Секреты аномальных свойств воды
«Кирпичики» воды
Секрет воды, конечно же, следует искать в специфическом строении ее молекулы и в особенностях тех «кирпичиков», из которых складывается эта молекула.
Действительно, оба элемента — водород и кислород — заметно выделяются из многочисленной семьи химических элементов, представленной в периодической системе Менделеева.
Водород как «горючий воздух» был известен еще в XVI в. немецкому врачу и естествоиспытателю Парацельсу. Но подлинная природа этого газа была установлена лишь в 1783 г. Антуаном Лавуазье. За способность, сгорая, производить воду, «горючий воздух» впоследствии переименовали в «гидрогениум», т. е. рождающий воду.
Водород — единственный элемент, не имеющий даже одной полностью заполненной электронной оболочки. Из-за исключительной простоты его строения — один протон (ядро) и один электрон — ему присущи совершенно особые свойства. Между молекулами, образованными водородом с другими элементами, возникают единственные в своем роде водородные связи, сила взаимного притяжения которых по величине совершенно несравнима с взаимодействием всех прочих, неводородных молекул.
Забегая вперед, скажем, что именно наличие водородных связей не только определяет аномальные свойства воды, но и играет решающую роль в образовании живой материи — нуклеиновых кислот, молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), белковых молекул.
Водород — один из наиболее распространенных элементов. Он обнаружен всюду: на других планетах Солнечной системы, на самом Солнце, в атмосферах всех доступных наблюдению звезд, в туманностях, межзвездной пыли.
Значение водорода во вселенной исключительно велико. Достаточно сказать, что он играет роль «космического топлива», дает жизнь, энергию звездам (в том числе и нашему Солнцу).
В настоящее время известно пять изотопов атома водорода с атомными массами 1 (протий), 2 (дейтерий), 3 (тритий), 4 и 6 (названия пока не даны). Наиболее распространенные соединения водорода (по крайней мере, на Земле) — вода, в основе которой находится протий.
Дейтерий отличается от протия строением ядра. Оно состоит из протона и нейтрона, поэтому масса ядра дейтерия в 2 раза больше массы ядра протия. Такое резкое расхождение в массах изотопов является единственным случаем среди изотопов всех других элементов. В обычной (земной) воде один атом дейтерия приходится на 5500 атомов протия.
В ядре трития один протон и два нейтрона. Тритий радиоактивен. Он излучает бета-частицы и превращается в изотоп гелия с массовым числом 3. Период полураспада трития около 12,3 лет. В земной воде трития крайне мало: один атом на миллиард миллиардов (1/10 18 ) атомов протия.
Недавно обнаружены изотопы водорода с атомными массами 4 и 5. Но физические и химические свойства обоих изотопов пока не изучены. Известно только, что время их существования ничтожно мало. Например, изотоп с атомной массой 4 «живет» всего лишь 10 -11 с.
Кислород открыт в 1774 г. английским химиком Джозев Пристли. Но свое крещение получил в лаборатории французского ученого А. Лавуазье; открытый Пристли газ назвали оксигеном — рождающим кислоту.
На нашей планете кислород — распространенный элемент. Земная кора до глубины 10-15 км почти на 50 % (по массе) состоит из кислорода. Песок содержит 53% кислорода, глина 56%, вода 89 %, в теле человека его 70 %.
Кислород — не менее своеобразный элемент, чем водород. Он занимает восьмое место в периодической системе Менделеева. Если его внутренняя электронная оболочка (слой k) укомплектована полностью (два электрона), то на внешней (слой h) вместо восьми положенных «по штату» электронов имеется только шесть. Два места остаются вакантными. Элемент с резко выраженными электроположительными свойствами, кислород атакует все атомы, отдающие электроны (к каковым, прежде всего, относится водород), и потому представляет собой один из наиболее агрессивных элементов в природе.
Известны три изотопа кислорода с атомными массами 16, 17 и 18. На Земле на каждые 3150 атомов 16 О приходится по пять атомов 17 О и по одному атому изотопа 18 О. К сожалению, никаких данных о физико-химических свойствах изотопов 17 О и 18 О у нас нет, наукой они пока не изучены.
Вода — это не просто Н2О.
Вода представляет собой химическое соединение водорода с кислородом. В молекуле воды один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Химическая формула обыкновенной воды Н2О. Молекулярная масса ее 18,016. При нормальных атмосферных условиях температура кипения воды составляет +100°С (373 К), а температура замерзания 0°С (273 К). Вода является отличным растворителем, бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса. Таковы общеизвестные физические и химические свойства воды.
