двома ядрами водню в основі трикутника і киснем на вербині. З іншої сторони молекула H₂O по електричній полярності представляє собою магніт ультрамікроскопічних розмірів (Рис. 1.5), який може бути зорієнтованим певним чином в полі постійного струму (1 Å = 10^-10 м = 0,1 нм 1нм = 10^-9 м).

Рис. 1.4. Структура схеми води Рис. 1.5. Електрична полярність молекули води

Дипольні молекули води можуть орієнтуватися відносно розчинених у воді негативно заряджених іонів і позитивно заряджених катіонів, утворюючи навколо них гідратні оболонки, окрім цього молекули води можуть орієнтуватися відносно одна одної, звертаючись позитивними полюсами до негативних і навпаки. Групи взаємно орієнтованих молекул H₂O (водні кластери) являються квазітривалими, але можуть розкладатися, з’єднуватися, утворюючи об’єднання різних форм і розмірів.

Таким чином вода являє собою по своїм фізико-хімічним властивостям водно-сольовий розчин, який має визначену структуру. Фізичними дослідами визначено, що кластери води об’єднуються в складні структури. Геометрія таких структур відображується в багатогранності форм сніжинок і кристалів льоду. Всі сніжинки шестигранні, але геометричні форми цих сніжинок різноманітні.

Вода з подібними кластерами має більш високі реактивні і розчинні властивості, краще просочується через біологічні мембрани, скоріше виводиться з організму через екскреторні органи. Така вода є найбільш активною по біофізичним і біологічним показникам. Як приклад маломінералізована вода (10 – 20 мг/л) атмосферних опадів, повенева вода є найбільш корисною для живих істот.

В природних умовах вода, в тому числі кислі і прісна вміщує розчинені солі, органічна речовини і гази. Їх кількісний склад змінюється в залежності від походження води і оточуючого середовища. в прісних водах, як правило, переважають іони Ca²⁺, Mg²⁺ і HCO₃^-. В міру збільшення мінералізації зростає концентрація іонів Na⁺, K⁺, Cl^-, SO₄^2-.

Макромолекулярна структура води з великою кількістю «пустот» дає їм змогу після розриву водневих зв’язків приєднувати молекули або частини молекул інших речовин, сприяючи тим самим їх розчиненню.

Найбільша здатність утворювати водневі зв’язки у воді в замерзлому стані виявлятися тоді, коли істотно зменшені теплові коливання молекул. За допомогою водневих зв’язків молекули у складніші угрупування – асоціати: кожна молекула знаходиться в оточенні чотирьох інших. У воді в рідкому стані найстійкіші асоціати можна подати у вигляді здвоєних молекул:

Здатність утворювати у воді водневі зв’язки створює надзвичайно високий ступінь упорядкування в розміщенні молекул води.

Особливості структури молекул води та їхній асоціатів на основі водневих зв’язків є причиною того, що вода не підпорядковується багатьом фізико-хімічним закономірностям, які властиві іншим сполукам.

Вода має максимальну густину за температури 4 ˚С. На відміну від більшості речовин, густина яких під час охолодження збільшується, густина води зменшується. Ця аномальна властивість води має велике біологічне значення. Завдяки їй глибокі водойми взимку до дна не промерзають ї в них зберігається життя, оскільки щільність льоду менша за густину рідкої води. Лід спливає на поверхню й утворює теплонепроникний шар.

За звичайних умов вода замерзає за температури 0 ˚С і закипає за температури 100 ˚С, тобто криві піднімається стрімко вгору замість того, щоб опускатися. Що це? Можливо, вода – незвичний та унікальний виняток із правил. Причина цього явища поки що до кінця не з’ясовані, хоча передбачають, що це, очевидно, залежить від будови її молекул і міжмолекулярної структури. Таке різке відхилення від певної закономірності пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Сила взаємодії молекул води досить значна, і для того, щоб зруйнувалася її структура, потрібний інтенсивний тепловий імпульс. Отже аномальність температур плавлення льоду та кипіння води пов’язано з тим, що існування її в умовах Землі в твердому і рідкому станах також аномальне. Нормальним було б перебування води лише в газуватому (тобто пароподібному) стані.

Асоційованість води зумовлює дуже високу теплоту її пароутворення. Наприклад, для того щоб випарувати 1 г води, нагрітої до 100 ˚С, потрібно в шість разів більше теплоти, ніж для нагрівання тієї самої кількості води від 0 до 80 ˚С. Задаваки цьому вода є потужним енергоносієм на нашій планеті. У зв’язку з високою теплоємністю вода може сприймати значно більше теплоти, істотно при цьому не нагріваючись. Для порівняння зазначимо, що теплоємність піску становить 0,2, а заліза – 0,107 теплоємності води. Здатність води накопичувати великі запаси теплової енергії дає змогу нівелювати різкі температурні коливання на земній поверхні у різні пори року і доби, тобто вода є регулятором температури повітря.

