Выполнила:

Студентка группы СФК-21дмр

                                                                                               Кузнецова В.А.

                                                                               Проверил:

Королёв А.П.

   Содержание:

Введение. Вода в природе……………………………………………3

Вода…………………………………………………………………....5

Свойства воды и ее структура……………………………………….6

Заключение…………………………………………………………..23

Литература…………………………………………………………...24 

   Введение. Вода в природе.

   Самое важное для жизни – вода.

   Вода  имеет первостепенное значение при  большинстве химических реакций, в  частности и биохимических. Древнее  положение алхимиков – «тела  не действуют, пока не растворены» –  в значительной степени справедливо.

   Человеческий  зародыш содержит воды, %: трехдневный - 97, трехмесячный - 91, восьмимесячный - 81. У взрослого человека доля воды в организме составляет 65%.

   Человек и животные могут в своем организме  синтезировать первичную ("ювенильную") воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих  тканей. У верблюда, например, жир  содержащийся в горбу, может путем  окисления дать 40 л воды.

   Связь между водой и жизнью столь  велика, что даже позволила В. И. Вернадскому  «рассматривать жизнь, как особую коллоидальную  водную систему... как особое царство  природных вод».

   Количество  воды, содержащейся в живых существа составляет в каждый данный момент громадную величину. Силами жизни  в течение одного года перемещаются десятые доли процента всего океана, а в немногие сотни лет через  живое вещество проходят массы воды, превышающие массу Мирового океана.

   Геохимический состав океанической воды близок к  составу крови животных и человека (см табл.). 

   Сравнительное содержание элементов  в крови человека и в Мировом  океане, % 

   Вода  — весьма распространенное в природе  вещество. 71 % поверхности земного  шара покрыт водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится  в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она  круглый год на вершинах высоких  гор и в полярных странах. В  недрах земли также находится  вода, пропитывающая почву и горные породы. Общие запасы воды на Земле  составляют 1454,3 млн. км³ (из них менее 2% относится к пресным водам, а доступны для использования 0,3%).

   Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

   Количество  примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).

   Вода, содержащая значительное количество солей  кальция и магния, называется жесткой  в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.

   Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п.

   Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые  примеси. Растворенные вещества удаляют  из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.

   Вода  имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают  химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме  того, она сама принимает участие  в целом ряде биохимических реакций.

   Вода - обязательный компонент практически  всех технологических процессов  как промышленного, так и сельскохозяйственного  производства.

Вода.

В истории нашей  планеты вода имеет исключительно  важное значение. Пожалуй, никакое другое вещество не может сравниться с водой  по своему влиянию на ход тех величайших изменений, которые претерпела Земля  за многие сотни миллионов лет  своего существования.

Не менее важна  роль воды и для жизни растительного  и животного мира Земли. Вода может  существовать без всякого участия  жизни, но жизнь без воды невозможна. Уже один этот факт дал право нашим  предкам утверждать, что вода появилась  на Земле раньше, чем зародилась жизнь.

Вода — одно из немногих веществ, которое может  в земных условиях находиться во всех трёх физических состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Благодаря повседневному  обращению с водой мы так привыкли к ней и к её разнообразным  проявлениям в природе, что часто  не замечаем целого ряда её отличительных  свойств. А ведь именно этим свойствам  мы обязаны тем, что наши озёра  и реки не промерзают зимой до дна, что сильные весенние паводки  сравнительно редки, что, замерзая, вода может производить большие разрушения и т. д. Многие привычные нам явления  природы связаны именно с особенностями  воды.

Велика роль воды и в технике. Невозможно представить  такую отрасль промышленности, где  бы в том или другом виде не применялась  вода. Вода служит источником энергии. Вода переносит тепло. Вода используется как прекрасный растворитель для  многих веществ. Вода является той средой, в которой протекает огромное количество различных химических процессов.

Об этом и  будет здесь рассказано. 
 
 
 
 
 
 
 

Свойства  воды и ее структура.

Объективности ради необходимо отметить, что по поводу эффекта живой воды существует и  другая точка зрения. Согласно взглядам, развиваемым ее сторонниками, снеговая вода «облегчает» биохимические  реакции в организмах благодаря  тому, что в ней длительное время  сохраняются «обломки» кристалликов льда, которые и являются биостимуляторами. Эту точку зрения высказывает  А. К. Гутман. Поэтому рассмотрим проблему структуры воды более подробно.

