Изотопный состав воды зависит от ее происхождения, возраста, этапов «жизни». В тонком плане явно отличаются изотопные составы речной воды, морской воды, колодезной воды, ключевой воды, воды полученной таянием снега, воды полученной таяньем льда, горной воды, воды текущей с ледников, воды из айсбергов и т. п. Нужно ли это все учитывать? Наука и практика однозначного ответа не дает, а дешевых и надежных методов исправления изотопного состава воды не существует. Следствием этого явилось то, что практически все эксперименты с водой проведены не с обычной водой (^>1Н)_{> 2}^>16О, а с этой водой с некоторым набором ее изотопных «братьев».

Сложной оказалась структура молекулы воды – здесь и далее под этим термином мы понимаем обычную воду (^>1Н)_{> 2}^>16О – 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=10^>—10м. 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 Н_>2О в объеме жидкости на отрицательный ион гидроксила (ОН^>_) и положительный ион гидроксония (Н_>3О+). Этот процесс носит обратимый характер и может быть охарактеризован такой формулой:

2Н_>2О → (ОН^>_) + (Н_>3О+) → 2Н_>2О

Рис. 3

Конфигурация молекулы простой воды (^>1Н)_{> 2}^>16О 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 (1879—1958) 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.