СВЯЗАННАЯ ВОДА В ГОРНЫХ ПОРОДАХ: НОВЫЕ ФАКТЫ И ПРОБЛЕМЫ

УДИВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СВЯЗАННОЙ ВОДЫ

    Первые представления о связанной воде возникли почти сто лет назад. Однако ее систематические исследования начались лишь в 20 - 30-е годы. В разработку теории связанной воды внесли большой вклад такие ученые как Б.В. Дерягин, А.В. Думанский, П.А. Ребиндер, Н.В. Чураев, а ее свойства в горных породах всесторонне исследовали А.Ф. Лебедев, Е.М. Сергеев, Ф.Д. Овчаренко, Ю.И. Тарасевич, Р.И. Злочевская и др.

Рис. 1. Строение единичной молекулы воды: а - структура; б - модель электронных орбиталей; в - распределение зарядов (r - длина связи Н-Н, равная 1,41*10-4 мкм; l - длина связи Н-О, равная 0,96*10-4 мкм; a - угол Н-О-Н, равный 104,5°).

К настоящему времени достаточно хорошо изучено строение единичной молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Она характеризуется дипольным строением и тетраэдрическим распределением зарядов: два положительных - на атомах водорода, два отрицательных - на неподеленных парах электронов атома кислорода (рис. 1). Такое строение молекулы воды позволяет ей образовывать до четырех водородных связей с соседними молекулами. При этом в двух связях молекула выступает как донор, а в двух - как акцептор протона. Однако структура собственно жидкой (свободной) воды - самого распространенного на Земле вещества - до сих пор окончательно не выяснена. К настоящему времени предложено множество моделей, описывающих структуру жидкой (свободной) воды (см. в Соросовском Образовательном Журнале N9, 1996 г, с. 72 - 78 статью А.Н. Глебова и А.Р. Буданова "Структурно-динамические свойства водных растворов электролитов"). Наилучшее согласие с экспериментом дают так называемые континуальные модели воды, предполагающие существование трехмерного достаточно рыхлого непрерывного "каркаса" из молекул воды, соединенных водородными связями приблизительно в тетраэдрической координации. При этом следует иметь ввиду статистический характер структурных моделей, поскольку молекулы находятся в непрерывном тепловом движении. Континуальные модели допускают изгиб и растяжение водородных связей. По последним данным, среднее координационное число молекулы жидкой воды равно 4,4 - 4,5 (у льда оно равно 4), а среднее число водородных связей на молекулу оказалось равным 2 - 2,5. Наличие в свободной воде примесей каких-либо растворенных ионов или молекул существенно искажает ее структуру. Еще в большей степени структура искажается вблизи твердой поверхности минералов при образовании связанной воды.
    Многочисленными экспериментами, начатыми еще в 30-е годы Б.В. Дерягиным, было установлено, что некоторые свойства связанной воды, находящейся в породах в виде тонких, так называемых граничных, слоев вблизи твердой поверхности, существенно отличаются от свойств обычной свободной воды. Их стали называть аномальными. Эти отличия объясняются искажением и перестройкой структуры связанной воды вблизи поверхности, изменением и искривлением сетки межмолекулярных водородных связей в ее структуре под влиянием поля поверхностных сил. Аномальные особенности связанной воды были прежде всего установлены для таких ее свойств, как плотность, вязкость, диэлектрическая проницаемость и др. Долгое время исследователи располагали противоречивыми сведениями о плотности связанной воды, которая, по некоторым экспериментальным данным, намного превышала плотность свободной воды и оказалась равной 1,2 - 1,4 г/см³ (а по некоторым данным доходила даже до 1,84 - 2,4 г/см³). В последнее время было убедительно установлено, что плотность связанной воды в тонких пленках (толщиной около 5 нанометров) повышена всего лишь на 1,5% по сравнению со свободной водой и составляет в среднем около 1,02 г/см³.

Рис. 2. Ориентация диполей молекул воды на активных адсорбционных центрах поверхности минерала.

    Твердые поверхности большинства минералов горных пород обладают гидрофильными свойствами, то есть хорошо смачиваются водой. Это обусловливает ориентацию молекул воды, представляющих собой диполи. Установлено, что молекулы воды ориентированы нормально к твердой поверхности (рис. 2). Ориентация происходит в основном под действием электростатического притяжения и обусловливает некоторое повышение плотности воды и снижение тангенциальной (то есть вдоль поверхности) подвижности ее молекул в слоях толщиной всего лишь в несколько нанометров. Это должно проявляться макроскопически в виде повышения вязкости связанной воды, что и наблюдается в экспериментах. Так, например, прямые измерения вязкости воды в очень тонких кварцевых капиллярах и тонкопористых стеклах, выполненные недавно, показали, что вязкость связанной воды повышается при уменьшении толщины пленки менее 1 мкм: при толщине пленки в 0,2 - 0,3 мкм ее вязкость повышена по сравнению со свободной водой в 1,1 раза, а при толщине всего в 10 нм повышена уже в 1,6 раза (рис. 3).

Следующая страница