В физике длительное время господствовала теория Ван-дер-Ваальса  об отсутствии у воды, якобы построенной  так же, как и газы, какой-либо структуры. В 1916г Дебай и его  сотрудники опровергли эту току зрения и показали, что вода имеет свою структуру. Они с 1912г применили  рентгеноструктурный анализ для  исследования структуры воды и нашли  картину, напоминающую структуру твердых  тел.

С 1920 г. Бреггом  и его сотрудниками началось рентгеноскопическое  исследование сначала льда, а затем  и воды. Впоследствии к нему присоединился  нейтронноструктурный метод. Оказалось, что во льду каждый атом кислорода  окружен отстоящими от него на 2,76 ? четырьмя другими атомами кислорода, образующими  тетраэдр. Каждый атом кислорода связан с другими атомами через водородные связи. Лед обладает структурой с  многочисленными незаполненными промежутками, поэтому лед легче воды.

Рентгенографией воды в Киеве занимался организатор  первой в СССР рентгеноструктурной  лаборатории академик АН УССР профессор  В.Н.Данилов (1902-1955).

Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что  молекулы Н2О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим  воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар или  сравнительно высокая удельная теплота  испарения воды . В первую очередь  структура воды, характерные связи  между молекулами воды, лежат в  основе особых свойств воды. Американские ученые У.Латимер и У.Родебуш предложили в 1920 г. эти особые связи водородными  и с этого времени представление  о том типе связи между молекулами навсегда вошло в теорию химической связи. Не вдаваясь в подробности, отметим  только, что происхождение водородной связи обусловлено квантово-механическими  особенностями взаимодействия протона  с атомами.

Однако наличие  водородной связи у воды — это  всего лишь необходимое, но не достаточное  условие для объяснения необычных  свойств воды. Самым важным обстоятельством, объясняющим основные свойства воды, является структура жидкой воды, как  целостной системы.

Еще в 1916 г. были разработаны принципиально новые  представления о строении жидкости. Впервые с помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в жидкостях  наблюдается определенная регулярность расположения молекул или иначе -наблюдается ближний порядок  расположения молекул. Первые рентгеноструктурные  исследования воды провели нидерландские  ученые в 1922 году В.Кеез и Дж. де Смедт. Было показано, что для жидкой воды характерно упорядоченное размещение молекул воды.

Действительно, структура воды в живом организме  во многом напоминает структуру кристаллической  решетки льда. И именно этим объясняет  А.К.Гуман уникальные свойства талой  воды, долгое время сохраняющей структуру  льда. Талая вода гораздо легче  обычной вступает в реакцию с  различными веществами, и организму  не надо тратить добавочную энергию  на перестройку ее структуры. В этих объяснениях нам предстоит разобраться.

Известно, что  биологические ткани на 70-90% состоят  из воды. Это позволяет предполагать, что многие физиологические явления  могут отображать молекулярные особенности  не только растворенного вещества, но в равной степени и растворителя — воды. Подобного рода соображения, высказываемые такими крупными современными учеными, как Сент-Дьерди, Поллинг, Клотц  и другие, вызвали новую волну  повышенного интереса к вопросам структуры и состояния воды в  различных системах.

Тетраэдрическая структура воды была установлена  Берналом и Фаулером.

В августовском номере 1933 г. только что созданного международного журнала по химической физике «Journal of Chemical Physics» было опубликована их классическая работа о структуре  молекулы воды и ее взаимодействии с себе подобными молекулами и  ионами разных сортов. И что самое  интересное, что свое открытие ученые сделали чисто умозрительно.

Правда, в своей  научной прозорливости Дж.Бернал и Р.Фаулер опирались на обширный материал накопленных экспериментальных  и теоретических данных в области  изучения структуры льда, строения простых жидкостей, на данные рентгеноструктурного анализа воды и водных растворов. Прежде всего они определили роль водородной связи в воде. Было известно, что в воде есть ковалентные и  водородные связи. Ковалентные связи  не рвутся при фазовых переходах  воды: вода-пар-лед. Лишь электролиз, нагревание воды на железе и т.п. разрывает ковалентные  связи воды. Водородные связи в 24 раза слабее ковалентных. При таянии льда, снега, водородные связи в образующейся воде частично сохраняются, в паре воды они все разорваны.

