2.1. Уникальность свойств и структура воды

Свойства воды. Только в конце XVIII - начале XIX в. стало известно, что представляет собой вещество, называемое водой. Опы­тами Г. Кавендиша, А. Лавуазье, А. Гумбольдта, Ж.Л. Гей-Люссака было доказано, что вода образуется из двух объемов водорода и од­ного объема кислорода, т.е. имеет химическую формулу Н₂0 и мо­лекулярную массу 18 а.е.м. Постепенно, однако, становилось ясно, что почти по всем физико-химическим параметрам это вещество уникальное, резко отличающееся от других природных соединений. Рассмотрим эти параметры.

Температура кипения и плавления воды при атмосферном давлении соответственно равны 100 и О °С, на них основываются принятые системы отсчета температур. Благодаря этим свойствам вода оберегает жизнь и регулирует тепловой и газовый режим на­шей планеты.

Теплоемкость воды - самая высокая из всех жидкостей на Земле и составляет 4,19 Дж/°С. Благодаря этому свойству, вода мед­ленно нагревается и медленно остывает, что позволяет ей осуществ­лять роль главного климатообразующего фактора. Влияние Мирового океана сказывается практически во всех точках Земли, даже наиболее удаленных от морских берегов, характеризующихся так называемым континентальным климатом. Подсчитано, например, что если бы вся Земля была покрыта океаном, годовая амплитуда температуры возду­ха изменялась бы от 0 на экваторе до 5-6 °С на полюсах.

С высокой теплоемкостью воды связаны такие показатели, как скрытая теплота плавления (333,7 • 10³ Дж/кг), и скрытая теплота парообразования (2258 • 10³ Дж/кг), т.е. для превращения 1 кг льда в жидкость и 1 кг жидкой воды в пар нужны огромные затраты энер­гии. Это свидетельствует о высокой энергоемкости воды, предопре­деляющей ее исключительную роль как аккумулятора энергии при протекании природных процессов.

Диэлектрическая постоянная для воды равна 80,1 при температуре 20 °С. Это высокий показатель, он означает, что при

растворении в воде солей сила электрического взаимодействия меж­ду разноименно заряженными частицами уменьшается в 80 раз, в результате чего соли диссоциируют на ионы. Явление электролити­ческой диссоциации имеет исключительно важное значение, предо­пределяя большинство свойств водных растворов, в частности одно из главных — инертность воды как растворителя: разлагая соли на разноименно заряженные ионы, вода в большинстве случаев сама не участвует в химических реакциях с растворенными веществами, и они могут быть вновь получены при выпаривании водного раствора. Эта особенность имеет колоссальное геологическое и биологическое значение, предопределяя водные круговороты самых разных поряд­ков, которые проходят за несколько часов (в живых организмах) и длятся многие миллионы лет в недрах Земли (геологические). По- видимому, и появление жизни на Земле в значительной степени свя­зано с этим удивительным свойством воды.

Плотность воды, в отличие от других жидкостей, макси­мальна (1,00 г/см³) не при температуре плавления, а при 4 °С, при охлаждении от 4 до 0 °С вода расширяется. Чистый пресный лед при 0°С имеет плотность 0,918 г/см³. Удивительное свойство льда не тонуть в собственном расплаве характерно только для воды. Благо­даря этому свойству воды водоемы замерзают зимой только с по­верхности и образовавшаяся ледяная корка защищает живые орга­низмы от гибели.

«Лик» воды под действием внешних факторов непрерывно меняется. У воды своя жизнь, и она по-своему реагирует на проис­ходящие с ней события. Таким образом, вода собирает, хранит и пе­редает информацию о тех процессах, в которых она участвует.

Движение воды непрерывно и разнообразно по формам и происходят под влиянием разнообразных сил (гравитационных, мо­лекулярных), полей (электрических, магнитных, тепловых и др.), вцдов энергии (солнечной, космической и др.), фазовых переходов и Др. Все это обусловливает существование постоянного водообмена, как внутри земных оболочек, так и между ними.

Состав природных вод исключительно многообразен и из­менчив. Взаимодействуя с окружающей средой, воды обогащаются минеральными и органическими веществами, изотопами, газами,

микроорганизмами. В природе не может быть абсолютно химически чистой воды, т.е. не содержащей в себе ничего, кроме молекул Н₂0. Это вытекает из закона Кларка - Вернадского о повсеместном рас­пространении химических элементов, их рассеянии и концентриро­вании. Состав встречаемых в воде компонентов чрезвычайно разно­образен, а диапазон колебаний их содержания меняется от микродо­лей (на атомарном или молекулярном уровне) до многих сотен граммов на литр. Химический состав воды отражает их генезис, воз­раст и степень взаимодействия с окружающей средой.

