В.В. Полевой - Физиология растений (1134228), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Вода может находиться в трех агрегатных состояниях — газообразном, жилкам и твердом. В каждом из этих состояний структура воды неодинакова. В зависимости от состава находящихся в ней веществ вода приобретает новые свойства. Твердое состояние воды также бывает по крайней мере двух типов: христаллическое — лед и некристаллическое — стеклообразное, аморфное (состояние витрификации). При мгновенном замораживании с помощью, например, жидкого азота молекулы не успевают построиться в кристаллическую решетку и вола приобретает твердое стеклообразное состояние. Именно это свойство воды позволяет замораживать без повреждения живые организмы, такие, как одноклеточные водоросли, лис~очки мха ятл(ит, состоящие из двух слоев клеток. Замораживание же с образованием кристаллической воды приводит к повреждению клеток.
Для кристаллического состояния воды характерно большое разнообразие форм. Давно замечено, что кристаллические струхтуры воды напоминают радиолярии, листья папоротника, цветы. По этому поводу А А Любищев высказал предположение, что законы кристаллизации в чем-то сходны с законами образования живых структур. Физические свойства воды. Вода — самое аномальное вещество, хотя принята за эталон меры плотности и объема для других веществ. П л о т но ст ь. Все вещества увеличивают объем при нагревании, уменьшая при этом плотность.
Однако при давлении О, !О!3 МПа (! атм) у воды в интервале от 0 до 4'С при увеличении температуры объем уменьшается и максимальная плот- о.2. Струят а и свойства воды 179 ность наблюдается при 4'С (при этой температуре 1 смэ воды имеет массу 1 г), При замерзании объем воды резко возрастает на 11 ы а при таянии льда при 0'С так же резко уменьшается. С увеличением давления температура замерзания воды понижается через каждые 13,17 МПа (130 атм) на 1'С.
Поэтому на больших глубинах при минусовых температурах вода в океане не замерзает. С увеличением температуры до 100'С плопюсть жидкой воды понижается на 4",; (при 4'С плотность ее равна 1). Точки кипения и замерзания (плавления). При давлении 0,1013 МПа (1 атм) точки замерзания и кипения воды находятся при 0'С и 100'С, что резко отличает Н70 от соединений водорода с элементами Ч! группы периодической системы Менделеева. В ряду НзТе. Н,бе, Н2$ и т. д. с увеличением относительной молекулярной массы точки кипения и замерзания этих веществ повышаются. При соблюдении этого правила вода должна была бы иметь точки замерзания между — 90 и — 120'С, а кипения — между 75 и 100 С. Температура кипения воды возрастает с увеличением давления, а температура замерзания (плавления) — падает. Т е п л о т а п л а в л е н и я. Скрытая теплота плавления льда очень высока — около 335 Дж~'г (для железа — 25, для серы — 40).
Это свойство выражается, например, в том, что лед при нормальном давлении может иметь температуру от — 1 до — 7'С. Схрытая теплота парообразования воды (2,3 кДж/г) почти в 7 раз выше скрытой теплоты плавления. Теплоемкость. Величина теплоемкости воды (т. е. количество теплоты, необходимое для повышения температуры на ! 'С) в 5 — 30 раз выше, чем у других веществ. Лишь водород и аммиак обладают большей теплоемкостью. Кроме то~ о, лишь у жидкой воды и ртути удельная теплоемкость с повышением температуры от 0 до 35'"С падает (затем начинает возрастать).
Удельная теплоемкость воды при 16 "С условно принята за единицу, служа эталоном для других веществ. Поскольку теплоемкость песка в 5 раз меньше, чем у жидхой воды, то при одинаковом нагреве солнцем вода в водоеме нагреваемся в 5 раз слабее, чем песок на берег.у, но во столько же раз дольше сохраняет теплоту.
Высокая теплоемкость воды защищает растения Е(т резкого повышения температуры при высокой температуре воздуха, а высокая теплота парообразования участвует в терморе~уляции у растений. Высокие температуры плавления и хипення, высокая теплоемкость свидетельствуют о сильном притяжении между соседними модекулами, вследствие чего жидкая вода обладает большим внутренним сцеплением. Поверхностное натяжение и и рили пан ие. На поверхности волы нз-за нескомпенсированности еиенленин (когезии) ее молехул создается поверхностное натяжение, величина которо~о при 18'С равна 0,72 мН)см (выше только у ртути— 5 мН/см). Вода обладает также свойством адгезии (нрилинания), которое обнаруживается при ее подъеме против гравитационных сил.
В капиллярах сочетаются силы сцепления моле- 6. Водный обмен 180 кул воды в пограничном с воздухом слое с ее адгезией с материалом стенок капилляра. В результате в капилляре образуется во~путая поверхность воды выше ее исходного уровня.
У ртути, не обладающей свойством адгезии, поверхность мениска в капилляре выпуклая. То же наблюдается в капиллярах с несмачиваемыми водой стенками. Молекулярное строение воды. В молекуле воды две пары электронов являются общими для ядер водорода и кислорода. Они имеют сильно вытянутые орбиты и, так как более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны ог атомов водорода, несут частичные положительные заряды, а атом кислорода с двумя неподеленнымн парами электронов имеет частичный отрицательный заряд (рис. 5.1,А). Поскольку в молекуле воды разноименные заряды пространственно разделены, она при обшей электронейтральности является диполем. Вследствие того что орбиты с неподеленными элехтронами атома кислорода лежат в плоскости, перпендикулярной плоское~и молекулы, а угол между ядрами водорода составляет !04,5 ' (109,5 ' для льда), возникает структура тетраэдра с четырьмя полюсами электрических зарядов; двумя положительными и двумя отрицательными (рис.
