Представление о строении молекул воды

На нашей планете вода является основным фактором в геологических и биологических процессах. Ее присутствие характерно для четырех сфер земли — литосферы, гидросферы, атмо­сферы и биосферы, в которых она выполняет разнообраз­ные, сложные, существенные функции, не выпадающие на долю какой бы то ни было другой жидкости. Вода одно­временно является основанием, кислотой и солью, ее струк­тура весьма сложна и гибка.

По Э. X. Фрицману вода есть сложная равновесная смесь численно и структурно разнообразных молекул и молекулярных агрегатов, построенных из газообразного химически деятельного гидроля Н₂0, представляющего в свою очередь переменную смесь изотопных соединений кислорода и водорода. Строительной единицей в структуре воды является простейшая молекула Н₂0, так называемый гидроль. Гидроль представляет собой трехатомную моле­кулу с несимметричным расположением ионов, содержа­щую центральный ион, способный к поляризации. Гидроль представляет собой гидрид шестой группы с ненасыщенной валентностью, с температурой кипения около минус 10°С с явными кислотными свойствами (способностью отщеплять протеин), со значительной способностью к реакциям при­соединения и к ассоциациям; в обычных условиях темпе­ратуры и давления гидроль в чистом виде не способен к существованию и известен лишь в ассоциированном состоянии.

В воде содержатся беспорядочные некоординированные молекулы без всякой определенной ориентации, напоми­нающие газовые молекулы. Часть гидрольных молекул ассоциирована по различным схемам в сравнительно неслож­ные комплексы, а часть молекул соединена в более сложные агрегаты, напоминая до известной степени ориен­тацию молекул в твердом состоянии. В итоге мы имеем в воде всевозможные виды молекулярных ориентаций, вплоть до полной беспорядочности, соответственно взаим­ным переходам трех агрегатных состояний, находящихся в равновесии.

Вода представляет собой смесь разнообразных образо­ваний и агрегатов, находящихся в динамическом равнове­сии. Последнее может быть выражено в виде равенства, предложенного Армстронгом: Н_2nО_n, ⇔ nН₂0.

Представления о том, что молекула воды является сложным агрегатом подвижных гидролей, причем наи­более часто встречаются комбинации двойных и тройных гидролей (дигидроли и тригидроли), в настоящее время подверглись серьезной критике. Не отрицая сложности строения молекулы воды, высказывают мнения о том, что структура молекул воды не связана с непостоянством в ней гидролей. Молекула воды представляет ион кисло­рода, в электронное облако которого внедрены два протона. Отличие молекулы воды во льду и в жидкости, по-видимому, незначительно. Кристаллическая структура льда характеризуется расположением атомов кислорода в узлах решетки, причем каждая молекула тетраэдрически окру­жена четырьмя другими молекулами, ориентированными друг к другу противоположными полюсами. Таким образом, кристаллическая структура льда чрезвычайно рыхлая и характеризуется низким координационным числом (четы­ре). Эта структура имеет большое количество пустот, по своим размерам превышающих размеры молекул.

При плавлении льда в образовавшейся воде в основном сохраняется та же структура, но она является в той или иной степени нарушенной возникающим при плавлении трансляционным движением. С ростом температуры растет число молекул воды, сошедших со своих положений равно­весия и попадающих в пустоты (где они задерживаются известное время), чем и объясняется увеличение плотности при плавлении льда. Поэтому-то для воды, в отличие от большинства других веществ, характерен рост коорди­национного числа с ростом температуры.

Согласно гидратной теории растворов, ионы, попадаю­щие в раствор, взаимодействуют с обладающими электри­ческими полями молекулами воды и последние образуют вокруг ионов гидратные оболочки. Существовало много попыток определения так называемых гидратационных чисел, т. е. количества молекул воды, составляющих гид-ратную оболочку того или иного иона, но результаты неизменно оказывались весьма противоречивыми.

Растворяющая способность водных растворов солей оказывается более высокой по сравнению с чистой водой. А так как воздействие различных ионов на трансляционное движение молекул воды неодинаково, то и влияние тех или иных солей на растворяющую способность вод раз­лично. Выявление количественных соотношений, выра­жающих эти различия,— задача специальных исследований, которые одновременно должны учитывать и другие фак­торы. воздействующие на растворяющую способность (например, величина зарядов ионов, возможность появле­ния в растворе свободных протонов при гидролизе солей сильных кислот и слабых оснований и др.