Структура воды. Тридцатые годы XX в. принесли новое крупное открытие, связанное с изучением воды: английские физики Дж. Бернал и Р. Фаулер на основании рентгенографических и спек­троскопических исследований установили, что молекулы воды оп­ределенным образом упорядочены, и что каждая молекула воды ок­ружена по тетраэдру четырьмя другими. Тем самым была подтвер­ждена высказанная в конце XVIII в. В. Рентгеном мысль о сложном строении жидкой воды и существовании между отдельными моле­кулами дополнительных связей. Это явление ученые называют структурой воды, хотя понятно, что полностью отождествлять его с кристаллической решеткой твердых веществ нельзя, так как жидкая вода является смесью мономерных и полимерных молекул, причем связи между отдельными мономерами динамичны: они постоянно появляются, разрушаются, усиливаются, ослабевают.

Главной причиной существования структуры воды является особый тип связи между отдельными атомами. Эта связь, называе­мая водородной, имеет электростатическую природу, но она слабее нормальной валентной связи между атомами водорода и кислорода, образующими отдельные мономеры. В каждом мономере Н₂0 рас­стояние между атомами водорода и кислорода составляет 0,1 нм, а угол, образуемый между валентными связями, около 105°. В водо­родной связи расстояние между атомами увеличивается до 0,176 нм, причем оно не является строго постоянным.

Предложено несколько моделей структуры воды, основан­ных на идее соединения отдельных мономеров водородной связью. Дж. Бернал и Р. Фаулер предположили существование трех типов расположения молекул: а) структуры, приближающиеся к кристал­

лической решетке льда, существующие при температуре от 0 до 4 °С; б) структуры типа кварца, преобладающие при температуре 4-200 °С; в) структуры с плотной упаковкой, характерной для нор­мальных жидкостей (почти лишенные водородных связей), возни­кающие при температуре выше 200 °С.*

Интересный подход к интерпретации структурных особенно­стей воды предложил итальянский физик М. Анджено (1967). Соглас­но его представлениям, каждая молекула воды может участвовать не более чем в двух, но так называемых коллективных, водородных свя­зях, в результате чего сочетание валентных и водородных связей об­разует звенья разных типов (рис.2). Эти звенья могут формировать цепочки, кольца и более сложные системы, непрерывно образующие­ся, разрушающиеся, обменивающиеся молекулами. При этом общее число водородных мостиков в системе остается постоянным, и воз­можные типы агрегатов присутствуют в воде в разных пропорциях в статическом равновесии, определяемом температурой. Кольца из шести молекул, видимо, приближаются к структуре льда.

С позиций структурного строения жидкой воды объясняются все ее аномальные свойства. Необходимость разрушения водород­ных связей предопределяет высокую энергоемкость воды, в резуль­тате чего аномально высокими становятся точки плавления и кипе­ния, теплоемкость и скрытая теплота плавления и парообразования. При охлаждении воды в интервале температур от 4 до 0 °С структу­ра молекулы меняется переходя от более плотной тетрагональной к

гексагональной упаковке льда. Прочная связь между молекулами воды делает ее инертной по отношению к растворенным веществам. Поскольку структура воды формируется электростатическими свя­зями, на нее воздействуют различные поля (температурное, геоди- намическое, магнитное, электрическое).

С повышением температуры структура воды начинает раз­рушаться. Оценки разных авторов, подсчитывающих долю молекул с сохранившимися водородными связями, близки: в холодной воде структурировано около половины молекул, по достижении темпера­туры 100 °С структурные связи сохраняются примерно у 30 % моле­кул, а при приближении к критической температуре (374 °С) струк­турированные молекулы исчезают.

При приложении давления молекулы жидкостей сближаются и их вязкость повышается. Совсем по-иному ведет себя вода. Пер­вые ступени нагрузок приводят к перестройке структуры воды, за­полнению межмолекулярных пустот, сопровождающемуся умень­шением ее вязкости, и только начиная с давлений около 100 МПа (достаточно высоких для природных условий), вязкость постепенно повышается.

Влияние температуры и давления на изменение структуры воды навели специалистов на мысль о возможности имитации свойств воды, находящейся на больших глубинах (т.е. при высоких температуре и давлении), и привели к открытию так называемой ак­тивированной воды. После обработки воды в автоклавах при темпе­ратуре 300-400 °С и давлении до 100 МПа усиливается растворяю­щая способность воды по многим минералам, уменьшается pH, уве­личивается электропроводность. Обнаружение активированного со­стояния у воды термальных минеральных источников наводит мысль о том, что целебные свойства некоторых типов минеральных вод могут быть связаны не только с их химическим составом, но и с повышением биологической активности воды при ее активации. От­крытие явления активации не только позволяет объяснить некото­рые свойства гидротермальных растворов, но и открывает перспек­тивы искусственного приготовления минеральных вод.