После того как в прошлом столетии были изучены и, казалось бы, вполне исчерпывающе физико-химические свойства воды, интерес к этой заурядной жидкости со стороны исследователей надолго угас.
Но вот в 1932 г. американский физик Гарольд Юри обнаружил в обычной чистой воде примесь, химический состав которой был тот же — атом кислорода на два атома водорода, но молекулярная масса составляла не 18, а 20. Это, как мы теперь знаем, была окись дейтерия, она получила название тяжелой воды. Ее формула Д2О. Она кипит при 101,4 °С (374,4 К) и замерзает при — 3,8 °С (269,2 К). В противоположность жизненной силе Н2О, тяжелая вода в физиологическом отношении инертна. Семена растений, политые тяжелой водой, не прорастают. Если тяжелой водой поить животных, они погибают от жажды. После открытия дейтерия интерес к воде резко повысился. В 1943 г. вокруг тяжелой воды разыгрались весьма драматические события.
Фашистская Германия форсировала создание атомной бомбы. В качестве замедлителя нейтронов в атомном реакторе немецкие исследователи намеревались использовать тяжелую воду. Однако ее получение в больших количествах представляло (да и сейчас представляет) значительные трудности. Организовать производство тяжелой воды гитлеровцам удалось в оккупированной ими Норвегии, где можно было использовать дешевую энергию гидростанций и в фиордах которой вода имела повышенное содержание окиси дейтерия.
Следившая за работами гитлеровских атомщиков английская разведка предприняла отчаянные меры для уничтожения добытой немцами тяжелой воды. В Норвегии был выброшен десант парашютистов. С помощью норвежских патриотов десантникам удалось взорвать цех по производству тяжелой воды, но захватить и уничтожить запасы уже добытой тяжелой воды они не смогли.
Германское командование попыталось этот запас переправить из Норвегии в Германию. В условиях чрезвычайной секретности его доставили в один из портов. И только тут, в самый последний момент, ценой огромного риска бойцам армии сопротивления удалось взорвать судно, на которое были погружены емкости с водой. 16 м 3 окиси дейтерия было пущено ко дну. Работы по созданию атомной бомбы в Германии были сорваны.
Тяжелая вода не единственный компонент, входящий в обычную воду. Мы уже сказали, что имеется пять изотопов водорода и три кислорода. Поскольку каждый изотоп водорода способен соединяться с любым изотопом кислорода в соотношении 2:1, может быть получено 42 сочетания атомов в молекулах воды. Из них вполне устойчивы 9 сочетаний: 16 Н2О, 17 Н2О, 18 Н2О, 16 НДО, 17 НДО, 18 НДО, 16 Д2О, 17 Д2О, 18 Д2О.
Итак, обыкновенная вода, текущая в реках, заполняющая озера, моря и океаны, снеговыми шапками укрывающая горные вершины, дождями низвергающаяся на землю, послушно бегущая из кранов в наших квартирах, — все это не просто Н2О. Это сложнейшая смесь различных видов воды, молекулы которых обладают далеко не одинаковыми физико-химическими свойствами. Правда, количественные соотношения этих смесей разнятся весьма сильно. К сожалению, на сегодня более или менее изучены лишь две разновидности воды: 16 Н2О и 16 Д2О. Прочие «воды» остаются белыми пятнами в науке.
Процент содержания «прочих вод» в обыкновенной воде чрезвычайно мал: тяжелокислородной ( 18 Н2О) в ней всего 0,18 %, тяжелой воды ( 16 Д2О) и того менее — 0,017%. Во много раз меньшую долю составляют другие сочетания водорода и кислорода. Но сколько воды в масштабах нашей планеты! А стремительное развитие науки и техники наверняка приведет к тому, что со временем мы научимся переводить одну модификацию в другую. И невольно напрашиваются прогнозы. Скажем, тяжелая вода — это мертвая вода. Она угнетает все живое. Но не окажется ли среди 42 возможных сочетаний изотопов водорода с изотопами кислорода. живой воды? Живой в полном смысле этого слова. Вода, которая вдвое, втрое. в десять раз ускорит рост растений, животных, человека! Вода, которая позволит выращивать капусту величиной с легковую машину и пшеницу с зернами в куриное яйцо. А может, объявится и такая вода, которая станет панацеей от всех недугов, позволит мгновенно заживлять самые тяжелые раны, возвращать бодрость. Или даже возвращать молодость.
Не вода ли принесет человечеству страстно желаемое бессмертие? Не улыбайтесь. От воды можно ожидать всего.
