Материал: 3375

21

Еще в 1933 году известные химики Дж. Бернал и Рю Фаулер доказали, что вода достаточно сложное образование, содержащее в себе мономолекулы и ассоциаты. Причем количество мономолекул и ассоциатов в одной и той же порции воды непостоянно и зависит от внешних условий. Эту теорию никто никогда не оспаривал, но и выводов из нее особых никто не сделал, пока не хлынул в 60-х годах поток публикаций о "странной" воде.

Итут выяснилось, что свойства "странной" воды имеют явно временный характер: если растопить лед, талая вода лишь несколько часов будет "странной", а затем вновь будет обычной. И еще, каждое воздействие на воду, будь то магнитное поле, звук или нагревание, экспериментаторами объяснялось по-своему, хотя свойства были, как правило, очень похожими.

Инаконец, была разработана гипотеза, заключающаяся в том, что все без исключения воздействия на воду приводят к одному результату - дроблению крупных ассоциатов на более мелкие, вплоть до мономолекул; что после прекращения воздействия идет обратный процесс - слипание мономолекул в мелкие ассоциаты, а тех - в крупные.

В чем, например, причина повышения биологической активности "странной" воды? Почему в "странной" воде ускоряются физикохимические процессы? Да очень просто: мономолекулы аномально полярны, следовательно, больше растворяют биологически активных веществ. Мономолекулы имеют маленький размер, им легко по сравнению с крупными ассоциатами проникнуть через клеточную мембрану, ввести в клетку питательные вещества, вывести продукты распада.

Мономолекулы, как архиполярные частицы, в большей степени, чем ассоциаты, вызывают электролитическую диссоциацию, повышают концентрацию реагирующих ионов и, соответственно, скорость реакции.

Рассмотренные нами физические и химические свойства воды относятся лишь к одному ее виду, а именно Н216О. Но в природе встречаются и другие устойчивые изотопы водорода (дейтерий, тритий) и кислорода

(17О, 18О), а соответственно, и другие виды молекул воды: D216O; H217O; HD17O; D217O; H218O и др.

Наибольшее практическое значение имеет тяжелая вода D216O с молекулярной массой 20. По свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Она кипит при + 101,4 0С, замерзает при + 3,8 0С. Плотность ее при +25 0С составляет 1,1042 г/см3. Молекулы D216O тоже образуют межмолекулярные дейтериевые связи, они прочнее водородных, поэтому структура тяжелой воды более стабильна. Растворимость солей в тяжелой воде на 10-20 % ниже, чем в легкой. Она угнетает жизнедеятельность растений и животных.

В природных водах содержание тяжелой воды составляет около 0,02 %. Повышенное содержание тяжелой воды наблюдается в живых организмах и минералах. Тяжелая вода очень гигроскопична, т.е. поглощает легкую воду. Вязкость тяжелой воды на 20 % выше, чем у обычной.

22

2.3Водородная связь

Одним из сильных типов межмолекулярного взаимодействия является водородная связь, наиболее ярко проявляющаяся в жидкой воде. Вследствие наличия данного типа связи вода имеет специфическую структуру и химические свойства. Обычно межмолекулярная водородная связь возникает между протоном одной молекулы и электроотрицательным атомом (F,O, N и т.д.) другой молекулы.

Методы колебательной спектроскопии показывают, что при образовании водородной связи частота спектра валентных колебаний Н –– О (например, в молекуле воды) понижается, а расстояние Н –– О увеличивается.

При этом частота валентных колебаний νН-О падает соответственно с увеличением расстояния rH-O и повышением энергии водородной связи.

В системах с наиболее прочными водородными связями межъядерные расстояния (например, при образовании водородной связи между молекулами воды)

НО - Н … О - Н …

выравниваются. Самая короткая водородная связь обнаружена в анионе HF2-. В этом случае связь симметрична и имеет энергию связи порядка 155 -242 кДж.

Еще одним примером проявления сильной водородной связи является катион Н5О2+

существующий в воде при определенных значениях рН. Он образуется при взаимодействии Н2О и Н3О+. В линейном фрагменте О –– Н ––О реализуется водородная связь, расстояние О –– О равно 0,25 нм, расстояние О –– Н - 0,125 нм, энергия связи примерно равна 150 кДж.

Это пример резкого сокращения расстояния между взаимодействующими частицами в сравнении с обычным межмолекулярным взаимодействием. Итак, если бы между Н2О и Н3О+ не происходило никаких особых взаимодействий, кроме ван-дер-ваальсовых, то расстояние О –– О явилось бы суммой расстояний О –– Н в ионе Н3О+ и ван-дер-ваальсовых радиусов кислорода и водорода, т.е. 0,36 нм.

23

Реально это расстояние равно 0,25 нм, что свидетельствует о появлении особого рода взаимодействий.

Следовательно, появляется количественный критерий, на основании которого можно судить о наличии водородной связи: если расстояние между двумя атомами кислорода разных молекул меньше, чем 0,36 нм, то между такими молекулами образуется водородная связь. При r = 0,36 нм взаимодействие между молекулами только ван-дер-ваальсово.

Например, в структуре льда между атомами кислорода во фрагменте О - Н … О расстояние О … О составляет 0,276 нм, что заметно отличается от 0,36 нм, но больше, чем 0,25 нм, что характеризует образование сильной водородной связи.

Какова природа водородной связи? Ранее считалось, что характер связи основан на неспецифичном электростатическом взаимодействии. Более глубокое проникновение в природу взаимодействий показало несостоятельность электростатического подхода хотя бы потому, что водородная связь имеет строго направленный характер (при электростатическом взаимодействии связь не направлена). Лед имеет тетраэдрическую систему водородных связей; цепи (HF)n имеют особую стехиометрию цепей.

