Вода – самое привычное вещество на земле. Она сопровождает каждое мгновение нашей жизни

Введение. (актуальность)

Вода – совершенное вещество.

«У тебя, вода, нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха,

тебя невозможно описать, тобой наслаждаются,

не ведая, что ты такое… Ты самое большое

богатство в мире».

Антуан де Сент-Экзюпери.

Вода – самое привычное вещество на земле. Она сопровождает каждое мгновение нашей жизни, но знаем ли мы, какую тайну хранит в себе эта стихия?! Вода - это что-то большее, чем просто физическая субстанция, это некое понятие, определяющее идею жизни. Во всем мире нет ничего более мягкого и податливого, чем вода. Не смотря на это, она точит твердое и крепкое, никто не может ее одолеть, хотя любой может ее победить.

Вода обладает необычными свойствами, химическими и физическими, по сравнению с другими жидкостями. Например, ни один ученный не может объяснить, почему при минусовой температуре плотность воды увеличивается, а при плюсовой уменьшается. Любое вещество при охлаждении сжимается, а вода, наоборот, расширяется. Это уникальное свойство люди научились применять еще в далеком прошлом. Северные народы добывали камень для строительства, заливая воду перед заморозками в расщелины скал. На юге, деревянные клинья вбивали в трещины породы и поливали их водой, разбухая, эти клинья разрывали камень.

Любое из свойств воды - уникальна. До сих пор у науки нет точного ответа, почему только вода - единственное вещество на планете, может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Почему из всех жидкостей именно вода обладает высоким поверхностным натяжением. Почему она является самым мощным растворителем на земле?! Все эти удивительные свойства способствуют тому, чтобы на земле существовала жизнь.

Две трети поверхности Земли покрывает вода. Она влияет практически на все процессы, происходящие на планете, так как все природные тела содержат в себе воду. Мало кто знает, что даже в камне и огненной магме присутствует влага. Человеческий организм до 70% от общего веса состоит из воды. С ее помощью он осуществляет окислительно - восстановительные процессы, биохимические реакции, обмен веществ и энергии, выводит токсичные вещества и продукты метаболизма. 97% воды содержит эмбрион, 75% новорожденный и 57% пожилые люди.

Изучения связи H₂O, как одного из наиболее распространенного вида молекулярного взаимодействия, всегда занимала одно из первых мест для исследователей, работающих в области физики, биологии и химии. Актуальность многостороннего исследования этого явления определяется назревшей необходимостью выяснения основных свойств и особенностей межмолекулярных Н-связей в растворах и структурированных средах. Исследование строения, динамики и спектральных свойств, выяснение их специфики для растворов, дает возможность серьезно дополнить существующие представления о природе межмолекулярных взаимодействий.

Теория.

Вода очень маленькая изогнутая молекула с молекулярной формулой H₂O, состоящая из двух легких атомов водорода, соединяющих в 16 раз более тяжелому атому кислорода. Каждая Молекула электрически нейтральна, но полярна, так как центры положительного и отрицательного зарядов локализованы в разных местах. Каждый атом водорода имеет ядро, состоящее из одного положительно заряженного протона, окруженного облаком единственного отрицательно заряженного электрона, а атом кислорода имеет ядро, состоящее из восьми положительно заряженных протонов и восьми нейтральных частиц-нейтронов, окруженных облаком отрицательных электронов. При образовании молекулы десять электронов попарно располагаются на пяти «орбиталях», причем одна пара близко связана с атомом кислорода, две пары связаны с кислородом как «внешние» электроны и две пары образуют каждая две идентичные O-H ковалентные связи. Восьми внешних электронов кастр показывают как пары точек,

а пары электронов между O и H представляют O-H ковалентной связью (чертой), а другие две пары электронов называют 1-one парой (19-уровень). Эти электронные пары образуют электронные «облака», которые распространяются вне тетраэдрической симметрии вокруг атома кислорода каждый отталкивая друг друга. Это является причиной изогнутой структуры воды. Восемь положительно заряженных зарядов в кислороде притягивают все эти электроны сильнее, чем единственный положительный заряд каждого из атомов водорода. Это приводит к тому, что атомы водорода частично лишены электронов и отсюда они положительно заряжены, а атомы кислорода получают частично отрицательный заряд то есть

Благодаря присутствию этих зарядов и изогнутой природе молекулы, центр положительного заряда (половина расстояния между двумя атомами водорода) не совпадают с центром отрицательного заряда (на атоме водорода). В жидкой воде это приводит к динамическому моменту молекулы от центра отрицательного заряда к центру положительного, расстояние между зарядами 0,061нм. Наличие дипольного момента вызывает поляризуемость жидкой воды.

Молекула воды намного меньше, чем почти все другие молекулы. В результате, как жидкая вода так и лед имеют высокую молекулярную плотность. Так один литр воды при 25˚ C весит 997 г и содержит 10²⁴ молекул. Молекула воды имеет V- форму и ее часто показывают как

или даже так,

давая более точное представление.

2. ИК-спектрометрия.

Спектр поглощения воды очень сложный. Молекула воды может колебаться (вибрировать) несколькими способами. В газовой фазе колебания включают комбинации симметричных колебаний (растягиваний) V₁, асимметричных колебаний V₃ и деформационных колебаний V₂ ковалентных связей с интенсивностью (H₂ ¹⁶O) V₁:V₂:V₃ = 0,07:1,47:1,00 поглощение. Растягивающие колебания ндо 16 относится к простым колебаниям связи, но не к комбинации обеих связей. Вращения в жидкой фазе происходят вокруг водородных связей.

Рисунок

Дипольные моменты в направлении движения показы стрелками. Так как атомы водорода легкие, колебания имеют большие амплитуды. Молекула воды имеет очень небольшой момент инерции при вращении, что дает возможность росту комбинированных колебательно-вращательных спектральных линий в парах воды, содержащие от тысячи до миллионов линий поглощения.

В жидкости вращения ограничены водородными связями, давая либрации. Также спектральные линии умерены, что вызвано перекрытием многих линий поглощения. Рис. Показаны для сравнения спектры газа, жидкости и твердого тела для одного и того же количества H₂O . В воде образуется две фазы более плотной (HDL) и низкой плотности (LDL) как показано в. …

Основные пики колебаний растяжения в жидкой воде с * в область более низких частот (v₃, 3490 см^-1 и v₁ 3280 см^-1, а деформационная частота увеличивается v₂, 1644 см^-1 за счет водородной связи).

Как видно, увеличение растяжения водородной связи обычно сдвигает колебания в область более низких частот (красное смещение) со значительным увеличением интенсивности в ИК спектре, вследствие увеличения дипольного взаимодействия. Синее смещение водородных связей описывается повсеместно.