Источник
Вода атом трех элементов
3. Молекула воды
В жизни человека, как и в жизни всякого другого существа, вода играет громадную роль. Вода нужна для питья и для приготовления пищи, вода нужна для мытья. Давно человек понял и то, что вода необходима для его полей. Поэтому нет ничего удивительного, что ещё древние народы, жившие тысячелетия до нас, смотрели на воду как на особое вещество, первооснову всего существующего.
«Вода как жидкое, подвижное, всепроникающее, явилась началом всего» — учил около двух с половиной тысяч лет назад «греческий мудрец Фалес Милетский. Лет двести спустя крупнейший философ древнего мира Аристотель насчитывал уже несколько таких первооснов, „основных элементов“ мира, но среди них была и вода.
В высказываниях древних греков, какими бы эти высказывания ни казались нам сейчас по-детски наивными, уже отражалось глубокое понимание значения воды во всех явлениях природы и в жизни человека.
Прошло около 20 веков. Само понятие „элемент“ существенно изменилось. Химическим элементом стали считать простое вещество, которое уже не может быть разложено далее на более простые вещества. Число элементов всё увеличивалось и увеличивалось. В списке этих элементов опять значилась вода.
И этому были причины. Ведь учёные того времени, наблюдая различные явления, в которых участвует вода, никогда не замечали, чтобы она изменялась химически. На глазах их она затвердевала в лёд, но лёд при таянии давал ту же воду. Вода нагревалась до кипения и испарялась, но, охлаждаясь, пары снова собирались в капли воды. Вода как вещество оставалась во всех процессах „самой собой“ и её считали неразложимым, простым веществом.
Только в конце восемнадцатого столетия было сделано важное открытие, что вода есть сложное вещество: вода была получена искусственным путём, при сжигании газа водорода в кислороде. Этим было доказано, что вода состоит из водорода и кислорода.
Приблизительно в это же время сложный состав воды удалось доказать и обратным путём — разложением воды на составные части. Это сделал французский учёный Лавуазье. Через раскалённый ружейный ствол он пропускал пары воды. От действия высокой температуры вода разлагалась. Кислород соединялся с железом, и на внутренней поверхности ствола появлялась окалина (соединение железа с кислородом), а из ствола выходил газ водород.
А несколькими годами позже вода впервые была разложена на её составные части электрическим током. Этим путём было точно установлено, что в воде по весу находится 11,11 процента водорода и 88,89 процента кислорода, причём водорода выделяется из воды по объёму в два раза больше, чем кислорода.
Если оба эти выделившиеся газа смешать, то при комнатной температуре эта смесь может оставаться без изменения очень долго. Чтобы только одна шестая часть этой смеси превратилась в воду, нам пришлось бы ждать 54 миллиарда лет. Но стоит только поднести к этой смеси горящую спичку или пропустить через неё электрическую искру, как между кислородом и водородом моментально произойдёт химическая реакция: водород сгорит в кислороде, и в результате получится вода. Такой опыт надо проводить с большой осторожностью, так как горение всегда сопровождается взрывом большой силы. Поэтому смесь из двух объёмов водорода и одного объёма кислорода и названа гремучей смесью.
Чтобы вызвать реакцию между кислородом и водородом, вовсе не обязательно нагревать всю смесь. Достаточно нагреть самый незначительный её объём. В этом объёме начнётся процесс горения водорода — соединения его с кислородом. При этом выделяется очень много тепла (десять граммов гремучей смеси при горении дают такое количество тепла, которого достаточно, чтобы вскипятить почти пол-литра воды). Выделяющееся тепло передаётся соседним участкам смеси, и процесс горения с чрезвычайной быстротой распространяется по всему объёму.
Температура в пламени гремучего газа превышает 3000 градусов. Поэтому гремучий газ и применяют для автогенной сварки.
Итак, вода — это сложное вещество, состоящее из кислорода и водорода. Как же построена молекула воды? Как располагаются в ней атомы кислорода и водорода?
Современная наука располагает очень точными методами исследования, которые позволяют проникнуть в строение вещества так глубоко, что уже теперь с полной уверенностью можно говорить не только о том, из каких атомов составлены молекулы того или другого вещества, но и о том, как располагаются атомы в молекулах. Каждая молекула воды состоит из трёх атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода. Все три атома расположены в молекуле таким образом, что если мысленно соединить их линиями, то образуется равнобедренный треугольник, то есть треугольник, у которого две стороны равны (рис. 3). В вершине находится атом кислорода, а в двух углах при основании — по атому водорода. Расстояния между атомом кислорода и водородными атомами одинаковы и равны 97 десятимиллиардным долям сантиметра. Расстояние между атомами водорода равно 154 десятимиллиардным долям сантиметра, а угол при вершине, в которой находится атом кислорода, составляет около 105 градусов. Если размер молекулы увеличить в десять миллиардов раз, этот треугольник поместился бы на столе среднего размера.
