Казус воды
Сообщение:
Если взять заместо химич. формулы Н2О формулу Н1-НО (Н — элемент-1, Н1 — элемент-119, то что получится?
Всем понятно, что вода леденеет при 0 град. С, а бурлит — при 100град.С, а вода с хим. формулой Н2О должна леденеть при — (минус) 90град.С, кипеть при — (минус 70град) и все Академики и Доктора наук знают об этом, но разъяснить не могут (казус воды) и другие необыкновенные характеристики воды. Создатель разъясняет 20 «необыкновенных» параметров воды — при условии, что хим. формула воды будет Н1-НО (более 20 необыч. параметров воды). Казус воды
Здрасти,
Я если честно не знаю, что за элемент 119, но разъяснение этому факту очень обычное. Никакого казуса тут нет. Водород имеет три природных изотопа, различающиеся количеством нейтронов: протий 1H, дейтерий 2Н (либо D) и тритий 3Н (либо Т), последний из которых радиоактивен. В лабораторных уссловиях были синтезированы и искусственные короткоживущие изотопы водорода 4Н и 5Н.
Кислород в свою очередь имеет три изотопных разновидности: 16О, 17Ои 18О (тяжкий), среднее содержание которых составляет 99,759%; 0,204% и 0,037%. Не считая природных, есть 10 искусственно сделанных изотопов с массовыми числами от 12 до 24. Из их: 12O, 13O, 14O и 15O – легкие, 19O, 20O, 21O, 22O и 23O – томные, а сверхтяжелый изотоп – 24O получен в 1975 году. Как и искусственные изотопы водорода, они недолговечны и радиоактивны. Большая часть радиоактивных изотопов кислорода имеют периоды полураспада от несколько 10-ов секунд до наносекунд. Более постоянные изотопы 14O и 15О с периодом полураспада 122 и 50 сек.
С учетом этих данных количество вероятных изотопных разновидностей воды (изотопологов) с хим формулой Н20 составляет 135, в каких атомы Н, D, T, 16O, 17O и 18O представлены в разных сочетаниях. Но распад практически всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды либо толики секунды (иключением является тритий, период полураспада которого составляет 12 лет). За это куцее время никакие хим связи просто не успевают образоваться, потому молекул воды с такими изотопами в природных критериях не существует, хотя молекулы таких вод могут быть получены в критериях современных ускорителей изотопов – в синхрофазотронах.
Если подсчитать все вероятные изотопные разновидности воды, имеющиеся в природе с общей формулой Н2О, то полное количество вероятных тяжёлых вод получится 18 (так как существует два размеренных изотопа водорода и три — кислорода). Из их 9 вариантов – нерадиоактивные (постоянные) и 9 радиоактивных с ролью трития.
Постоянные:
Н2 16O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O
Радиоактивные:
T216O, T217O, T218O, DT16O, DT17O, DT18O, HT16O, HT17O, HT18O
Таким макаром, в природе может быть существование молекул воды, в каких содержатся любые из 3-х водородных изотопов (Н. D и Т) и 3 изотопа кислорода (17O и 18O) в любом сочетании. Но 99,97% всей водs — в гидросфере представлено обыкновенной водой хим формулы 1Н2160, толика тяжеленной воды 2Н2160 составляет наименее 0,02%. В среднем в природных водах в 10000 молекул содержится 9973 молекул H216O, 3 молекулы HD16O, 4 молекул H217O, 20 молекул H218O и около 2 молекул D216O. Еще пореже, чем D216O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий.
В составе воды природные изотопы водорода (Н и D) и кислорода (16O, 17O и 18O) образуют 9 конфигураций, 6 из которых образованы изотопами дейтерия — HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O, и 3 конфигурации образованы изотопами кислорода — Н216O, Н217O, Н218O. В среднем, в природных водах в 10000 молекулах содержится 9973 молекул H216O, 3 молекулы HD16O, 4 молекулы H217O, 20 молекул H218O и около 2 молекул D216O. Физико-химические характеристики изотопологов воды больше всего различаются для пар томных изотопов 1Н/2Н, 1Н/3Н и в наименьшей мере 16О/18О (Табл.).