Слід зазначити, що теплоємність води аномальна не лише за своєю величиною, а й за температурними змінами. Так, в інтервалі від 0 до 37 ˚С вона зменшується і тільки після цього починає підвищуватися. Мінімум теплоємності води відповідає температурі 36,79 ˚С, а це нормальна температура людського тіла. Біологічна доцільність підтримання тіла поблизу мінімального значення теплоємності води може бути пов’язана з мікрофазовими перетвореннями в системі рідина – кристал, тобто вода – лід.

Особливо наочно виявляється поверхневий натяг у замочуванні – «прилипанні» води до багатьох поверхонь. Встановлено, що всі речовини, наприклад пісок, скло, глина, папір, тканини і інші, які легко змочуються водою, обов’язково мають у своєму складі молекули з атомами Оксигену. Ця особливість води дала змогу пояснити природу процесу змочування: енергетично неврівноважені молекули поверхневого шару води отримують здатність утворювати додаткові водневі зв’язки з атомами Оксигену зазначених вище речовин.

Змочування і поверхневий натяг є основою явища капілярності. Останнє полягає в тому, що в вузьких каналах (капілярах) вода може підніматися на висоту значно більшу, ніж та, яка допускається силою гравітації для стовпчика цього перетину. В аналогічних умовах ртуть не піднімається, а навпаки, опускається. Капілярність води має велике значення для еволюції життя на нашій планеті. Завдяки цьому явищу вода змочує товщу ґрунту, що знаходиться вище від ґрунтових вод, поставляючи таким чином кореневій системі рослин розчини поживних речовин із глибини в десятки метрів. Капілярністю у багатьох випадках зумовлюється рух крові та тканинних рідин.

Специфічно поводить себе вода у вузьких капілярах, що також пояснюється особливостями її структури. В природних умовах це можна спостерігати у поровій воді. У вигляді тоненької плівки вона покриває поверхню пор та пустоти порід і мінералів земної кори. Ця вода, зв’язана за поверхнею твердих тіл міжмолекулярними силами, можливо, має особливу структуру і тому замерзає за нижчих температур, ніж звичайна вільна вода. Дослідження, проведені у багатьох лабораторіях світу, показали, що після замерзання зв’язаної води іншими стають не лише її властивості, змінюються також властивості тих гірських порід, в яких вона міститься. Детальне вивчення порової води дасть змогу відповісти на багато питань, що мають практичне значення, а саме: формування підземних вод у товщі кристалічних масивів, набухання глинистих ґрунтів на дорожніх покриттях, у шахтах, під час меліоративних робіт, прогнозування осадження поверхні тощо. Вивчення порової води може бути корисним і для з’ясування таємниць атмосфери. Адже у високих шарах атмосфери водяні краплі, так само як капілярна і парова вода, замерзають за температури значно нижче ніж 0 ˚С, переохолоджуючись на десятки градусів. Причому, чим менші краплі, тим нижча температура, за якої вони залишаються в рідкому стані. Розміри найдрібніших краплин води в атмосфері порівняно з товщею шару капілярної або порової води.

Вода, яка зазнали дії електромагнітного поля, набуває певних властивостей. Так, вода, опромінена електромагнітним полем, краще знесолюється, що деякою мірою вирішує проблему запобігання утворенню накипу. При цьому також зменшується змочуваність різних матеріалів, прискорюється та збільшується адсорбція забрудників води, поліпшується розчинення твердих тіл, підвищується розчинність газів.

Нагріта до високої температури знесолена вода деякий час перебуває у метастабільному стані і має підвищену розчинну здатність щодо карбонатів, сульфатів, силікатів та інших хімічних сполук. Вода з цими сполуками може утворювати стійкі метастабільні пересичені розчини. Тому знесолену воду називають активованою. Якщо таку воду нагріти до 400 ˚С, її розчинні й фільтрувальні властивості на тривалий час підвищуються у 4 рази, тоді як нагрітої до 200 – 300 ˚С – лише у 2 – 3 рази. Такі властивості води дають змогу певною мірою пояснити явища, що відбуваються в надрах Землі під дією високих тисків і температур, – просочування гарячих водних розчинів у порах порід.

Після додавання у воду невеликих домішок (частки відсотка) полімерних сполук з великою полімерною масою, наприклад поліакриламіду, отримають «слизьку» воду. Скляна кулька, занурена в таку воду, падає у 2 – 2,5 рази швидше, ніж у звичайній, і швидко рухається по трубопроводах. Утворення асоціатів молекул води з макромолекулами полімерних добавок сприяє руйнуванню гідратних оболонок навколо зависей та прискорює випадання їх в осад.

