Вода в нашей жизни – самое распространенное и самое обычное вещество. Человеческий организм состоит из воды на 70%, и окружающая нас природная среда тоже содержит 70% воды.
Из школьных учебников мы знаем, что молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, т.е. одна из самых маленьких и самых легких молекул. При всей обыденности и очевидности для нас тех свойств воды, которые мы постоянно используем, существуют парадоксы жидкой воды, определяющие даже формы жизни на Земле.
Жидкая вода имеет плотность большую, чем плотность льда. Поэтому при замерзании объем льда увеличивается, лед плавает на поверхности воды.
Плотность воды максимальна при 4 о С, а не в точке плавления, уменьшается и справа, и слева от этой температуры.
Вязкость воды уменьшается с повышением давления.
Температура кипения воды находится вне общей зависимости температуры кипения от молекулярной массы веществ (рис.1.1). Иначе она должна быть не выше 60 о С.
Теплоемкость воды как минимум вдвое выше, чем у любой другой жидкости.
Теплота парообразования (~ 2250 кдж/кг) как минимум втрое выше, чем у любой другой жидкости, в 8 раз больше, чем у этанола.
Рассмотрим это последнее свойство воды. Теплота испарения – это энергия, необходимая для разрыва связей между молекулами при переходе их из конденсированной фазы в газообразную. Значит, причина всех парадоксальных свойств – в природе межмолекулярных связей воды, а это, в свою очередь, определяется структурой молекулы воды.
Рис.1.1. Область соотношений молекулярной массы различных соединений и их температуры кипения.
Какая же она – молекула воды?
В 1780г. Лавуазье экспериментально установил, что вода состоит из кислорода и водорода, что два объема водорода взаимодействуют с одним объемом кислорода и что отношение масс водорода и кислорода в воде составляет 2:16. К 1840 году стало ясно, что молекулярная формула воды Н 2 О.
Три ядра в молекуле образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами в основании (рис.1.2). Электронная формула молекулы воды [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].
Рис.1.2. Образование системы связывающих м.о. из 2р-орбиталей атома кислорода и 1 s -орбиталей атома кислорода и 1 s -орбитали атомов водорода.
За счет участия двух электронов водорода 1sв связи с двумя электронами 2р кислорода возникаетspгибридизация и образуются гибридныеsp 3 орбитали с характерным углом между ними в 104,5 о, а также два полюса противоположных зарядов. Длина связи О-Н равна 0,95Å (0,095 нм), расстояние между протонами – 1,54Å (0,154 нм). На рис.1.3 представлена электронная модель молекулы воды.
Рис.1.3. Электронная модель молекулы Н 2 О.
Восемь электронов попарно вращаются по четырем орбиталям, расположенным в трех плоскостях (углы 90 о ), вписывающихся в куб. 1, 2 – неподеленные пары электронов.
Самое главное следствие из этого рассмотрения: несимметричность распределения зарядов превращает молекулу Н 2 О в диполь: на двух положительных концах размещены протоны, на двух отрицательных – неподеленные пары р-электронов кислорода.
Таким образом, молекулу воды можно рассматривать как треугольную пирамиду – тетраэдр, по углам которого размещены четыре заряда – два положительных и два отрицательных.
Эти заряды формируют свое ближайшее окружение, разворачивая соседние молекулы воды строго определенным образом – так, что между двумя атомами кислорода всегда находится только один атом водорода. Проще всего такую межмолекулярную структуру представить и изучать на воде в твердом состоянии. На рис.1.4 представлена структура льда.
Рис. 1.4. Гексагональная структура льда
Структура скреплена с помощью связей О-Н…О. Такое соединение двух атомов кислорода соседних молекул воды при посредничестве одного водородного атома называется водородной связью.
Водородная связь возникает по следующим причинам:
1 – у протона всего один электрон, поэтому электронное отталкивание двух атомов минимально. Протон просто погружается в электронную оболочку соседнего атома, сокращая расстояние между атомами на 20-30% (до 1 Å);
2 – соседний атом должен иметь большую величину электроотрицательности. В условных величинах (по Полингу) электроотрицательность F– 4,0; О – 3,5;N– 3,0;Cl– 3,0;C– 2,5;S– 2,5.
Молекула воды может иметь четыре водородные связи, в двух она выступает как донор электрона, в двух – как акцептор электрона. И связи эти могут возникать как с соседними молекулами воды, так и с другими веществами.
Итак, дипольный момент, угол Н-О-Н и водородная связь О-Н…О определяют уникальные свойства воды и играют главную роль в формировании окружающего нас мира.
Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность ее также увеличивается. При 4°С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.
