Сложной оказалась структура молекулы воды здесь и далее под этим термином мы понимаем обычную воду (1Н) 216О и взаимное расположение молекул жидкой воды в занимаемом объеме.
В молекуле воды атомы водорода относительно атома кислорода образуют равнобедренный треугольник, расположение атомов в молекуле воды, в состоянии жидкости, показано на рис 3. Размеры на рисунке приведены в ангстремах Å, как это принято в ядерной физике. Связано это с тем, что один ангстрем приблизительно равен диаметру орбиты электрона в атоме водорода. С другой стороны 1Å=1010м. Отсюда следует, что по диаметру блюдца с водой (15 см) могут поместиться около миллиарда молекул воды.
Размеры молекулы, при изменении водой своего агрегатного состояния, меняются незначительно: молекула пара сжимается на 1%, молекула льда расширяется на 4%. Последнее свойство приводит к тому, что лед плавает в обычной воде, и водоем замерзает не всем своим объемом, а последовательно сверху вниз.
Однако молекулы воды далеко не стабильны. Даже самая чистая вода обладает способностью к химической диссоциации распаду некоторой части пар молекул Н2О в объеме жидкости на отрицательный ион гидроксила (ОН_) и положительный ион гидроксония (Н3О+). Этот процесс носит обратимый характер и может быть охарактеризован такой формулой:
2Н2О (ОН_) + (Н3О+) 2Н2О
Свойство диссоциации у воды приводит к тому, что даже чистая вода, не имеющая никаких посторонних примесей, например дистиллированная по ГОСТ 670972, может иметь при температуре +180С проводимость около 0,75 микросименс.
Рис. 3
Конфигурация молекулы простой воды (1Н) 216О представляет собой полярное соединение, см. рис 4.
Рис. 4
Полярное соединение, или, по химической терминологии, ковалентное соединение характеризуется том, что электронный заряд в нем распределен не однородно. На поз. а рис. 4 показано положение атома кислорода 16О и двух атомов водорода 1Н, у которых электроны как бы захвачены ядром кислорода. В результате кислородный угол молекулы воды несет отрицательный заряд, а два водородных угла положительные заряды, это схематически показано на поз. б рис. 4.
Полярность воды приводит к тому, что ее молекулы притягивают ионы электровалентных соединений, при этом разрушая их кристаллическую структуру. Такой процесс происходит, например, с кристаллами поваренной соли NaCl, см. рис. 5.
В 1951 г. датский химик Нильс Бьеррум (18791958) предложил свою модель структуры льда, в которой молекула воды представляла собой четырехугольную пирамиду-тетраэдр, у которой широкую сторону занимали атомы водорода, а узкую атом кислорода. Поэтому на рис 5. «треугольники» молекул воды это тетраэдры Бьеррума вид сверху.
Рис. 5
Если твердые кристаллы поваренной соли поместить в воду (поз. а рис. 5), то полярные молекулы воды окружают молекулу поваренной соли (поз. б рис. 5), при этом силы, удерживающие вместе ионы натрия и хлорид-ионы, оказываются слабее, чем силы притяжения этих ионов молекулами воды. В результате происходит растворение кристаллов поваренной соли в воде, и ионы натрия и хлорид-ионы «плавают» отдельно, окруженные молекулами воды (поз. в рис. 5). Такое свойство молекул воды делает воду одним из самых сильных растворителей из всех жидкостей.
Процесс, показанный на рис. 5, несколько упрощен, т.к. небольшое количество воды непрерывно распадается на ионы гидроксила (ОН_