Добавлення невеликих доз силіцієвмісних речовин надає воді гумоподібного стану. В цьому випадку вода із нахиленої посудини не виливається, а витягується у вигляді еластичного джгута. При введені у воду невеликих доз (соті частки міліграма) металів, зокрема срібла, вона набуває високих бактерицидних та лікувальних властивостей і є чудовим консервантом. «Срібна вода» зберігається впродовж тривалого часу, не втрачаючи властивостей питної води.

Отже, модифікуючи структуру води, можна досягти бажаних її властивостей. Це дає змогу ефективно використовувати воду в багатьох сферах техніки і господарської діяльності.

1.3.1. Діаграма стану води.

Якщо вода замерзає, рухомість її молекул помітно зменшується, як і рухомість молекул будь-якої іншої речовини. При цьому вода виявляє незвичні властивості, взяти хоча б зміну її об’єму під час переходу з рідкого стану в твердий – замерзання води. Переважна більшість речовин (крім срібла, бісмуту та чавуну) в звичайному стані під час охолодження стискаються. В твердому стані їхній об’єм значно менший, ніж у рідкому. При цьому відповідно збільшується і щільність. Вода під час охолодження за нормальних умов нижче 0 ˚С кристалізується, утворюючи лід, щільність якого менша, а об’єм майже на 10 % більший, ніж об’єм вихідної води.

З міну питомого об’єму води і льоду залежно від температури подано на рис. 1.5.

Охолоджуючись, вода спочатку поводить себе як багато інших сполук: трохи ущільнюється та зменшує свій питомий опір. Однак близько 4˚С (точніше при 3,98 ˚С) після подальшого зменшення температури об’єм її уже не зменшується, а навпаки, збільшується. Внаслідок схильності води до утворення асоціатів та зменшення температури послаблюються теплові перешкоди, спричинені вільним переміщенням молекул, що зумовлює структурну перебудову і впорядкування взаємного розміщення молекул. У деяких місцях утворюється характерна для льоду геоксагональна кристалічна структура. Кожна молекула в структурі льоду, як зазначалося раніше, оточена чотирма молекулами, з якими вона сполучена водневими зв’язками. Це призводить до того, що у фазі льоду утворюється ажурна конструкція з «каналами» між фіксованими молекулами води. Отже, незважаючи на те, що лід порівняно легко може змінювати свою форму і навіть текти, не втрачаючи твердого стану (як це відбувається під час руху льодовиків), все-таки він є справжнім твердим тілом з відповідною кристалічною структурою.

Під час танення льоду руйнуються зв’язки не лише далекого, а й близького порядку. За температури 0˚С від 9 до 15% молекул води втрачають зв’язки з сусідніми, внаслідок чого збільшується рухомість частин молекул і вони «занурюються» в ажурні пустоти льоду. Цим пояснюється стискання льоду під час танення і більша порівняно з ним густота утвореної води. У процесі переходу зі стану лід – вода густина її приблизно збільшується на 10%.

За температури понад 10˚С молекули води внаслідок теплового збурення втрачають здатність утворювати постійну жорстку ґратку, але тенденція до впорядкування зберігається. Вода перебуває у стані, який умовно характеризується як квазікристалічний. При температурі, за якої лід перетворюється на воду, зберігається ще багато водневих зв’язків й у воді є асоціати молекул із відкритою тетраедричною структурою. Підвищення температури льоду зумовлює руйнування просторових асоціатів, що проводить до збільшення густини води за температури 4˚С. Після подальшого зростання температури відбувається розширення води, зумовлене посиленням молекулярного руху, що перевищує ефект структурної перебудови системи лід – вода, тобто густина води поступово зменшується.

Завдяки особливостям структурних переходів системи лід – вода, що здійснюється в інтервалі 0 – 4˚С, за сезонних змін температури ріки й озера не промерзають до дна. Верхній шар води, охолодившись до 4˚С і досягнувши максимальної густини, опускається на дно водойми, постачаючи кисень її мешканцям та забезпечуючи рівномірний розподіл поживних речовин. Теплі шари води, що піднялися на поверхню, ущільнюються під час стикання з приповерхневим повітрям, охолоджуються до 4˚С і знову опускаються на дно. Така циркуляція води відбувається доти, доки вона природно не припиниться і водойма не покриється льодом (кригою). Теплопровідність льоду набагато менша, ніж води. Тому він надійно захищає глибини водойм від наскрізного промерзання.

Слід зазначити, що ці та подібні гіпотези пояснюють принципову можливість води бути структурованою та водночас залишатися рідкою і текучою. Вони намагаються пояснити багато аномалій, наприклад зменшення її в’язкості під час підвищення тиску, оскільки відомо, що для інших рідин з підвищенням тиску в’язкість збільшується. Ця властивість води забезпечує їй добру рухливість глибоко в надрах планети, де тиск досягає величезних значень.