Если бы при понижении температуры и при переходе из жид кого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладает аномально высокой теплоемкостью , Поэтому.в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулято ром температуры на земном шаре.
В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть. лед и жидкая вода находятся в равновесии при О°С. При увеличе нии давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сме стится в сторону образования той фазы, которая при той же темпе ратуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что тем пература плавления льда снижается.
Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние ме жду ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.
Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии -aea?eaecaoee. Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электро ны, образующие связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса.
Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.
В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы уча ствует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме, в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры льда изображена на рисунке. Образование водо родных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноимен ными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной - из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, раз меры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, раз меры которых несколько превышают размеры молекулы.
При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жид кой воде сохраняются водородные связи между молекулами: обра зуются ассоциаты - как бы обломки структуры льда, - состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличит от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: по стоянно происходит разрушение одних и образование других агре гатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды ста новится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.
По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.
При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.
Кристаллическая структура льда: молекулы воды соединены в правильные шестиугольники Кристаллическая решётка льда: Молекулы воды H 2 O (чёрные шарики) в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх соседок. Молекула воды (в центре) связана с четырьмя ближайшими соседними молекулами водородными связями. Лёд – кристаллическая модификация воды. По последним данным лёд имеет 14 структурных модификаций. Среди них есть и кристаллические (их большинство) и аморфные модификации, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии, образуются в условиях экзотических при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда. Самое необычное свойство льда это удивительное многообразие внешних проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может выглядеть совершенно по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев пушистого снега, плотной блестящей корки льда или гигантских ледниковых масс.
Снежинка это монокристалл льда – разновидность гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. Над тайной их красоты и бесконечного разнообразия не одно столетие бьются учёные. Жизнь снежинки начинается с того, что в облаке водяного пара при понижении температуры образуются кристаллические зародыши льда. Центром кристаллизации могут быть пылинки, любые твердые частицы или даже ионы, но в любом случае эти льдинки размером меньше десятой доли миллиметра уже имеют гексагональную кристаллическую решетку Водяной пар, конденсируясь на поверхности этих зародышей, образует сначала крошечную гексагональную призму, из шести углов которой начинаю т расти одинаковые ледяные иголочки боковые отростки, т.к. температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки веточки. Подобные кристаллы называют дендритами, то есть похожими на дерево. Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и концентрацией водяного пара. Ее форма меняется, до последнего подчиняясь законам гексагональной симметрии. Так снежинки становятся разными. До сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых.
Цвет льда зависит от его возраста и может быть использован для оценки его прочности. Океанический лед в первый год своей жизни белый, потому что он насыщен воздушными пузырьками, от стенок которых свет отражается сразу же, не успев поглотиться. Летом поверхность льда тает, теряет прочность, и под тяжестью ложащихся сверху новых слоев пузырьки воздуха сжимаются и исчезают совсем. Свет внутри льда проходит больший путь, чем прежде, и выходит наружу, имея голубовато-зеленый оттенок. Голубой лед старше, плотнее и прочнее белого «пенистого», насыщенного воздухом. Полярные исследователи это знают и выбирают для своих плавучих баз, научных станций и ледовых аэродромов надежные голубые и зеленые льдины. Бывают черные айсберги. Первое сообщение в печати о них появилось в 1773 г. Черный цвет айсбергов вызван деятельностью вулканов - лёд покрыт толстым слоем вулканической пыли, которая не смывается даже морской водой. Лед неодинаково холоден. Есть очень холодный лед, с температурой около минус 60 градусов, это лед некоторых антарктических ледников. Намного теплее лед гренландских ледников. Его температура равна примерно минус 28 градусам. Совсем "теплые льды" (с температурой около 0 градусов) лежат на вершинах Альп и Скандинавских гор.
Плотность воды максимальна при +4 C и равна 1 г/мл, при понижении температуры уменьшается. При кристаллизации воды плотность резко уменьшается, для льда она равна 0,91 г/см 3. Благодаря этому лед легче воды и при замерзании водоёмов лед скапливается сверху, а на дне водоёмов оказывается более плотная вода с температурой 4 ̊ С. Плохая теплопроводность льда и покрывающего его снежного покрова предохраняет водоёмы от замерзания до дна и создаёт тем самым условия для жизни обитателей водоёмов зимой.
