Свойства полярных жидкостей и методы их исследования

Свойства воды

импедансный спектроскопия жидкость диэлектрический Вода (оксид водорода) — бинарное неорганическое соединение с химической формулой Н2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном — водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях). Составляет приблизительно около 0,05 массы Земли.

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы). Молекула воды представляет собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Если «свободную» молекулу воды — не связанную с другими молекулами, поместить в электрическое поле, то она «повернётся» отрицательными полюсами в сторону положительно заряженной пластины, а положительными полюсами в сторону отрицательно заряженной пластины.

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, тогда как аналогичные водородные соединения других элементов являются газами (H2S, CH4, HF). Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27?). Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает большим дипольным моментом (p = 1,84 Д). Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей — две из них образует атом кислорода и две атомы водорода.

На рисунке 1 показана схема молекулы воды.

Рисунок 1 — Молекула воды [5].

Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при ?80 °С, а замерзала при ?100 °С. На рисунке 2 изображена схема водородной связи.

Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Рисунок 2 — Водородная связь между молекулами воды обозначена чёрными пунктирными линиями. Жёлтые линии обозначают ковалентную связь, которая удерживает вместе атомы кислорода (красный) и водорода (серый) [5].

По стабильным изотопам кислорода 16O, 17O и 18O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.

В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), Вода — химически активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты [5].

Дистиллированная вода — очищенная вода, практически не содержащая примесей и посторонних включений. Удельная электропроводность дистиллированной воды невелика (ГОСТ 6709−72 требует не более 0,5 мСм/м). В дистиллированной воде растворены газы атмосферы: кислород, азот, аргон, углекислый газ и незначительное количество других. Дистиллированная вода — это вода, у которой минимальное количество связей между молекулами. В ней диполи молекул находятся в разориентированном состоянии, поэтому диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды очень высока, и она плохо проводит электрический ток.

При воздействии энергии источника электрического тока, все диполи атомов воды (как проводника) поворачиваются, ориентируясь своими одноимёнными полюсами в одном направлении. Если молекулы воды до появления внешнего электрического поля создавали кластерную (взаимно ориентированную) структуру, то для ориентации во внешнем электрическом поле потребуется минимальное количество энергии источника электрического тока. Если же структура была не организованной (как у дистиллированной воды), то потребуется большое количество энергии.

Поскольку вода является самоорганизованной структурой и содержит как упорядоченные в кластеры элементы, так и свободные молекулы, то при воздействии внешнего электромагнитного излучения будет происходить следующее. При сближении молекул воды (расстояние изменяется от R0 до R1) энергия взаимодействия изменяется на большую величину, чем при их взаимном удалении (расстояние изменяется от R0 до R2).

Но, поскольку молекулы воды имеют большой дипольный момент, то в случае внешнего электромагнитного поля, они будут совершать колебательные движения (например, от R1 до R2). При этом в силу приведенной зависимости приложенное электромагнитное поле будет больше способствовать притяжению молекул и тем самым организованности системы в целом, т. е. образованию гексагональной структуры.

При наличии же примесей в водной среде, они покрываются гидратной оболочкой таким образом, что общая энергия системы стремится принять минимальное значение. И если общий дипольный момент гексагональной структуры равен нулю, то в присутствие примесей гексагональная структура вблизи них нарушается таким образом, чтобы система приняла минимальное значение, в ряде случаев шестиугольники преобразуются в пятиугольники, и гидратная оболочка имеет форму близкую к шару. Примеси (например, ионы Na+) могут стабилизировать структуру, делать ее более устойчивой к разрушению.