Таблица. Изменение физических параметров воды при изотопном замещении
Физические характеристики
H216O
D216O
H218O
Плотность при 20 °C, г/см3
0,997
1,105
1,111
Температура наибольшей плотности, °C
3,98
11,24
4,30
Температура плавления при 1 атм, °C
0
3,81
0,28
Температура кипения при 1 атм, °C
100,00
101,42
100,14
Давление пара при 100 °C, Торр
760,00
721,60
758,10
Вязкость при 20 °C, сантипуаз
1,002
1,47
1,056
Дальше физико-химические характеристики определяются строением молекулы воды. Электрическая конфигурация атома кислорода обозначается 1s22s22р4. Число электронов в атоме кислорода равно сумме верхних индексов при обозначении sи p-орбиталей. S-орбитали у атома кислорода заняты стопроцентно, на одной р-орбитали размещены два парных электрона, а двум 2p-орбиталям до наполнения не хватает 2 электронов. Согласно теории гибридизации атомных орбиталей и способа валентных связей (ВС), пара неспаренных валентных 2p-электронов атома кислорода, находящихся в состоянии sp3гибридизации, ведет взаимодействие с каждым из 1s электронов 2-ух атомов водорода, образуя молекулу воды. На 2-ух других sp3-гибридных орбиталях атома кислорода размещены две несвязывающие (спаренные) электрические пары, не участвующих в образовании связи. Все четыре пары электронов занимают определенные области в пространстве вокруг центрального атома кислорода в молекуле. Из-за обоюдного электростатического отталкивания меж связывающими и несвязывающими электрическими парами, молекула воды воспринимает симметричную V-образную форму (расстояние меж атомами Н 1,515 A) с длиной связи О-Н 0,96 A и величиной угла меж ковалентными связями Н–О–Н 104,270 (рис. 1,а). Отличительной особенностью ковалентной связи является ее полярность. Так как атом кислорода содержит в собственном составе больше электронов, чем атом водорода (т. е. кислород более электроотрицательный, чем водород), электроны 2-ух атомов водорода смещаются в сторону более электроотрицательного атома кислорода, в итоге два положительных заряда атомов водорода компенсируются равным по величине двум атомов водорода отрицательным зарядом атома кислорода. Это приводит к тому, что около ядер водорода появляется недочет, а около ядра кислорода — излишек электрической плотности. В итоге этого происходит перераспределение электрической плотности: молекула воды поляризуется, принимая характеристики электронного диполя (дипольный момент 1,85 дебая) с положительным и отрицательным зарядами на полюсах (рис. 1,б). Рассматривая молекулу Н2О в качестве диполя можно разъяснить многие электронные характеристики воды (дипольный момент, диэлектрическая проницаемость и др.) При соединении прямыми линиями центров положительных и отрицательных зарядов молекулы воды выходит большая геометрическая фигура — верный тетраэдр, общепризнанный базисной структурой молекулы воды (рис. 1,г). Данная структура молекулы воды, в какой 4 электрических sp3-орбитали центрального атома кислорода ориентированы к верхушкам тетраэдра, идеальнее всего разъясняет ее физико-химические характеристики и рассредотачивание электрической плотности и потому употребляется в теоретических расчетах.
Рис. 1. Изображения структур воды в разных теоретических моделях: а) угловая; б) орбитальная; в) хим; г) тетраэдрическая.
Подобные данные по строению молекулы воды дают современные квантомеханические расчеты молекулы Н2О способом молекулярных орбиталей (МО) (рис. 2,a,б). Композиция 4-х атомных орбиталей атома кислорода (2s-, 2рх-, 2py, 2pz) и 2-ух 1s-орбиталей атомов водорода приводит к формированию 6 гибридизированных молекулярных орбиталей с различной энергией и симметрией: 2-х связывающих (2а1 и 1b1), 2-ух несвязывающих (3а1 и 1b2) и 2-х разрыхляющих (4а1 и 2b1) орбиталях (рис. 2). 8 электронов атомов водорода и кислорода располагаются попарно на 2-ух связывающих и 2-ух несвязывающих орбиталях соответственно возрастанию энергетических уровней орбиталей:
(2а1св)2 (1b1св)2(3а1)2(1b2)2
При всем этом электроны на связывающих 2а1 и 1b1 орбиталях несут ответственность за формирование связи О-Н, а на несвязывающих (3а1 и 1b2) орбиталях соответствуют свободным электрическим парам в молекуле Н2О, как это описывается способом валентных связей. Таким макаром, оба способа расчета строения молекулы Н2О приводят к приблизительно схожим результатам по строению молекулы H2О. Их этого, а именно, следует, что молекула Н2О должна владеть диамагнитными качествами, т. е. не обладает своим магнитным моментом и потому выталкивается из магнитного поля. Принципным различием способа молекулярных орбиталей от способа валентных связей является различная энергия молекулярных орбиталей, что подтверждается наличием у молекулы Н2О 4 потенциалов ионизации (в эВ) 27,3 (2а1-орбиталь), 16,2 (1b1-орбиталь), 14,5 (3а1-орбиталь) и 12,6 (1b2-орбиталь), соответственно.
Рис. 2. Схема расположения координатных осей (а) и энергетическая диаграмма орбиталей молекулы воды способом МО (б).
Последующий уровень хим организации определяется способностью молекул воды создавать пространственно-направленые межмолекулярные водородные связи (О-Н…О) с примыкающими молекулами Н2О, связывающие их вместе в отдельные пространственые межмолекулярные ассоциаты, состав которых выражается общей формулой (H2O)n, где n = 3-21 и поболее (по последним данным сотки и даже тыщи единиц). Водородная связь имеет принципиальное значение в химии межмолекулярных взаимодействий и обоснована слабенькими электростатическими силами и донорно-акцепторными взаимодействиями. Она появляется при содействии электронодефицитного электронами атома водорода одной молекулы воды с неподеленной электрической парой атома кислорода примыкающей молекулы воды. На теоретическом уровне одна молекула воды может образовать до четырёх традиционных водородных связей с примыкающими молекулами воды, т. е. водородная связь обладает нравом кооперативности.