При помещении воды в электрическое поле могут произой­ти определенные изменения ее структуры. Так, электрический ток

ослабляет структурные связи, и после обработки воды переменным электрическим током, скорость испарения увеличивается по имеющимся немногочисленным данным на 11-18%. Замечено влияние электрических полей на интенсивность поглощения водой световых лучей.

Положительное воздействие на человеческий организм воды, побывавшей в магнитном поле, было замечено еще в средние века. В 1945 г. бельгийский инженер Т. Вермайерн запатентовал простой способ уменьшения интенсивности образования накипи в паровых котлах с помощью предварительной магнитной обработки воды. В настоящее время этот метод борьбы с накипью находит очень широ­кое применение. Достаточно сослаться на опыт многих ТЭЦ (Рос­товская, Астраханская и др.), ГРЭС (Симферопольская, Саратов­ская), заводов, шахт и других предприятий.

При замачивании семян многих сельскохозяйственных куль­тур, цветов и фруктов омагниченной водой резко возрастает их всхожесть. В настоящее время отечественная промышленность вы- рускает специальные устройства для омагничивания воды, рекомен­дуемые сельскохозяйственным предприятиям и садоводам.

Структурные свойства воды и существование нескольких изотопов кислорода и водорода являются причиной того, что вода может образовывать несколько физико-химических разновидностей.

Вода-II. В начале 60-х гг. XX в. Н.Н. Федякин обнаружил чрезвычайно интересное явление: при конденсации паров воды в тонких (диаметром 5-20 мкм) кварцевых капиллярах образуется жидкость, которая по физическим свойствам значительно отличает­ся от обычной воды. Позднее эта жидкость, названная вода-П, изу­чалась крупными российскими и зарубежными исследователями, в частности большим коллективом ученых во главе с Б.В. Дерягиным. Было обнаружено, что вода-II представляет собой вязкую жидкость с плотностью около 1 г/см³ и показателем преломления 1,49 (против 1,33 для обычной воды). Эта жидкость переходит в твердое состоя­ние при охлаждении до минус 35-40 °С без скачка объема. Темпера- ■*Ура кипения воды-П при атмосферном давлении примерно 25 °С. Вода-II обладает уникальным инфракрасным спектром поглощения, не отвечающим ни одному из известных веществ. Модифицирован­

ное состояние полученного вещества устойчиво и сохраняется при перегонке (эта процедура была использована для укрупнения пор­ций воды-П). Было доказано, что вновь полученное вещество строго отвечает формуле Н2О; кварц, видимо, выполняет роль катализатора при синтезе воды-П.

Исследование воды-П привело Б.В. Дерягина и его сотруд­ников к выводу о возможности существования особого типа проч­ной молекулярной связи между водородом и кислородом, форми­рующей полимеры, состоящие из шести-десяти мономерных моле­кул Н₂0. Пока трудно определить роль воды-П в природных систе­мах, но ясно, что ее исследование сулит определенные перспективы в изучении глубинных геологических процессов.

Тяжелая вода. В настоящее время известно три изотопа во­дорода: *Н - протий, ²Н - дейтерий (D) и ³Н - тритий (Т) и три изо­топа кислорода: ¹⁶0, ^пО и ^|80. Это означает, что может существо­вать значительное количество разновидностей воды с разными изо­топными комбинациями. Наиболее устойчивой из них является так называемая тяжелая вода D₂0, содержащаяся в виде примеси в обычной воде в сотых долях процента. Тяжелая вода существенно отличается от обычной: максимальная плотность отмечается при

2. °С и составляет 1,056 г/см³; вязкость на 20 % выше, а диэлек­трическая постоянная на 0,3-0,5 % ниже, чем у обычной воды. Тем­пература плавления тяжелой воды 3,8 °С; температура кипения

4. °С. Судя по приведенным данным и ряду других, дейтериевая связь является еще более прочной, чем водородная. Тяжелая вода используется как замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Тя­желая вода токсична, живые существа и растения в ней погибают. Некоторые ученые связывают эволюцию жизни на нашей планете с изменениями концентрации дейтерия в воде: в частности более низ­кой, чем современная, концентрацией дейтерия в воде объясняют существование гигантских травоядных в мезозое. Впрочем, положе­ния эти носят спорный характер.

Приведенные здесь лишь два примера разновидностей воды, предопределяемых ее сложной структурой и изотопией, показыва­ют, насколько неисчерпаемы перспективы новых открытий при изу­чении такого удивительного вещества, как вода.