Ледники, ледяные покровы, вечная мерзлота, сезонный снежный покров существенно влияют на климат больших регионов и планеты в целом: даже те, кто никогда не видел снега, чувствуют на себе дыхание его масс, скопившихся на полюсах Земли, например, в виде многолетних колебаний уровня Мирового океана. Лед имеет столь большое значение для облика нашей планеты и комфортного обитания на ней живых существ, что ученые отвели для него особую среду криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору. Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме NH4F) во льде крайне низкая. Общие запасы льда на Земле около 30 млн. км 3. Больше всего льда сосредоточено в Антарктиде, где толщина его слоя достигает 4 км.
Чтобы понять, почему снежинки выглядят так красиво, необходимо рассмотреть историю жизни одного снежного кристалла.
Ледяные снежинки в облаке образуются при -15 градусах вследствие перехода водяного пара в твердое состояние. Основой для формирования снежинок являются мелкие частицы пыли или микроскопические льдинки, которые служат ядром для конденсации на них молекулы воды. Ядро кристаллизации - это то, с чего начинается образование снежинок.
Все больше и больше молекул воды присоединяются к растущей снежинке в определенных местах, придавая ей отчетливую форму шестигранника. Разгадка структуры твердой воды кроется в строении ее молекулы, которую можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра - пирамиды с треугольным основанием в которой возможны углы лишь в 60° и 120°. В центре находится кислород, в двух вершинах - по водороду, точнее - протону, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, отчего их называют неподеленными.
Снежинка - это монокристалл льда, вариация на тему гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. В одних условиях ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы - снежинка-столбики, снежинки-иглы. В других условиях шестигранники растут преимущественно в направлениях, перпендикулярных к их оси, и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек.
К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды - в результате образуются снежинки неправильной формы. Распространенное мнение, будто снежинки обязательно имеют вид шестиугольных звездочек, является ошибочным. Формы снежинок оказываются весьма разнообразными.
Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году написал целый трактат «О шестиугольных снежинках». В 1665 году Роберт Гук увидел с помощью микроскопа и опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы. Первую удачную фотографию снежинки под микроскопом сделал в 1885 году американский фермер Уилсон Бентли. Самые знаменитые последователи дела Бентли - это Укихиро Накайя и американский физик Кеннет Либбрехт. Накайя впервые предположил, что величина и форма снежинок зависят от температуры воздуха и содержания в нем влаги, и блистательно подтвердил эту гипотезу экспериментально, выращивая в лаборатории кристаллы льда разной формы. А Либбрехт у себя в Калифорнийском технологическом институте и по сей день целыми днями занят выращиванием снежинок Ученый, совместно с фотографом Патрисией Расмуссен планируют издать книгу, в которую войдут самые фотогеничные снежинки, некоторые из которых можно уже сейчас увидеть на его сайте SnowCrystals.com .
Существует еще одна тайна, присущая строению снежинки. В ней порядок и хаос сосуществуют вместе. В зависимости от условий получения твердое тело должно находиться либо в кристаллическом (когда атомы упорядочены), либо в аморфном (когда атомы образуют случайную сетку) состоянии. Снежинки же имеют гексагональную решетку, в которой атомы кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода расположены хаотично. Однако связь между структурой кристаллической решетки и формой снежинки, которая больше молекулы воды в десять миллионов раз, неочевидна: если бы молекулы воды присоединялись к кристаллу в случайном порядке, форма снежинки получилась бы неправильной. Все дело в ориентации молекул в решетке и расположении свободных водородных связей, которое способствует образованию ровных граней.
Молекулы водяного пара с большей вероятностью заполняют пустоты, нежели пристают к ровным граням, потому что пустоты содержат больше свободных водородных связей. В результате снежинки принимают форму правильных шестиугольных призм с ровными гранями. Такие призмы падают с неба, при сравнительно небольшой влажности воздуха в самых разных температурных условиях.
Рано или поздно на гранях появляются неровности. Каждый бугорок притягивает к себе дополнительные молекулы, и начинает расти. Снежинка долго путешествует по воздуху, при этом шансы встретиться с новыми молекулами воды у выступающего бугорка несколько выше, чем у граней. Так на снежинке очень быстро вырастают лучи. Из каждой грани вырастает один толстый луч, так как молекулы не терпят пустоты. Из бугорков, образующихся на этом луче, вырастают ответвления. Во время путешествия крохотной снежинки все ее грани находятся в одинаковых условиях, что служит предпосылкой для роста одинаковых лучей на всех шести гранях. В идеальных лабораторных условиях, все шесть направлений снежинки растут симметрично и с аналогичными конфигурациями. В атмосфере большая часть снежинок это нерегулярные кристаллы у них лишь некоторые из шести ветвей могут быть симметричны.
