«Мир чарующий и фантастический», - такими словами лауреат Нобелевской премии Альберт Сент-Дьердьи характеризует ощущения исследователя, изучающего структуру воды. Результаты тем сильнее впечатляют, что очень уж обычен сам объект изучения.

Вода начинается с молекулы
Итак, молекула воды (¹H₂¹⁶O) состоит из двух атомов водорода (¹H) и одного атома кислорода (¹⁶O). Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.

В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его – сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, – по одному ядру водорода. Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором, показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Строение молекулы воды
а – угол между связями O-H;
б – расположение полюсов заряда;
в – внешний вид электронного облака молекулы воды.

Электронное строение молекулы воды

Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных (избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большей наглядности можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра, в центре которого находится ядро кислорода (рис. 1.5б).

Общий вид электронного облака молекулы воды показан на рис. 1.5в.

Вода - диполь: полярность воды
Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула воды является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом – 1,87 дебая (Дебай – внесистемная единица электрического дипольного 3,33564·1030 Кл·м). Под воздействием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на поверхности погруженного в нее вещества. Иначе говоря, вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных нам соединений.

Также, последние исследования установили полярность кластеров воды.

Вода растворяет все!
Во многом благодаря диэлектрической проницаемости, вода проявляет себя как универсальный растворитель. Ее растворяющему действию в той или иной мере подвластны и твердые тела, и жидкости, и газы.

Постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, вода фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного состава.

Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить различные минеральные и органические вещества, растворенные в ней (до нескольких десятков миллиграммов на литр).

Минеральный состав воды
В пресных природных водах – речных, озерных – содержание растворенных веществ обычно не превышает 1 г/л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблется содержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их не более 5 г/л, в Черном – 18, а в Красном море – около 40 г/л. В среднем в 1 л океанской воды растворено 34...35 г солей. Общее количество их настолько велико, что, выделенные из воды, они покрыли бы поверхность земного шара слоем стометровой толщины.

Солевой состав речных и морских вод различен не только количественно, но и качественно. На 89% морские соли состоят из хлоридов (преимущественно – натрия и кальция), на 10% – из сульфатов (натрия, калия и магния), на 1% – из карбонатов (натрия и кальция), а также незначительных количеств других солей. В пресных водах набор минеральных примесей выглядит иначе. Больше всего здесь карбонатов (натрия и кальция) – до 80%. Сульфатов (натрия, кальция и магния) – около 13%. Остальные 7% приходятся на хлориды (натрия и кальция) и другие соли.

Из газов в пресных и морских водах наиболее широко представлены кислород, азот, углекислый газ, сероводород. В чистых холодных истоках горных рек содержание кислорода может достигать 6 мг/л. В глубинных слоях Черного моря высока концентрация сероводорода – до 100 мг/л. Этот ядовитый газ присутствует и в нижних слоях некоторых озер.

В пресных и морских водах в небольших количествах имеются и разнообразные органические компоненты – растворимые соединения типа белков, сахаров, спиртов, углеводородов и т.п. Это продукты жизнедеятельности и распада животных и растительных организмов, населяющих водоемы и их берега, а также отходы промышленности и сельского хозяйства.

Формирование кластеров воды
Полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядов порождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» – ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н₂O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. Это показали результаты определения молекулярной массы водяного пара. В температурном интервале от 0 до 100°С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1%. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой (H₂O)_x

Непосредственной причиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем «стандартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:

x·H₂O↔ (H₂O)_x

Поскольку электронные орбитали в каждой молекуле воды образуют тетраэдричес-кую структуру, водородные связи могут упорядочить расположение молекул воды в виде тетраэдрических координированных ассоциатов

Возможны и другие модели водной структуры. Тетраэдрически связанные молекулы воды образуют своеобразные "рои" довольно стабильного состава. Пространства между "роями" заполняют мономерные молекулы воды.

Исследователи раскрывают все более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации» водной массы. Кроме льдоподобной структуры, жидкой воды и мономерных молекул, описан и третий элемент структуры – нететраэдрической.

Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы ассоциатов.

Изучение структуры жидкой воды еще не закончено; оно дает все новые факты, углубляя и усложняя наши представления об окружающем мире. Развитие этих представлений помогает нам понять многие аномальные свойства воды и особенности взаимодействия ее, как растворителя, с другими веществами.