Диаграмма состояний воды.

Вода встречается в природных условиях в трех состояниях (фазах): твердом, жидком и парообразном. Переход воды из одного состояния в другое обусловлен изменениями ее температуры и давления. Приведем диаграмму агрегатных состояний воды в зависимости от температуры (t) и давления (Р). Из рисунка видно, что в области 1 вода находится только в твердом, в области 2 в жидком и в области 3 в парообразном состояниях. Вдоль кривой АВ она находится в состоянии равновесия между твердой и парообразной

фазами (сублимация водяного пара и возгонка льда). Вдоль кривой ВС наблюдается состояние равновесия между жидкой и парообразной фазами (испарение воды и конденсация водяного пара). Вдоль кривой ВD наблюдается равновесие между твердой и жидкими фазами (кристаллизация воды и плавление льда). Равновесие вдоль кривых на рисунке надо понимать, как равновесие динамическое, т.е. вдоль этих кривых число образовавшихся за некоторый промежуток времени одной фазы равно числу вновь образовавшихся молекул другой фазы. Кривые равновесия описываются уравнениями Клапейрона-Клаузиуса

= ,

где T –абсолютная температура для избранной точки кривой; Р – давление в этой же точке; L – теплота фазового перехода; V1 – удельный объем воды в той фазе, от которой происходит переход; V2 – удельный объем воды в той фазе, к которой происходит этот переход.

Точка В, в которой все три кривых пересекаются, называется тройной точкой. Для воды она имеет координаты t=0,01

Строение молекулы воды

Вола представляет собой сложное вещество, основной строительной единицей которого является молекула Н₂О, состоящая из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Установлено, что молекула воды имеет, как бы, форму равнобедренного треугольника, в вершине которого находится атом кислорода, а в основании его два атома водорода. Центр инерции молекулы (треугольника) принимается совпадающим с центром атома кислорода. На некотором расстоянии от этого центра движется 10 электронов: 2 электрона от атомов водорода и 8 электронов от атома кислорода. Эти электроны образуют электронное облако молекулы. Электроны движутся по пяти орбитам, на каждой из которых имеется по 2 электрона.

Атомные ядра одного и того же химического элемента могут содержать различное число нейтронов. Такие разновидности элемента называются изотопами. Водород имеет 3 изотопа: ¹Н–протий, ²Н–дейтерий, ³Н – тритий, а кислород имеет 6 изотопов: ¹⁴О, ¹⁵О, ¹⁶О….¹⁹О. Поэтому может образоваться 18 различных молекул воды. Однако устойчивыми образованиями из них являются только молекулы ¹Н¹⁶О и ²Н¹⁶О. Первые из них представляют обычную воду, а вторые–так называемую тяжелую воду. В природных водах соотношение между числом молекул ¹Н¹⁶О и ²Н¹⁶О примерно такое 7000:1.

Гипотезы о структуре воды.

Рассмотрим две таких гипотезы. Первая из них принадлежит американскому ученому Уайтингу (1883 г.). Он считал, что в воде имеются три вида молекул Н₂О: одинарные молекулы Н₂О (моногидроль, гидроль); двойные молекулы (Н₂О)₂ (дигидроль) и тройные молекулы (Н₂О)₃. Двойные и тройные молекул появляются потому, что молекула воды–поляризованная молекула, на одной стороне которой имеется не скомпенсированный положительный заряд, а на другой–отрицательный заряд. Поэтому молекулы могут объединяться под действие электростатических сил. Вместе с тем существует тепловое движение молекул, чем выше температура, тем это движение сильнее, тем оно способнее разрушать двойные и тройные молекулы и переводить их в одинарные. Итак, электростатика работает на образование двойных и тройных молекул, а тепловое движение на их разрушение. Поэтому, например, логично ожидать, что водяной пар состоит преимущественно из одинарных молекул, а лед–из двойных и тройных молекул.