Рис. 3. Расположение атомов в молекуле воды.
Читатель может спросить: почему атомы в молекуле воды расположены в виде треугольника, а не по прямой линии — в середине атом кислорода, а по краям атомы водорода?
Объяснить это можно так. Всякое тело в природе стремится занять наиболее устойчивое положение. Мяч, брошенный на гладкую крышу, не останется лежать на её покатой поверхности и под действием силы тяжести обязательно скатится вниз. Если мы привяжем к нитке какой-нибудь грузик и будем держать нитку за свободный конец, грузик натянет нить и расположится точно по отвесной линии. Отведём грузик немного в сторону и отпустим, — грузик не останется в новом неустойчивом состоянии и под действием силы тяжести быстро вернётся к своему первоначальному положению. Так и в молекуле воды. Атомы соединены в ней друг с другом силами, которые называют силами химического сродства. Величина и направление действия этих сил таковы, что молекула воды является устойчивой именно тогда, когда атомы образуют треугольник. Всякая другая „постройка“ из атомов оказывается менее устойчивой. И если по каким-либо причинам расположение „атомов“ изменится, то по устранении этой причины атомы вновь образуют такой же треугольник.
Нужно сказать, что силы, удерживающие атомы водорода и кислорода в молекуле воды, весьма велики. Необходима очень большая энергия, чтобы связь между атомами „разорвалась“. Мы можем нагреть воду до 1400 градусов, и из миллиона молекул воды при этой температуре только около ста молекул окажутся разложенными на водород и кислород. Даже при 3092 градусах разрушается только 13 процентов всех молекул воды.
Любая вода, откуда бы она ни была взята, — из Северного Ледовитого океана, из глубокой шахты Донбасса, была заключена в снежинке или сверкала ранним утром в капельке росы на цветке, — любая вода состоят из одинаково построенных молекул. Однако взаимное расположение отдельных молекул друг относительно друга в жидкой воде, снежинке или в паре из парового котла оказывается неодинаковым.
Пары воды, нагретые градусов до трёхсот, при атмосферном давлении подобны обычным газам: в них расстояния между молекулами достаточно велики, так что каждая отдельная молекула может существовать более или менее самостоятельно, не испытывая существенного взаимодействия со стороны своих соседей, за исключением, конечно, тех случаев, когда молекулы в результате беспорядочного теплового движения сталкиваются друг с другом.
В снежинке или кусочке льда молекулы сближены и закреплены в определённых местах кристаллической решётки; движения молекул в большинстве своём ограничиваются колебанием около некоторых средних положений.
А как располагаются молекулы в жидкой воде?
В науке до сих пор ещё нет строгой, твёрдо установленной теории, касающейся строения жидкостей, в частности воды. Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром. Изучение строения воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей дало возможность считать, что при температурах, близких к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы и „упаковываются“ в пространство приблизительно так, как в кристаллах, а при температурах, близких к точке кипения воды, при нормальном давлении, они располагаются более свободно, беспорядочно. Однако „каркас“, составленный в жидкой воде из отдельных молекул, должен быть очень гибким. Иначе трудно было бы объяснить подвижность воды, способность её быть „рабочим телом“, приводящим в движение тяжёлое колесо турбины, и переносчиком различных питательных веществ по тончайшим сосудам живых организмов.
По-видимому, и в водяном паре при невысоких температурах часть молекул воды объединена или, как говорят, ассоциирована.
Вода — самая распространённая в природе жидкость. Мы так привыкли к воде, к её разнообразным проявлениям, что она нам кажется самой обыкновенной жидкостью. Многие свойства воды положены в основу нашей измерительной системы. Температуру таяния льда мы считаем за нуль градусов, а температуру кипения за сто градусов (по принятой теперь почти всюду шкале Цельсия). Массу воды в объёме одного кубического сантиметра мы принимаем за меру массы — один грамм. Количество тепла, которое поглощает один грамм воды при нагревании на один градус, мы называем единицей теплоты — калорией. Многие измерительные приборы физиков и химиков градуируются по воде, и величины, измеренные для других веществ, обычно сравниваются с числами, полученными для воды. Но если мы внимательно присмотримся к поведению воды в различных условиях и сравним его с поведением большинства других жидкостей, то обнаружим, что наша „обыкновенная“ жидкость ведёт себя очень странно, если этими словами можно выразить своеобразный характер воды, резко отличающий её от всех других жидкостей.
Теперь мы и расскажем о некоторых самых важных и интересных свойствах воды и её отступлениях от общих „правил“ поведения жидкостей.
Источник