В наши дни изучение снежинок превратилось в науку. Еще в 1555 году швейцарским исследователем Мангусом были сделаны зарисовки форм снежинок. В 1955 году русский ученый А. Заморский разделил снежинки на 9 классов и 48 видов. Это - пластинки, иглы, звезды, ежи, столбики, пушинки, запонки, призмы, групповые. Международная комиссия по снегу и льду приняла в 1951 году довольно простую классификацию кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. И еще три вида обледенелых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
В 1932 году физик-ядерщик Укихиро Накайя, профессор Университета в Хоккайдо, занялся выращиванием искусственных снежных кристаллов, что позволило составить первую классификацию снежинок и выявить зависимость величины и формы этих образований от температуры и влажности воздуха. В городе Кага, расположенном на западном берегу острова Хонсю, существует основанный Укихиро Накайя Музей снега и льда, носящий теперь его имя, символично выстроен в виде трех шестиугольников. В музее хранится машина для получения снежинок. Накайа выделил среди снежинок 41 индивидуальный морфологический тип, а метеорологи С. Магано и Сю Ли в 1966 году описали уже 80 типов кристаллов.
При определенных условиях, при отсутствие ветра, падающие снежинки могут сцепляются друг с другом, образуя огромные снежные хлопья. Весной 1944 года в Москве выпали хлопья размером до 10 сантиметров в поперечнике, похожие на кружащиеся блюдца. А в Сибири наблюдались снежные хлопья диаметром до 30 сантиметров. Самая большая снежинка была зафиксирована в 1887 году в американской Монтане. Ее диаметр составил 38 см, а толщина – 20 см. Для этого феномена необходимо полнейшее безветрие, ведь чем дольше снежинки путешествуют, тем больше сталкиваются и сцепляются друг с другом. Поэтому при низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков - «алмазной пыли». Вероятность увидеть крупные снежинки существенно возрастает вблизи водоемов: испарения с озер и водохранилищ – это отличный строительный материал.
Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы - мы называем ее снегом. Снежинка белая, потому что вода очень хорошо поглощает красную и инфракрасную часть светового спектра. Замерзшая вода во многом сохраняет свойства воды жидкой. Солнечный свет, проходя сквозь слой снега или льда, теряет красные и желтые лучи, которые рассеиваются и поглощаются в нем, а насквозь проходит свет голубовато-зеленый, голубой или ярко-синий - в зависимости от того, какой толщины слой был на пути у света.
ФАКТЫ
Снежинки образуют - снежный покров, который отражает в космос до 90% солнечного света.
В одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок, а по всей Земле - 10 в 24 степени.
Вес самой снежинки всего около миллиграмма, редко - 2…3. Тем не менее к концу зимы масса снежного покрова северного полушария планеты достигает 13 500 млрд тонн.
Кстати, сам снег бывает не только белым. В арктических и горных регионах розовый или даже красный снег - обычное явление. Виной тому водоросли, живущие между кристаллов. Но известны случаи, когда снег падал с неба уже окрашенный. Так, на Рождество 1969 года на территории Швеции выпал черный снег. Скорее всего, это впитанная из атмосферы копоть и промышленные загрязнения. В 1955 году около Даны, штат Калифорния, выпал фосфоресцирующий зеленый снег, унесший несколько жизней и причинивший тяжкий вред здоровью жителям, рискнувшим попробовать его на язык. Возникали разные версии этого феномена, даже атомные испытания в штате Невада. Однако, все они были отвергнуты и происхождение зеленого снега осталось тайной.
Свежему снегу в морозный день всегда сопутствует веселый хруст под ногами. Это не что иное, как звук ломающихся кристаллов. А еще снежинки очищают воздух от пыли и гари, поэтому легко дышится во время снегопада.
Кандидат технических наук В. БЕЛЯНИН, ведущий научный сотрудник РНЦ "Курчатовский институт", Е. РОМАНОВА, студентка МАДИ (ГТУ).
Соотношения золотой пропорции исследователи находят в морфологической структуре растений, птиц, животных, человека. Закономерности золотой пропорции обнаруживаются и в организации неживой природы. В данной статье на основании анализа молекулы воды в различных агрегатных состояниях высказана гипотеза, что ее структура в состоянии талой воды практически соответствует треугольнику золотой пропорции.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Теплоемкость воды достигает минимального значения при температуре около 37оС.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Илл. 1. Плотность воды при понижении температуры сначала возрастает, достигает максимума при 4оС и начинает уменьшаться.
Наука и жизнь // Иллюстрации
В момент плавления объем свинца мгновенно увеличивается от 1 до 1,003, а объем воды скачком уменьшается от 1,1 до 1,0.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Вода имеет аномально высокие температуры кипения и замерзания по сравнению с другими трехатомными соединениями водорода.
