Аномальные свойства воды (стр. 1 из 2)
Вопрос № 21
Аномальные свойства воды
Огромная роль воды в жизни человека и природы послужила причиной того, что она была одним из первых соединений, привлекших внимание ученых. Глубокие философские обобщения привели человечество к необходимости познания физической и химической природы воды. Тем не менее, изучение воды еще далеко не закончено.
Раскрыть ее секреты до конца еще не удалась никому. Человечество упорно в длительном борении за истину, объединяя знания поколений, постепенно открывало все новые и новые специфические особенности этой загадочной жидкости, «сока Жизни».
В 1783 году выдающиеся экспериментаторы Генри Кавендиш (1731-1810) и Антуан Лавуазье (1743-1794) установили, что вода состоит из двух газов: водорода и кислорода и соотношение их выражается формулой Н20.
Все достижения современной цивилизации во многом обусловлены использованием и изучением воды. Достаточно назвать водяной пар и паровую машину Джемса Уатта.
Исследование химического состава воды привело к открытию Генри Кавендишем водорода “горячего воздуха”, рождающего воду, к созданию Джонам Дальтонам атомной теории вещества.
Открытие химического состава молекулы воды послужило началом бурному росту науки о биологической роли воды, об ее лечебно-профилактическом использовании.
Вода выступала катализаторам развития многих фундаментальных научных дисциплин. Вспомним также о ее причастности к ядерной физике в виде тяжелой и сверхтяжелой воды. В настоящее время наступила эра всеобщего изучения роли воды в нормальных и патологических процессах жизни, которую можно назвать эрой водной биологии и медицины.
Современному представлению о строении молекулы воды и водных растворов предшествовал бурный период научных и экспериментальных изысканий, подчас противоречивых и трудно воспроизводимых.
Это и химическая теория Д.И. Менделеева, и теория непрерывности газового и жидкого состояния Ван-дер-Ваальса, и гидрольная теория У. Рамзая и Дж. Шильдса, и рентгенографический метод исследования Лауэ, и постулат Дебая о близости структуры жидкого состояния воды к твердой фазе на границе температурного раздела лед-вода и ряд других теорий. Однако, в конце концов основные черты строения молекулы воды были расшифрованы. Как же сейчас мы представляем себе строение воды?
Начнем с элементарного — со строения молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода (Н1) и одного атома кислорода (О18). Оказывается, все многообразие свойств воды и необычность их проявления, в конечном счете, определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельно рассматриваемой молекуле воды ядра водорода и кислорода так расположены друг относительно друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник — со сравнительно крупным ядром кислорода в вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания (рис. 1, а).
Puc. 1. Строение молекулы воды:
а) — угол между связями О-Н, б) — структура электронного облака молекулы, в) — расположение полюсов заряда.
Электронное облако молекулы, образованное пятью парами электронов, схематически распределено так (рис. 1, б), что внутренняя пара окружает ядро кислорода, две внешние пары неравномерно поделены между ядрами кислорода и водорода, тяготея больше к кислороду, а остальные две пары кислород не делит с водородом, и их заряды остаются частично нескомпенсированными. Таким образом, в молекуле воды оказывается четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных — вследствие недостатка электронной плотности у несколько оголенных ядер водорода — протонов.
Эти заряды можно условно представить расположенными в вершинах частично искаженного тетраэдра (рис. 1, в). Вследствие такой асимметричности распределения электрических зарядов молекула воды обладает ярко выраженными полярными свойствами: она является диполем с высоким дипольным моментом — 1,87 Дебая. На рис. 2 показана схема образования молекулы воды.
Рис. 2. Образование молекулы воды.
Как видно на рис. 2, у одного атома кислорода и двух атомов водорода (а) появляются общие электроны, образующие прочную ковалентную связь (б). Если два протона водорода молекулы воды вращаются в одну сторону, то вода называется параводой, в разные стороны — ортоводой.
В обыкновенной воде 3/4 ортоводы. Ряд ученых предполагает, что соотношение орто- и параводы в клетке имеет регуляторное значение. Если строение молекулы воды в общих чертах установлено, то структура воды по-прежнему остается загадкой.