Отличительной особенностью водородной связи является сравнимо низкая крепкость; она в 5-10 раз слабее хим ковалентной связи. По энергии водородная связь занимает среднее положение меж хим связями и Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, удерживающими молекулы в жесткой либо водянистой фазе. Энергия водородной связи составляет 5-10 ккал/моль, в то время как энергия ковалентной связи ОН связи в воде — 109 ккал/моль. В то же время энергия ковалентной O-H связи в 200 раз больше термический энергии. Потому, водородные связи в водянистом состоянии относительно слабы и неустойчивы: подразумевается, что они могут просто появляться и исчезать в итоге термических флуктуаций. Это приводит к тому, что вода должна рассматриваться как ассоциированная жидкость: как пространственная сеть молекул H2O, соединённых водородными связями. При рассмотрении воды как обычный совокупы молекул Н2О её удельный вес должен составлять 1,84 г/см3, а температура кипения 63,5 °С. Но, как понятно из школьного курса химии, при обычной температуре и давлении удельный вес воды равен 1 г/см3, а температура кипения воды 100°С. Если б вода — гидрид кислорода — Н2О, была бы обыденным мономолекулярным соединением, как ее аналоги по 6-ой группе Повторяющейся системы частей Д. И. Менделеева гидрид серы Н2S, гидрид селена Н2Se, гидрид теллура Н2Те, то в водянистом состоянии вода была бы в спектре температур от –90 0С до –70 0С (рис. 3). Но на практике этого не происходит из-за наличия водородных связей меж молекулами воды.
Рис. 3. Аномалии температур кипения и замерзания воды по сопоставлению с другими соединениями водорода
Поведение воды при охлаждении также аномально: вода поначалу как другие воды: равномерно уплотняясь, уменьшает собственный объем до +3,98 °С. При этой температуре вода имеет самую большую плотность и меньший объем (рис. 4). По этой причине лед не утопает, а остается на поверхности водоемов, накрепко защищая жителей водоема от замерзания — ведь его теплопроводимость намного меньше, чем воды. Предстоящее остывание воды до 0 0С равномерно приводит не к уменьшению, а к повышению ее объема практически на 10 %, когда вода преобразуется в лед. Такое поведение воды свидетельствует об одновременном существовании 2 сбалансированных фаз – водянистой и квазикристаллической по аналогии с квазикристаллами, кристаллическая решетка которых имеет не только лишь периодическое строение, да и обладает осями симметрии различных порядков, существование которых ранее противоречило представлениям кристаллографов. Эта теория, в первый раз выдвинутая известным российским физиком-теоретиком Я. И. Френкелем, базирована на предположении, что часть молекул воды образует квазикристаллическую структуру, тогда как другие молекулы являются газоподобными, свободно передвигающимися по объему. Рассредотачивание молекул в малой округи хоть какой фиксированной молекулы воды имеет определенную упорядоченность, несколько напоминающую кристаллическую, хотя и поболее рыхлую. По этой причине структуру воды время от времени именуют квазикристаллической либо кристаллоподобной, т. е. обладающей симметрией и наличием упорядоченность во обоюдном расположении атомов либо молекул.
Рис. 4. Зависимость удельного объема льда и воды от температуры
Аномально высочайшая теплоемкость воды и теплопроводимость также обеспечивается бессчетными водородными связями. При повышении температуры изменение теплоемкости воды снижается в границах в интервале от 0 до 37 0С, при предстоящем увеличении температуры теплоемкость растет. При всем этом в границах температур, близким к физиологическим 37 °С, теплоемкость воды мала. Обычная температура практически всех теплокровных живых организмов также находится поблизости этой точки. Таким макаром, физика воды в области физиологических температур 35-41 °С констатирует возможность заслуги уникального состояния воды, когда массы квазикристаллической и водянистой воды равны меж собой и способность одной структуры перебегать в другую (вариабельность) — наибольшая. Это свойство воды определяет равную возможность протекания обратимых и необратимых биохимических реакций в человеческом организме, обеспечивая тем эффективную регуляцию метаболизма. Типично, что явление прохождения теплоемкости воды через минимум при изменении температуры обладает специфичной симметрией: при отрицательной температуре –200С теплоемкость воды также воспринимает малое значение.
Водородные связи также увеличивают температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение аква смесей. Это свойство проявляется в том, что вода всегда стремится уменьшить свою поверхность. Нескомпенсированные межмолекулярные силы внешнего поверхностного слоя воды, вызванные квантовомеханическими силами, делают внешнюю пленку на поверхности воды, способную задерживать на поверхности воды разные маленькие предметы. Водородные связи несут ответственность за многие другие аномальные характеристики воды, о которых я уже гласил (всего более 30). Более тщательно обо всем этом читайте в статье О. В. Мосина Строение воды и физическая действительность (Журнальчик Сознание и физическая действительность, 2011, № 11, с. 16-32).
К. х. н. О.В. Мосин