Наука и жизнь // Иллюстрации
В жидкой воде молекулы H2O могут объединяться в сложные образования - кластеры, по структуре напоминающие лед.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Схематичное изображение молекулы воды на плоскости.
Деление отрезка в крайнем и среднем отношении, или золотая пропорция. Отрезок разделен на две части так, что CB:AC = AC:AB.
"Золотой треугольник". Соотношение его сторон OA:AB = OB:AB ≈ 0,618,
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Таблица 1.
Таблица 2.
Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле.
Леонардо да Винчи
Вода - одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца еще не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название "водород" (Hydrogen - от греч. hydro genes), которое можно истолковать как "порождающий воду".
Дальнейшие исследования показали, что за незатейливой химической формулой Н 2 О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Исследователи, пытавшиеся на протяжении двух с лишним столетий раскрыть секреты воды, часто заходили в тупик. Да и сейчас ученые понимают, что вода остается трудным объектом для исследований, ее свойства до сих пор не всегда до конца прогнозируемы.
Загадочная магия воды. Почему жидкая вода имеет необычные свойства? Традиционный ответ может быть следующим: из-за свойств атомов кислорода и водорода, из-за их структурного расположения в молекуле, из-за определенного поведения электронов в молекуле и т.п.
Так в чем же заключаются загадочные, необычные свойства привычной всем жидкой воды? Прежде всего, в том, что практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами. Кратко упомянем те из них, которые обуславливают существование жизни на Земле.
Вначале о трех особенностях тепловых свойств воды.
Первая особенность: вода - единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум.
Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37 о С, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38 о С (внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные).
Вторая особенность: теплоемкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, - по крайней мере вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло. Подавляющее большинство других веществ таким свойством не обладают. Эта исключительная особенность воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью.
Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии.
Температура других теплокровных млекопитающих (32-39 о С) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.
Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед - растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.
Все три особенности тепловых свойств воды позволяют человеку оптимальным образом существовать в условиях благоприятной среды.
Имеются особенности и в поведении объема воды. Плотность большинства веществ - жидкостей, кристаллов и газов - при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4 о С (точнее, до 3,98 о С) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4 о С, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4 о С (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0 о С.
Замерзание воды сопровождается скачкообразным(!) уменьшением плотности более чем на 8%, тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.
Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле.
Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.
Отметим еще некоторые особенности воды.
Внешне вода подвижна и податлива, и ее можно заключить в любой сосуд. Однако, проникая в трещины горных пород и расширяясь при замерзании, вода раскалывает скальные породы любой твердости, которые постепенно распадаются на все более мелкие частицы. Так начинается возврат окаменевших пород в жизненный цикл: на полях промерзание поверхностных слоев земли с ее органическими компонентами помогает образованию плодородной почвы.
Процесс включения твердых веществ в большой круговорот живой природы ускоряется чудесным свойством воды их растворять. Вода с растворенными компонентами твердых веществ становится средой питания и поставщиком микроэлементов, необходимых для жизни растений, животных и человека.
Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду - она всегда содержит растворенный материал сосуда. Вода абсолютно необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Она содержится в человеческой крови (79%) и способствует переносу по кровеносной системе в растворенном состоянии тысяч необходимых для жизни веществ. Вода содержится в лимфе (96%), которая разносит из кишечника питательные вещества по тканям живого организма (см. таблицу 1).
Перечисленные свойства и особая роль воды в обеспечении жизни на Земле не могут оставить равнодушным ни один пытливый ум, даже если он верит в счастливые случайности. "Начало всего есть вода", - справедливо отмечал Фалес из Милета в VI веке до н.э.
Жидкое чудо . Прекратим перечисление странных, но жизненно необходимых свойств воды, которых можно набрать еще с десяток, и переключим внимание на секреты необычного строения ее молекулы. Именно анализ строения молекулы воды позволяет понять ее исключительность в живой и неживой природе. Так что дорога к истине проходит через строение одиночной молекулы воды.
Прежде всего отметим, что молекула воды самая маленькая среди подобных трехатомных молекул (по отношению к гомологам, то есть водородным соединениям типа Н 2 S, Н 2 Se, Н 2 Те, со свойствами которых традиционно сравнивают свойства воды). Такие молекулы при нормальных условиях образуют газы, а молекулы воды - жидкость. Почему?