Попытки представить  воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул  воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3. Это  первое. Второе доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояло в том, что в отличие от других жидкостей вода — это было уже известно — обладает сильным электрическим моментом, составляющим ее дипольную структуру.

Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции  двух атомов водорода относительно атома  кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.

Экспериментальные данные, а также математические расчеты  окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды «однобока» и имеет «уголковую» конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода таким образом:

В работе этих авторов  была развита идея считать жидкую воду псевдокристаллом. Вода в жидком состоянии представляет собой смесь  трех компонент с различными структурами (структура льда, кристаллического кварца и плотно упакованная структура  обычной воды).

Модель Бернала-Фаулера  — двухструктурная, с наличием раздельных типом структур. Согласно этой модели (1935) структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.

Вода — это  ажурный псевдокристалл, в котором  отдельные тетраэдрические молекулы Н2О связаны друг с другом направленными  водородными связями, образуя гексагональные структуры. Таким образом Бернал и Фаулер сформулировали первую научную  гипотезу о структуре воды. В дальнейшем она во многом подтвердилась, но многое в ней было уточнено и пересмотрено. На ее основе возникли более 20 моделей  структуры воды, которые можно  разделить на 5 групп: 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двух- и трехструктурные}, 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.

Непрерывные модели структуры воды утверждают, что вода — это единая тетраэдрическая  сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.

Смешанные модели: вода — это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности -кластеров.

Дальнейшее усовершенствование этой модели привело к созданию модели с заполнением пустот (включая  клатратные модели) и к кластерным моделям. Что такое кластеры? Кластеры содержат несколько сот молекул  Н2О и подобно мерцающим скоплениям непрерырвно возникают и разрушаются  вследствии местных флуктуаций плотности. Широко известна кластерная модель структуры  воды Г.Фрэнка и В.Вена, усовершенствованная  Г.Немети-Г.Шерагой (1962). По этой модели, в жидкой воде, наряду с мономерными  молекулами имеются кластеры, рои  молекул Н2О, объединенных водородными  связями со временем жизни 10-10 – 10-11 сек. Они разрушаются и создаются  вновь. Практически все кластерные гипотезы основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных  Н2О — молекул и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1-, 2- или 3-х кратно связанные молекулы. Еще модель называется моделью «мерцающих скоплений». По С.Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды — долговременной (стабильные) и  кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).

Известна также  непрерывная модель структуры воды, или однородная модель воды, согласно которой вода не является смешанным  веществом, а представляет собой  непрерывную среду со сложным  образом искривленными водородными  связями.

В отличие от кластерных и смешанных моделей, непрерывная модель воды, либо подвергает сомнению существование Н2О-мономеров, считая, что подавляющая часть  молекул связана посредством  Н-мостиков, либо полагает, что лишь незначительная часть воды имеет  подобные связи. В непрерывной модели структуры воды рассматривается  случайная неоднородность сетки  водородных связей, и, следовательно, здесь  можно говорить о различных энергетических состояниях молекул Н2О. Она хорошо согласуется с экспериментальными данными исследователей разных стран. Следует упомянуть также многоструктурную (смешанную) модель воды — вода состоит  из различных агрегатов молекул  Н2О, HDO, Т2О и других.

Смешанной моделью  структуры воды является модель К.З.Тринчера (1981), согласно которой вода состоит  из трех различных типом структур, часть из которых зависит от температуры. Свойства и аномалии жидкой воды, согласно Тринчеру, возможно объяснить только на основе структуры воды более высокого порядка, т.е. сверхмолекулярной макроструктуры вида ассоциации Н2О-молекул. В температурной  области между 0 °С и 60 °С (область, в  которой появляются аномалии воды) она имеет поликомпонентную структуру, которая превращает ее в «коллоид». При повышении температуры в  этой температурной области структура  воды переходит 4 фазы таким образом, что в 4 температурных точках происходит внезапное изменение соотношений  между компонентами коллоида воды. Это температуры 15, 30, 45 и 60 °С.

