ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТАТИВ
Тепловые свойства воды
С.ВАРЛАМОВ
ВМОЛЕКУЛАХ ВОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСкие заряды распределены так, что на атоме кислорода «неуравновешенный» заряд отрицательный, а на присоединенных к этому атому кислорода двух атомах водорода «неуравновешенные» заряды положительные и в два раза меньшие по величине, чем на атоме кислорода. Иными словами, электрические заряды распределены по молекуле воды неравномерно, а суммарный заряд молекулы равен нулю. Образно говоря, молекула воды представляет собой электрический диполь, в котором один отрицательный заряд ( 2 G ) на кислороде и два положительных разнесенных в пространстве заряда ( G ) на атомах водорода расположены в углах равнобедренного треугольника с углом между равными сторонами 104,5q (рис. 1). Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, и упорядоченному расположению таких зарядов (плюс к минусу) соответствует минимальная потенциальная энергия. Глубина потенциальной ямы, которую обеспечивает один моль водородных связей (по данным справочников), равна примерно 21 кДж моль. Твердая (да и жидкая) вода представляет собой систему сетку молекул, связанных так называемыми водородными связями. Одна молекула образует со своими ближайшими
DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20250505
Рис. 1
Рис. 2
соседками четыре такие связи. На рисунке 2 показано схематически такое расположение молекул, а водородные связи изображены пунктирными отрезками. На самом деле, конечно же, структура пространственная, а не расположенная (как на рисунке) в одной плоскости, но суть дела таким рисунком всетаки отражается. В твердой фазе (в структуре льда) все водородные связи задействованы. Следовательно, один моль молекул воды, входящий в состав конденсированного вещества льда, при абсолютном нуле температуры находится в потенциальной яме глубиной примерно
21 4 2 кДж моль U
42 U кДж моль.
Вторую часть потенциальной энергии взаимодействия, обозначенную буквой U, обеспечивают не ближайшие соседи, между которыми установлены водородные связи, а далеко расположенные друг от друга молекулы. Это так называемое Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие. Кроме того, этот моль молекул воды имеет тепловую энергию, равную С T, где C – молярная теплоемкость льда, а T – его температура. А в жидкой воде существуют так называемые кластеры, состоящие из большого числа молекул, в которых структура такая же, как и у льда, но на границах кластеров «включены» уже не все водородные связи. И по мере роста температуры воды доля включенных