Хаотичное сообщество газообразных молекул воды при конденсации, то есть при образовании жидкой фазы, формирует жидкое вещество удивительной сложности. В первую очередь это связано с тем, что молекулы воды обладают уникальным свойством объединяться в кластеры (группы) (Н 2 О)x . Под кластером обычно понимают группу атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение. Возможности прямого наблюдения кластеров ограничены, и поэтому экспериментаторы компенсируют аппаратурные недостатки интуицией и теоретическими построениями.
При комнатной температуре степень ассоциации X для воды составляет, по современным данным, от 3 до 6. Это означает, что формула воды не просто Н 2 О, а среднее между Н 6 О 3 и Н 12 О 6 . Другими словами, вода - сложная жидкость, "составленная" из повторяющихся групп, содержащих от трех до шести одиночных молекул. Вследствие этого вода имеет аномальные значения температуры замерзания и кипения по сравнению с гомологами. Если бы вода подчинялась общим правилам, она должна была замерзать при температуре порядка -100 о С и закипать при температуре около +10 о С.
Если бы вода при испарении оставалась в виде Н 6 О 3 , Н 8 О 4 или Н 12 О 6, то водяной пар был бы намного тяжелее воздуха, в котором доминируют молекулы азота и кислорода. В этом случае поверхность всей Земли была бы покрыта вечным слоем тумана. Представить себе жизнь на такой планете практически невозможно.
Людям крупно повезло: кластеры воды при испарении распадаются, и вода превращается практически в простой газ с химической формулой Н 2 О (обнаруженное в последнее время в паре незначительное количество димеров Н 4 О 2 погоды не делает). Плотность газообразной воды меньше плотности воздуха, и поэтому вода способна насыщать своими молекулами земную атмосферу, создавая комфортные для человека погодные условия.
На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к ее поверхности в виде осадков.
Восхитительная геометрия . Итак, какова же самая маленькая среди трехатомных молекул? Молекула воды имеет симметричную V-образную форму, так как два небольших атома водорода располагаются с одной стороны от сравнительно крупного атома кислорода. Это сильно отличает молекулу воды от линейных молекул, например Н 2 Ве, в которой все атомы располагаются цепочкой. Именно такое странное расположение атомов в молекуле воды и позволяет ей иметь множество необычных свойств.
Если внимательно рассмотреть геометрические параметры молекулы воды, то в ней обнаруживается определенная гармония. Чтобы увидеть ее, построим равнобедренный треугольник Н-О-Н с протонами в основании и кислородом в вершине. Такой треугольник схематично копирует структуру молекулы воды, проекция которой на плоскость условно изображена на рисунке.
Длины сторон этого треугольника и валентный угол между двумя связями О-Н изменяются при изменении агрегатного состояния воды. Приведем эти параметры (см. таблицу 2).
Прокомментируем данные, характеризующие различные состояния воды.
Параметры молекулы воды в парообразном состоянии получены на основе обработки спектров ее поглощения. Результаты неоднократно уточнялись, но по существу правильно оценивают длины связей и валентный угол в молекуле воды в состоянии пара.
Кристаллическая структура льда при нормальном давлении довольно рыхлая с причудливой паутиной связей между молекулами воды. Схематично кристаллическую решетку обычного льда можно построить из атомов кислорода, каждый из которых участвует с соседними атомами в четырех водородных связях, направленных приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.
Напомним, что водородной называется связь между атомами в одной молекуле или между соседними молекулами, которая осуществляется через атом водорода. Водородная связь играет чрезвычайно важную роль в структуре не только воды, но и большинства биологических молекул - углеводов, белков, нуклеиновых кислот и т. п.
Если кристаллический лед хорошо упорядочен по кислороду, то этого нельзя сказать про водород: в расположении ионов водорода (протонов) наблюдается сильный беспорядок. Их положение четко не определено, и поэтому лед можно считать разупорядоченным по водороду.
Лед обладает многими удивительными особенностями, из которых отметим две.
Во-первых, он всегда очень чист химически. В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Вообще говоря, любой растущий кристалл стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса - вода на Земле постоянно очищает сама себя.
Во-вторых, лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью. Благодаря этому солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие этого, наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана.
Экспериментальное определение параметров одиночной молекулы воды в жидкой фазе до сих пор встречает непреодолимые трудности, поскольку жидкая вода - это смесь структурных элементов, то есть различных кластеров, находящихся в динамическом равновесии между собой. Полной ясности в отношении их взаимодействий до сих пор нет, а разделить такую смесь на отдельные компоненты невозможно: "простая" жидкость Н 2 О не торопится раскрывать свои внутренние секреты.
Вернемся к рисунку, на котором в общих чертах представлена структура молекулы воды. В ней есть симметрия, которая играет основную роль в попытках всестороннего объяснения физического мира, и асимметрия, наделяющая эту молекулу возможностью движения и связью с золотой пропорцией. Поэтому кратко напомним о том, что в математике называют золотой пропорцией.
