Состав, структура и свойства воды. Гидратация ионов
Вода – уникальное создание природы, первоисточник жизни. Неслучайно в живых организмах содержаниеее достигает 80%, а в мозговомвеществе до 90%. Вода, входящаяв состав живых клеток, находится в агрегированном состоянии (по некоторым даннымагрегат содержит 25–81молекулу). При распаде агрегатов выделяется энергия, потребляемая белковыми структурами, что обеспечивает необходимыйдля жизни обменвеществ на уровне клеток.
Около 3/4 площади земнойповерхности покрыто водой, что составляет, совместно с мировыми запасами льда, примерно1,4 млрд. км3. Крометого, около 0,8 млрд км3 воды находится в горных породах, что в основноми определяет геолого-физические условия бурения и эксплуатации нефтегазовой скважины.
Уникальностьводы как вещества связана с различными особенностями ее свойств, например:
- водаимеет наиболее высокую теплоемкость по сравнению с большинством жидкостей и твердых тел. Минимальна теплоемкость водыпри 35 °C, что (как и высокая теплоемкость вообще) важно для живых организмов;
- приположительных температурах вода имеет максимальную плотность при 4 °С, т.е. вышетемпературы ее замерзания, что препятствует промерзанию рек, морей и океанов додна;
- вязкостьводы, в отличиеот других жидкостей, повышается при температуре до 30 °С с ростомдавления.
Все свойства водыопределяются как строением молекулы воды, таки структурой и строением воды как жидкости. Строение молекулы водыизучено достаточно хорошо. Нарисунке 14.16 приведены схемы строениямолекулы воды.
|
|
|
Рис. 14.16. Строение единичной молекулы воды:
а – структура; б – модель электронных орбиталей; в – распределение
зарядов; (r – длина связи Н-Н, равная 1,41Ǻ; l – длина связи Н-О,
равная 0,96 Ǻ; α – угол Н-О-Н, равный 104,5)
Видно, что два атома водорода смещены в одну сторону от атома кислорода под углом друг к другу около 104,5°. Смещение положительныхи отрицательных зарядов друг отдруга обусловливает дипольное строениемолекулы с тетраэдрическим распределением зарядов (рис. 14.16 в).
Наличие двух протонизированныхатомов (положительных зарядов)и двух неподеленных электронных пар (отрицательных зарядов) в молекуле обусловило появление своеобразной, водородной связи (H-связь), энергия которой составляет 12,6–33,5 кДж/моль (3–8 ккал/моль). Для сравнения– энергия межмолекулярной (вандерваальсовской) связи составляет около 2 кДж/моль, а химической связи 100–400 кДж/моль.
Своеобразное строение молекулы воды позволяет ей образовыватьдо четырех водородных связей с окружающими молекулами, причемв двух связях молекула выступает как донор, а в двух других – как акцептор электронов. Водородная связь, являясь относительно слабой, можетлегко разрушаться и восстанавливаться, благодаря чему вода подвижна,способна заполнять объем любой формы. Время сохранения H-связи около3·10–12 с.
|
|
|
Что касается структуры воды как жидкости, то она до сих пор окончательно не выяснена. Можно отметить лишь, что существует более десятитеорий, описывающих те или иные особенности структуры (модели) воды.
Рассмотрим некоторые установившиеся представления о воде в связис молекулярными взаимодействиями внутри чистой (без примесей) и содержащей ионы воды:
1. Неотъемлемое свойство материи – движение, проявляется в различных формах, а для воды характерно, наряду с другими формами,трансляционное движение, т.е. молекулы воды из одного положения равновесия перемещаются в другое скачкообразно.
2. Вода – ассоциированная жидкость, молекулы которой связаныдостаточно прочной промежуточной химической связью (H-связь). В состоянии льда молекулы воды находятся в окружении четырех другихмолекул в форме тетраэдров. Последниесоединяются между собой в комплексы, содержащие пустоты, благодаря которым в воде хорошо развитасамодиффузия.
При повышении температуры льдоподобные структуры разрушаются, но часть из них сохраняется и в жидком состоянии воды. Таким образом, в воде существуют, наряду с индивидуальными молекулами (мономерная вода), трехмерные непрерывные достаточно «рыхлые» объединения (льдоподобная вода, кластеры, рои). Подвижные молекулы разрушаюткластеры, которые вновь возникают под действием водородной связи.
|
|
|
Время жизни кластеров составляет примерно 10–10 с, т.е. вода постояннокак бы «мерцает». С повышением температуры скорость разрушения кластеров возрастает, а с ростом давления – уменьшается.
3. При растворении солей в воде происходит гидратация ионов(присоединение молекул воды), причем время нахождения ближайшихк поверхности иона молекул воды может быть как больше, так и меньшевремени равновесия молекул в объеме (О.Я. Самойлов). Таким образом,возможны два случая:
В первом случае гидратация называется положительной, во втором – отрицательной, а ионы соответственно называются положительно гидратируемыми и отрицательно гидратируемыми. Отрицательно гидратируемые ионы обладают малым зарядом (тонкой гидратной оболочкой) и большим ионным радиусом.
Для примера в таблице 14.4 приведены значения изменений потенциальной энергии барьера ΔEiдля воды у различных ионов в разбавленном
|
|
|
растворе при температуре 21,5 °С.
В буровой технологии для получения ингибированных растворов с целью предупреждения обвалов горных пород, слагающих стенки ствола, широко применяются из отрицательно гидратируемых ионов калий, из положительно гидратируемых – кальций. Калиевые ингибированные растворы имеют предпочтение.
В целом, вода благодаря легкодоступности и дешевизне в большинстве районов бурения, технологичности и экологической безопасности, высокой охлаждающей способности нашла широкое применение для получения промывочных жидкостей, обладающих широким спектром технологических свойств, соответствующих разнообразным условиям бурения.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 345; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!