Файл: Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв.pdf

ностью которого является локализация концентрации в областях, отмеченных символом Е, лежащих на вершинах правильного тетра­ эдра. Из четырех этих сгущений заряда два лежат на радиусах О'Н и сокращают эффективный положительный заряд каждого из ядер водорода на 50% ; два остальных сгущения создают области отри­ цательного заряда. Таким образом, молекулу воды можно рассматри­ вать как сферу, на поверхности которой электрический заряд рас­ пределен так, что образует сгущения вокруг четырех точек, лежащих на вершинах правильного тетраэдра, две вершины ко­ торого заряжены положи­ тельно и две отрицательно.

3.2. Упаковка молекул воды

связано с тем, что направления притяжения между молекулами лежат вдоль линий, соединяющих центр с зонами концентрации заряда. В результате молекула воды стремится быть окружен­ ной тетраэдрической группой четырех других молекул, как показано на рис. 3.2. Это не тетраэдрическая ячейка из четырех плотно упакованных шаров, изображенная на рис. 1.4, а очень рыхлая группа из пяти сфер, одна из которых находится в центре тетраэдра, образованного четырьмя другими. Однако вследствие сходства между группировками, показанными на рис. 1.4 и 3.1, структура воды имеет черты подобия структуре тех кремниевых минералов, которые образованы из групп, рассмотренных на рис. 1.4.

3.3. Структура льда

Если один слой молекул воды расположен, как показано на рис. 3.3 а, а другой — как на рис. 3.3 б, т. е. во всех отношениях обратно первому, то эти слои можно наложить один на другой так, чтобы молекула D легла на молекулу О нижнего слоя. В результате

молекулы, соответствующие рис. 3.2. Добавив другие слои, можно продолжать структуру бесконечно. Это структура льда, как она представляется по данным рентгеноструктурного анализа, который, конечно, не позволяет судить, какая из вершин ячеек положитель­ ная, а какая отрицательная. Схема расположения зарядов является гипотетической, и, согласно ей, лед в объеме должен был бы иметь большой электрический момент. Можно предположить, что в природе этого не происходит благодаря различной ориентации мозаики кристаллов, образующей массу льда.

Рис. 3.3. Слой молекул воды в структуре льда.

Слой б накладывается на слой а и так далее.

При сопоставлении рис. 3.3 а и 2.5 выявляется их поразительное сходство, поскольку способ наложения двух слоев кремнезема на рис. 2.5 подобен совмещению двух слоев молекул воды, налага­ ющихся друг на друга в структуре льда. Поэтому иногда говорят, что лед имеет структуру тридимита.

3.4. Структура жидкой воды

В параграфе 1.4 упоминалось о природе структуры вещества в жидком состоянии, хотя вследствие самой подвижности жидкости ее решеточная структура должна быть чем-то мало определенным. Рентгенодифракционная картина жидкой воды соответствует смеси случайной и решеточной структуры. Решеточная структура при этом имеет характер, показанный на рис. 3.4. Она обнаруживает разительное сходство со структурой кварца. Как кварц, предста­

вленный на рис. 2 .1 , состоит из спиралей кислородных ионов, так и жидкая вода содержит спирали молекул воды. Такой спиралью

с аналогичными соседними цилиндрами, как и в кварце, с помощью тетраэдрических групп, общих для обоих цилиндров и образующихся при пересечении двух молекулярных спиралей. Так, спираль АВС

которое равно 0 ,8 6 , следует сравнить с отношением плотностей льда и воды, равным 0,91. Учитывая, что вода представляет собой смесь кварцеподобных и случайных структур, согласие между этими циф­ рами можно признать удовлетворительным. Максимальная плотность воды наблюдается при 4° С, что становится понятным, если пред­ положить, что при этой температуре вода сохраняет кварцеподобную структуру, а при более низкой температуре начинается переход к тридимитовой структуре льда. При более высоких температурах плотность воды уменьшается по понятным причинам, а именно вследствие расширения массы из-за теплового движения молекул, расширяющего решетку. Таким образом, плотность воды умень­ шается при изменении температуры от 4° С в любом направ­ лении.

С плотностью воды связано еще одно важное явление. Ион или мицелла в растворе являются сильно притягивающими центрами, изменяющими структуру воды вблизи себя. В результате из очень

химические данные свидетельствуют, что гумус имеет некоторые черты лигнина и протеинов. Протеины — один из наиболее сложных классов веществ, который только начинает исследоваться методами рентгенодифракционного анализа. В настоящее время нет еще установившегося мнения о том, дает ли гумус специфическую рент­ генодифракционную картину.

По-видимому, можно утверждать, что для гумуса характерны как группы СООН, присутствующие в целлюлозе, лигнине и белке, так и группы NH2, свойственные белку.

ГЛАВА 4

Равновесие частиц, взвешенных в воде

4Л. Виды частиц в суспензии

В этой главе слово «суспензия» обозначает объем воды, в котором распределено некоторое количество настолько малых частиц, что они за короткое время не оседают на дно сосуда, вмещающего жидкость. Это общее определение, очевидно, относится и к раство­ рам солей, в которых растворимое вещество никогда не выпадает на дно сосуда. Следовательно, понятие «суспензия» включает поня­ тие «раствор», хотя нельзя утверждать обратное.

Среди частиц, которые необходимо рассмотреть, находятся, конечно, сами молекулы воды, а также ионы, образующиеся при диссоциации, т. е. ион гидроксила и ион водорода. Размер первого указан в параграфе 2.1, а из параграфа 3.1 следует, что ион гидро­ ксила представляет собой ион кислорода с погруженным в него протоном. Рассмотрим ион гидроксила несколько подробнее.

Атом водорода, утративший единственный электрон при превра­ щении в ион, — это по существу оголенный протон, размер которого ничтожен даже в атомном масштабе. Свойства такого иона в растворе, например подвижность в электрическом поле, должны были бы сильно отличаться от реально наблюдаемых. В настоящее время считается, что протон поглощается нейтральной молекулой воды, так что в растворе водородный ион по существу представляет собой ион ОГЦ, называемый оксонием. Тем не менее обычно употребляют термин «ион водорода», используя термин «протон» для истинного иона или для оголенного водородного ядра.

Далее, суспензии, как правило, содержат нейтральные молекулы солей в растворе, а также ионы, возникшие при диссоциации этих молекул. Чтобы избавить воду от всех растворенных в ней солей, приходится использовать чрезвычайно сложные средства. Помимо перечисленных, в суспензиях могут содержаться небольшие частицы нерастворимых веществ, которые могут быть либо электронейтральны, либо иметь электрический заряд вследствие диссоциации рыхло­ связанных ионов, как это имеет место в случае монтмориллонитовых минералов. Другие частицы, например протеины, могут при благо­ приятных обстоятельствах (рассматриваемых в параграфе 4.5) по­ глощать дополнительные протоны, заимствуя их от водородных атомов раствора, и становиться положительно заряженными мицеллами.