Исследуя воду и, особенно ее водные растворы, ученые раз за разом убеждались, что вода обладает ненормальными — аномальными свойствами, присущими только ей, ее Величеству — Воде, подарившей нам Жизнь и возможность мыслить. Мы даже и не подозреваем, что столь привычные и естественные свойства воды в природе, в различных технологиях, наконец, в обыденной жизни нашей являются уникальными и неповторимыми.
Ученые согласны в том, что вода является одним из самых трудных объектов исследования, так как, прежде всего в воде всегда есть примеси и что она обладает кооперативным характером взаимодействия ее молекул.
В рамках микроскопического подхода структура воды отличается относительно беспорядочным динамически меняющимся расположением молекул, а высокая плотность обуславливает сильное межмолекулярное взаимодействие, осуществляемое посредством водородных связей.
Таким образом, вода представляет собой сложную ассоциированную жидкость с тетраэдрической сеткой молекул, соединенных водородными связями.
В результате теплового движения молекул эта сетка подвержена спонтанной перестройке.
В трехмерной сетке водородных связей размещены флуктуационные микрообъемы молекул воды, обладающие сравнительно малой энергией теплового движения и более высокой степенью структурного упорядочения. Это — микрокластеры.
В то же время вокруг микрокластеров в макрообъеме ассоциированной среды с повышенной энергией теплового движения молекул Н20 наблюдается большая степень структурной беспорядочности, то есть более низкий уровень структурного упорядочения.
Вещества — аналоги воды, молекулы которых по химическому составу похожи на воду, — H2S, H2Se, H2Te, то есть соединения водорода и серы, водорода и селена, водорода и теллура и так далее, при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Казалось бы, вода, сохрани она такие же свойства, должна бы закипать при температуре -70°С, а превращаться в лед при -90 °С. Эти условия вряд ли бы способствовали развитию жизни на Земле, ведь она должна была бы существовать в интервале температур от -70 °С до -90 °С (рис.3). В таком холоде разве возможна жизнь?
Иначе говоря, если бы вода — гидрид кислорода Н2О — была бы нормальным мономолекулярным соединением, таким, например, как ее аналоги по шестой группе Периодической системы элементов Д.И.Менделеева — гидрид серы H2S, гидрид селена H2Se, гидрид теллура H2Te, то в жидком состоянии вода существовала бы в пределах от минус 95 °С до минус 70 °С, а не такая, какая реально существует сейчас. Нетрудно понять, что в этом случае биологической жизни на Земле не могло бы существовать. На рис.3 показаны необычные точки замерзания и кипения воды по сравнению с другими жидкостями.
Рис. 3. Аномалии точек кипения и замерзания воды по сравнению с другими соединениями водорода.
Но, к счастью для нас и для всего живого на свете вода обладает аномальными свойствами.
Вода «не признает» периодических закономерностей, характерных для бесчисленного множества соединений на Земле и в Космосе, а следует своим, еще не вполне понятным для науки законам, подарившим нам удивительный «мир Жизни».
«Ненормальные» температуры плавления (0 °С) и кипения (+100 °С) воды далеко не единственная ее аномальность.
Для всей биосферы исключительна важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, то есть уменьшать плотность.
Действительно, при переходе любой жидкости в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Да, для любой из необозримо разных жидкостей, но не воды. Вода и здесь представляет исключение.
При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +3,98 °С. Затем, при дальнейшем снижении температуры до 0 °С, вся вода замерзает и расширяется в объеме. В результате удельный вес льда становится меньше воды и лед плавает. Если бы лед не всплывал, а тонул, то все водоемы (реки, озера, моря) промерзли бы до дна, испарение бы резко сократилось, все пресноводные животные и растения погибли бы. Жизнь на Земле стала бы невозможной.
Вода — единственная жидкость на Земле, лед которой не тонет за счет того, что его объем на 1/11 больше объема воды.
Еще одно удивительное свойство воды — ее огромное поверхностное натяжение. Благодаря тому, что круглые шарики воды очень упруги, идет дождь, выпадает роса.
Что же это за удивительная сила, которая сохраняет капли росы, а поверхностный слой воды в любой лужице делает эластичным и относительно прочным?
Известно, что если стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то иголка не тонет. А ведь удельная масса металла значительно больше, чем у воды. Молекулы воды связаны силой поверхностного натяжения, которая позволяет им подниматься вверх по капиллярам, преодолевая силу земного притяжения. Без этого свойства воды жизнь на Земле была бы также невозможна.