При 0 °С, по модели Тринчера, структура воды состоит  из небольшого количества (4%) реликтов льда, небольшого количества (5%) чистой жидкости и около 90% мягкого льда, который представляет собой разжиженный  кристалл. Таким образом, в целом  при 0 °С вода представляет собой квазикристаллическое тело, которое пронизано полыми пространствами с рассеянными частичками льда и капельками воды.

По Тринчеру, в каждой из трех компонент воды имеется еще и 4-я компонента —  вакуумная компонента, входящая в  структуру воды.

В первой фазе (между 0 и 15 °С) реликты льда исчезают и  переходят в кваэикристаллическую компоненту, так называемую К-компоненту. От 15 до 30 °С часть К-компоненты переходит  в находящиеся в ней капельки жидкости, которые благодаря этому  все более увеличиваются. При 30 °С К-компонента распадается и часть  ее вместе с капельками жидкости образует эмульсию. Между 30 и 45 °С вода представляет собой чрезвычайно гибкое образование, которое состоит из квазикристаллических и жидких микрофаз, которые размещены  в вакууме. Поэтому не случайно, что  температура тела теплокровных (36-42 °С) находится в этой области, которая  вседствие максимума структурных  комбинаций, возможных в воде, обеспечивает живой материи максимум гибкости.

При 37,5°С значительное количество жидких микрофаз и квазикристаллических частей воды выравнивается. В этой температурной  точке, что соответствует температуре  тела здорового человека, вода имеет  наивысшую степень гибкости и  структурной гетерогенности. Как  раз при этой температуре структура  воды имеет максимум своей памяти, которая основывается на практически  бесконечном количестве возможностей комбинаций квазикристаллических и  жидких микрофаз. В этой точке является наименьшим и энергопотребление, которое  необходимо для сохранения структуры  воды.

Ю.П.Олешко-Ожевский выделяет 5 групп моделей структуры  воды:

1) непрерывные  модели,

2) двух-структурные  модели,

3) модели с  заполнением пустот,

4) кластерные  модели,

5) модели ассоциатов  молекул воды.

Пo H.А.Буленкову  имеется 11 различных структур воды с неодинаковыми кристаллическими решетками, различной плотностью и  температурой плавления.

Профессор И.З.Фишер  в 1961 г. ввел понятие о том, что  структура воды зависит от временного интервала, в течение которого ее определяют. Он различал 3 вида структуры  воды.

1. Мгновенная (время  измерения t2. Структура средних  отрезков времени, когда tд  < t > t0. 1 и 2 структуры общие  со структурой льда. Структура  существует больше времени осцилляции, но меньше времени диффузии tд.

3. Структура,  характерная для более длительных  отрезков времени (> -tд), когда  молекула Н2О передвигается на  большие расстояния.

Д.Эйзенберг  и В.Каутсман связали названия этих трех структур воды с видами движения ее молекул. 1-ю структуру они назвали I-структурои (от английского instantenous —  мгновенный), 2-ю — V-структурой (от английского vibrational — вибрационный), 3-ю — D-структурой (от английского diffusion — диффузионный). В настоящее время известно большое  число гипотез и моделей структуры  воды.

Рентгеноструктурное исследование, проведенное Морганом и Уорреном, показало, что воде свойственна  структура, подобная структуре льда. В воде, также как и во льду, каждый атом кислорода окружен по тетраэдру другими атомами кислорода. Расстояние между соседними молекулами неодинаково. При 25 °С каждая молекула воды имеет в каркасе одного соседа на расстоянии 2,77 ? и трех — на расстоянии 2,94 ?, в среднем — 2,90 ?. Среднее  расстояние между ближайшими соседями молекулы воды примерно на 5,5% больше, чем  между молекулами льда. Остальные  молекулы находятся на расстояниях, промежуточных между первыми  и вторыми соседними дистанциями. Расстояние 4,1 ? — это расстояние О-Н в молекуле Н2О.