Золотая пропорция . Это понятие возникает при решении геометрической задачи о нахождении на отрезке АВ такой точки С , чтобы выполнялось соотношение СВ :АС = АС :АВ .
Решение этой задачи приводит к отношению СВ :АС = (-1+√5)/2, которое называют золотой пропорцией, а соответствующее геометрическое деление отрезка АВ точкой С называют золотым сечением. Если принять весь отрезок за единицу, то АС = 0,618033… и СВ = 0,381966....
Время показало, что золотая пропорция воплощает совершенные и гармоничные отношения двух величин. В геометрической интерпретации она приводит к соразмерному и привлекательному соотношению между двумя неравными отрезками.
Исследователи золотой пропорции с античных времен до наших дней всегда восхищались и продолжают восхищаться ее свойствами, которые проявляются в строении различных элементов физического и биологического мира. Золотая пропорция обнаруживается везде, где соблюдены принципы гармонии.
Что же объединяет золотую пропорцию с молекулой воды? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим двумерный образ золотой пропорции в виде треугольника.
В золотом треугольнике отношение ОА :АВ = ОВ :АВ приблизительно равно 0,618, угол α = 108,0 о. Для льда отношение длин связей О-Н к Н-Н равно 0,100:0,163 = 0,613 и угол α = 109,5 о, для пара - соответственно 0,631 и 104,5 о. Не распознать в золотом треугольнике прообраз структуры молекулы воды просто невозможно! Удивительно, что до сих пор так мало внимания обращали на возможность подобной интерпретации ее строения.
И действительно, поместив в треугольнике АОВ в точки А и В атомы водорода, а в точку О - атом кислорода, получим в первом приближении молекулу жидкой воды, сконструированную на основе золотой пропорции. Подобная элегантность молекулы очаровывает и восхищает. Так что роль молекулы воды в природе и жизни не может быть правильно оценена без учета красоты ее формы.
Исключительная гармония . Убедимся, что молекула жидкой воды - единственное трехатомное вещество, имеющее соразмерности, свойственные золотой пропорции.
В трехатомных молекулах-гомологах, близких по химическому составу к молекуле воды (Н 2 S, H 2 Se и Н 2 Те), валентный угол приблизительно равен 90 о. Например, молекула Н 2 S имеет следующие геометрические параметры:
длина связи S-Н, нм......................... 0,1345
длина связи Н-Н, нм........................... 0,1938
валентный угол Н-S-Н, град.............. 92,2
Отношение длин связей S-Н к Н-Н равно 0,694, что далеко от золотой пропорции. Квантово-химические расчеты показывают, что если бы вода была подобна родственным ей веществам, то валентный угол у ее молекулы должен был быть приблизительно таким же, как у Н 2 S, или больше максимум на 5 о.
Но вода, как выясняется, не любит подобия, она всегда герой другого романа. Если бы валентный угол у воды был порядка 90-95 о, о золотой пропорции пришлось бы забыть и вода оказалась бы в одном содружестве с другими водородными соединениями.
Но вода уникальна, ее молекула обладает практически выверенными эстетическими качествами, и поэтому ее свойства необходимо иногда интерпретировать, выходя за рамки традиционной научной парадигмы. И тогда некоторые загадки воды смогут быть объяснены таким "ненаучным" понятием, как гармония.
На приведенные рассуждения можно возразить: экспериментальные измерения геометрических параметров молекулы воды имеют определенную погрешность, и поэтому соотношение золотой пропорции может строго не выполняться. Но даже если в экспериментальные измерения внести еще большую погрешность, молекула воды все равно останется единственным из трехатомных веществ, имеющим практически "золотые" гармоничные пропорции.
В связи с этим обратим внимание на загадку талой воды, которая, по широко распространенному мнению, обладает отличным от обычной воды физиологическим воздействием.
Удивительная талая вода . Она рождается при таянии льда и сохраняет температуру 0 о С, пока весь лед не растает. Специфика межмолекулярных взаимодействий, характерная для структуры льда, сохраняется и в талой воде, так как при плавлении кристалла разрушается только 15% всех водородных связей. Поэтому присущая льду связь каждой молекулы воды с четырьмя соседними ("ближний порядок") в значительной степени не нарушается, хотя и наблюдается бoльшая размытость кислородной каркасной решетки.