Таким образом, по своей природе водородная связь является разновидностью донорно-акцепторной связи. Особенность ее заключается в том, что электронная пара электроотрицательного атома молекулыдонора воды непосредственно взаимодействует с атомом Н другой молекулы воды, через которую и осуществляется перенос заряда на молекулуакцептор. В результате такого взаимодействия происходит увеличение дипольного момента комплекса с водородной связью по сравнению с геометрической суммой дипольных моментов изолированных молекул. Итак, эффективный дипольный момент молекул воды, связанных водородными связями, равен 2,60D, а свободной энергии молекулы воды - 1,85D.

Чем больше молекул вовлекается в образование комплекса с водородными связями, тем в большей степени происходит перераспределение электронного заряда и тем сильнее водородные связи и выше их энергия. Это значит, что в жидких системах водородные связи имеют объединенный характер, они пронизывают всю жидкую систему, вовлекая в такое взаимодействие огромное число молекул.

24

Итак, водородная связь есть особый вид межмолекулярного донор- но-акцепторного взаимодействия, в котором принимают участие все атомы, входящие в состав молекул. Это взаимодействие имеет характер направленного движения электронной плотности от молекулы-донора к мо- лекуле-акцептору.

Специфика водородной связи связана с уникальной электронной структурой атома водорода, поскольку атом О молекулы-донора со своей неподеленной парой может приблизиться на очень короткое расстояние к атому Н, входящему в состав молекулы-акцептора. Уникальность электронной структуры атома водорода заключается в отсутствии у него основных электронов.

В твердом состоянии, т.е. в виде льда, для молекулы воды характерна тетраэдрическая структура, обусловленная sp3-гибридизацией.

Значительно сложнее обстоит дело со структурой жидкой воды. Существует мнение о двух типах молекул: одни связаны водородными связями, как в структуре льда, а другие "свободные", т.е. газоподобные. Одними из наиболее разработанных являются представления О.Ф. Самойлова о структуре жидкой воды. Согласно этой модели при плавлении льда его структура не разрушается полностью, поэтому в жидкой воде сохраняются фрагменты ажурной структуры льда с пустотами. Однако появляются молекулы "свободной" воды, не связанные водородной связью. Эти свободные молекулы заполняют пустоты льдоподобного каркаса, что объясняет увеличение плотности при переходе от твердой фазы к жидкой.

При повышении температуры льдоподобная структура постепенно разрушается, уменьшается число пустот, увеличивается количество "свободных" молекул воды, для которых этих пустот уже не хватает. Молекулы воды, связанные водородными связями, менее способны к взаимодействию с растворенными веществами, чем свободные молекулы, более подвижны и реакционноспособны. Следовательно, повышение температуры увеличивает реакционную способность воды, что и наблюдается в эксперименте. Структура молекул воды, связанных водородными связями, и свободных неодинакова: для первых сохраняется sp3 - гибридизация, свойственная льду, а для вторых - sp-гибридизация, характерная для газообразных молекул. Так как жидкая вода - термодинамически равновесная система, то между молекулами воды двух структурных типов при данной температуре устанавливается равновесие

Wлед WD ,

где Wлед - молекулы воды льдоподобной структуры; WD - свободные молекулы воды, которые называются деструктурированными.

Образование водородной связи при переходе от газообразного состояния к жидкому отражается не только на структурных особенностях жидкой воды, но и в большей степени на ее химическом поведении. В жидкой воде появляются ионы, характеризующие кислотные и основные свойства, т.е. жидкая вода приобретает амфотерные свойства.

25

Вода многофункциональна, она обладает, кроме амфотерности, восстановительным свойством и может даже проявлять окислительные свойства. Восстановительные свойства воды обусловлены наличием двух неподеленных электронных пар на атоме кислорода. Молекула воды может использовать их для образования донорно-акцепторной связи с другими молекулами, а отдавая одну неподеленную пару окислителю, проявляет восстановительные свойства. Имея в своем составе два атома водорода с высоким эффективным положительным зарядом, она является электронакцептором, а в предельном случае может стать окислителем.

Молекулы воды имеют повышенный эффективный дипольный момент за счет наличия водородных связей.

Все перечисленные свойства позволяют считать воду уникальным веществом. Причины этой уникальности определяются ее природой, т.к. молекула воды - практически единственная сложная частица, у которой число атомов водорода равно числу ее неподеленных электронных пар. Отсюда вода обладает двойственными свойствами: кислота и основание, элек- трон-донор и электрон-акцептор, окислитель и восстановитель. Практически нет более универсального растворителя, чем вода, которая может прекрасно связываться как с катионами, так и с анионами. Такая приспособляемость воды к растворяемому веществу, вероятно, является основной причиной зарождения жизни на земле и в воде.

3 ХИМИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ

3.1 Основные источники загрязнения природных вод

Вода широко используется человеком для практической деятельности в промышленности, сельском хозяйстве, городском хозяйстве. В настоящее время человек использует для своих нужд примерно 5 000 км3 стоков в год. В нашей стране основная масса воды расходуется в сельском хозяйстве для орошения ( 50 % от общего водопотребления). Промышленность и энергетика используют 30 % , население городов и поселков - 6 %, рыбное хозяйство - 13 % от общего расхода.

Особенностью использования воды в хозяйственной деятельности человека является то, что ее подавляющая часть в процессе того или иного производства изменяет свое качество, загрязняясь различными химическими веществами и возвращаясь в природные водоемы в виде сточных вод.

Сточными водами называются воды, отводимые после использования в бытовой или хозяйственной деятельности человека, и сброс таких вод приводит к загрязнению водоемов и водотоков. Источник, вносящий в природные поверхностные или подземные воды загрязняющие вещества, мик-