По современным  представлениям, такая структура  в значительной мере определяется водородными  связями, которые, объединяя каждую молекулу с ее четырьмя соседями, образуют весьма ажурную «тридимитоподобную»  структуру с пустотами, превосходящими по размерам сами молекулы. Основное отличие  структуры жидкой воды от льда —  это более размытое расположение атомов в решетке, нарушение дальнего порядка. Тепловые колебания приводят к изгибу и разрыву водородных связей. Сошедшие с равновесных положений  молекулы попадают в соседние пустоты  структуры и на некоторое время  задерживаются там, так как пустотам соответствуют относительные минимумы потенциальных энергий. Это ведет  к увеличению координационного числа  и образованию дефектов решетки, наличие которых обусловливает  аномальные свойства воды. Координационное  число молекул (число ближайших  соседей) меняется от 4,4 при 1,5 °С до 4,9 при 83 °С.

Свойства воды определяются не только существованием каких-либо ассоциатов молекул, а главным  образом особенностью тетраэдрической  структуры, в частности, ее ажурностью. Заполнение пустот соответствует появлению  второй, более плотной структуры. По данным Денфорда, при 25 °С заполнена  половина всех пустот, однако, по новейшим исследованиям оказывается, что  эта доля совершенно ничтожна. При  комнатной температуре в воде содержится всего 0,1-0,2% «свободной»  Н2О. Следовательно, пьете ли вы ледяную  талую воду или воду комнатной  температуры, разницы практически  никакой нет. А вот температура  между 30 и 40 °С действительно представляет большой интерес.

Вода имеет  как бы две точки плавления: при 0 °С, когда она превращается в  жидкость, и между 30 и 40 °С, когда  под влиянием интенсивного теплового  возмущения кристаллическая структура  исчезает полностью. Значит, если бы мы хотели по каким-либо причинам обесструктурить  воду, ее совсем не нужно кипятить. Процесс  этот обратим. Вода может стать снова  структурной, лишь бы при охлаждении ниже 30-40°С была на лицо кристаллическая  затравка (во избежание переохлаждения). Недостатков в таких затравках  внутри организма нет, и ничто  не мешает воде при температуре ниже 30-40°С быть структурной. Роль затравки могут играть поверхности. Еще в 1948 году было показано, что образование  возле твердых поверхностей структурно упорядоченных слоев, распространяющихся далеко в глубь жидкой фазы —  общая тенденция жидкостей.

Экспериментально  найдено, что вода ведет себя вблизи поверхностей кристалла слюды не как вода, а как «жидкий лед», и зависимость ее диэлектрической  постоянной от частоты сходно с соответствующими характеристиками льда. Толщина этих слоев около 1 мкм. Стало быть, достаточно воде проникнуть в теснины, будь то пара листочков слюды электрического конденсатора или полости клетки (средний размер клетки 10 мкм), как  она упорядочивается и приобретает  свойства кристалла. Теоретическое  объяснение этому дали Басуэлл и  Роденбуш. Они показали, что способностью структурировать воду обладают не только хорошо растворимые вещества, что  было известно и ранее, но и слаборастворимые, неактивные вещества, которые никаких  связей с водой не образуют. При  растворении невзаимодействующих  с водой молекул силы, действующие  на молекулы воды в близлежащем слое, не будут скомпенсированы, внутреннее давление в граничном с противолежащей молекулой слое воды будет мало по сравнению с огромным внутренним давлением воды. При понижении  давления температура замерзания воды понижается, вследствие чего слой граничной  воды замерзает, кристаллизируясь в  так называемые айсберги. Как установлено, любые поверхности обладают способностью упорядочивать воду на расстоянии до нескольких микронов.

Недавно в печати появилось сообщение об открытии аномальной формы воды, которую тотчас же стали именовать «супервода». Исследование способа ее получения  и свойств во многом оказалось  поучительным. На рисунке 8 показан  прибор для получения такой воды.

Puc. 8. Прибор для  получения супер-воды

При откачке  сосуда Дьюара 1 вода из пробирки 2, помещенной в термостат Э, испаряется и конденсируется на стеклянных стенках сосуда, а  также внутри кварцевого капилляра 4, введенного в сосуд Дьюара. Конденсат  суперводы собирается в капилляре. Вода, конденсирующаяся на стенках  сосуда, аномальных свойств не имеет.