5.1,Б), Каждая молекула воды, являясь диполем с тетраэдрическим распределением электронов вокруг атома кислорода, может взаимодействовать с четырьмя другими молекулами воды за .счет электростатического взаимодействия атомов Н и О соседних молекул: Н,(1) Н 0 .0 н . 'н. н (4)ОГ: ' О н (г) Н 0 (з) Н ! н Молекулы 1 и 2 находятся в плоскости чертежа; 3 — над плоскостью; 4 — под ней.
Тккое электростатическое взаимодействие с незначительной долей ковалентности называется водородной связью. Это сравнительно слабая связь, так как в жидкой воде энергия, необходимая для ее разрыва, равна !8,84 кДж)моль (энергия ковалентиой связи Н вЂ” О в молекуле воды составляет 460,4 кДж)моль). Водородные связи непрерывно возникают и разрушаются. Время полужизни каждой из них — менее 1 !О 'с.
И он из а ци я. Поскольку в молекуле воды электроны прочнее связаны с атомом кислорода, происходит отщепление протонов. В результате наблюдается диссоциация молекул воды на ионы водорода (Н') и гидроксила (ОН ). Но свободный ион Н' не способен к самостоятельному существованию и немедленно гидратируется молекулой воды с образованием иона 181 8.2. Ст ктура и свойства воды 'ис 5.1 104,5' :хеиа расположения ~тонов (Я) и избыточных яарядов (Б) в иояеяуле воды гидроксония: Н ' + Н10 Н10'.
Суммарная реакция представляет собой переход протона от одной молекулы воды к другой и образование ионов гидроксония и гидроксила: Н10+ + Н,О Н,О + ОН . Для простоты изложении гидроксоний (НзОЯ) обычно обозначают как Н+. При 25'С концентрация водородных или гидроксильных ионов в чистой воде составляет 1 10 ' малых, что соответствует рН 7. Вода как ра створ и тель. Полярность молекулы воды обусловливает ее свойство растворять вещества лучше, чем другие жидкости. Растворение кристаллов неорганических солей осуществляется благодаря гидратации входящих в их состав ионов. Хорошо растворяются в воде органические вещества, с карбоксильными, гидроксильными, карбонильными и с другими группами которых вода образует водородные связи.
Структура льда и жилкой воды. Несмотря на интенсивные исследования, особенности структуры волы в различных ее состояниях окончательно не выяснены. В структуре льда, полученного при нормальных условиях давления (лед 1), каждая молекула воды окружена четырьмя другими, образующими тетраздр, в центре которого располагается молекула воды, связанная четырьмя водородными связями с молекулами воды, расположенными в вершинах зетраэдра. В целом образуется гексагональная кристаллическая структура льда (рис. 5.2). Среднее расстояние между а~омами кислорода для льда составляет 0,276 нм.
При плавлении льда увеличивается расстояние между атомами кислорода (при 15'С оно равно 0,29 нм). Одновременно разрушается около 15 у„' водородных связей. Вместо 12 ближайших молекул у каждой молекулы воды оказываются от 3,4 до 4,5 соседних молекул. Существуют две группы гипотез, объясняющих структуру жидкой воды. К гипотезам первой группы относится представление О. Я. Самойлова (1946, 1957) о том, что жидкая вода обладает однородной (ажурной) льдоподобной структурой, в пустотах которой находятся мономерные молекулы воды, не имеющие или имеющие малое число водородных связей. Структура льдоподобного каркаса воды может нарушаться тепловым движением молекул и ионами, превышающими размеры пустот (К+, ВЬ', Ся ), то~да как А1з~, ).1, ОН, б04Я укрепляют однородную структуру воды. Теп- 1вг а.
Водный обмен Рис. 5.2 Гаксаганальнаи струк- тура льда ! ф Ф 1М~ сс связь ловое движение молекул воды осуществляется по полостям каркаса, не связанным друг с другом водородными связями. Согласно гипотезам второй группы вода представляе~ собой равновесную смесь льдоподобных образований и мономерных молекул (рис. 53),.В жидкой воде появление участков (пластеров, роев), объединенных взаимодействующими водородными связями, чередуется с областями, где водородные связи отсутствуют или реализованы лишь частично. Чередующиеся зоны, или «мерцающие кластеры»„возникают и исчезают вследствие локальных энергетических флуктуаций.
Время жизни кластеров 10 "— 10 " с. В каждый данный момент времени в образовании «мерцающих кластеров» участвует до /з молекул Воды. Возможно, что между этими группами гипотез нет принципиальных различий. Их объединяют следующие представления: существование водородных связей, участвующих в создании организованных структур; существование двух типов структур: с упорядоченной ориентацией молекул (льдоподобная структура, кластеры) и неупорядоченной структуры $.2. Ст кт а и свойства во ы Рис.
5.3 Модель кластерио структуры жидкой в ды 5.2.2 Состояние воды в растворах с малым числом водородных связей; разрушающее влияние тепловосо движения молекул на структуру воды; кооперативные свойства воды. Растворы электролитов. В растворах, содержащих ионы, структура воды существенно меняется. В разбавленных растворах (< О,! моль/л) это происходит благодаря заряженным ионам. Эффект зависит от поляризующей силы иона, которая оцрелеляется плотностью заряда (отношение заряда иона к его радиусу). Маленькие ионы с большой плотностью заряда сильнее действуют на структуру чистой воды по сравнению с большими ионами, имеющими малую плотность заряда.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