Таким образом, талая вода отличается от обычной изобилием многомолекулярных кластеров, в которых в течение некоторого времени сохраняются рыхлые льдоподобные структуры. После таяния всего льда температура воды повышается и водородные связи внутри кластеров перестают противостоять возрастающим тепловым колебаниям атомов. Размеры кластеров изменяются, и поэтому начинают меняться свойства талой воды: диэлектрическая проницаемость приходит к своему равновесному состоянию через 15-20 минут, вязкость - через 3-6 суток. Биологическая активность талой воды спадает, по одним данным, приблизительно за 12-16 часов, по другим - за сутки.
Итак, физико-химические свойства талой воды самопроизвольно меняются во времени, приближаясь к свойствам обычной воды: она постепенно как бы "забывает" о том, что еще недавно была льдом.
Лед и пар - различные агрегатные состояния воды, и поэтому логично предположить, что в жидкой промежуточной фазе валентный угол отдельной молекулы воды лежит в диапазоне между значениями в твердой фазе и в паре. В кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5 о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. При нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5 о.
Значит, для обычной жидкой воды валентный угол вполне может иметь некоторое среднее значение между 109,5 и 104,5 о, то есть примерно 107,0 о. Но так как талая вода по своей внутренней структуре близка ко льду, то и валентный угол ее молекулы должен быть ближе к 109,5 о, скорее всего, около 108,0 о.
Сказанное выше можно сформулировать в виде гипотезы: в силу того, что талая вода значительно более структурирована, чем обычная вода, ее молекула с большой долей вероятности имеет структуру, максимально приближенную к гармоничному треугольнику золотой пропорции с валентным углом, близким к 108 о, и с отношением длин связей примерно 0,618-0,619.
Экспериментального подтверждения этой гипотезы у авторов нет, как нет и какой-либо теории ее обоснования. Есть только догадка, высказанная на этих страницах, которая может, естественно, оспариваться.
Таинственная сила талой воды . Человеку с незапамятных времен известны удивительные свойства талой воды. Давно замечено, что вблизи тающих родников растительность альпийских лугов всегда пышнее, а у кромки тающего льда в арктических морях бурно цветет жизнь. Полив талой водой повышает урожайность сельскохозяйственных культур, ускоряет прорастание семян. При употреблении талой воды устойчиво повышаются привесы в животноводстве, ускоряется развитие цыплят. Известно, с какой жадностью животные пьют весной талую воду, а птицы буквально купаются в первых лужицах подтаявшего снега.
Талая вода, в отличие от обычной, по своей структуре очень похожа на жидкость, содержащуюся в клетках растительных и живых организмов. Именно поэтому для человека более подходит "ледяная" структура талой воды, в которой молекулы объединены в ажурные кластеры. Это уникальное свойство талой воды способствует ее легкому усвоению организмом, она биологически активна. Вот почему так полезны овощи и фрукты - они доставляют в организм воду, имеющую аналогичную структуру.
При питье талой воды происходит подпитка организма самым гармоничным из всех веществ на Земле. Она улучшает обмен веществ и усиливает кровообращение, снижает количество холестерина в крови и успокаивает боли в сердце, повышает адаптационные возможности организма и способствует продлению жизни. Глоток чистейшей талой воды тонизирует лучше пастеризованного сока, в ней есть заряд энергии, бодрости и легкости.
Один из авторов этой работы постоянно пьет талую с плавающими льдинками воду и считает, что именно поэтому за три года ни разу не простудился. Талая вода освежает и молодит кожу, которая перестает нуждаться в кремах и лосьонах.
Теоретическое изучение свойств талой воды находится пока на уровне гипотез. Нет общепринятого мнения о причинах, вызывающих необычные эффекты при ее применении. Есть определенные проблемы и с доказательной стороной биологической активности талой воды. Исследования в этом направлении вызывают порой жаркие дискуссии. Сложность проблемы, отсутствие ясности - все это должно не отпугивать, а притягивать и способствовать появлению новых идей, гипотез, теорий. Таков зачастую тернистый путь развития науки.
Подчеркнем: приведенная гипотеза не претендует на расшифровку загадки талой воды. Она лишь позволяет выйти за рамки традиционного мышления и посмотреть на взаимную любовь жизни и воды с необычной стороны - со стороны гармонии и красоты, со стороны особых свойств талой воды, добавляющих ее изящной молекуле черты, которыми не обладают другие молекулы.
ЛИТЕРАТУРА
Ауэрбах Ф. Семь аномалий воды. - СПб., 1919.
Габуда С. П. Связанная вода. Факты и гипотезы. - Новосибирск: Наука, 1982.
Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. - М.: МГУ, 1998.
Синюков В. В. Вода известная и неизвестная. - М.: Знание, 1987.
Белянин В. С., Романова Е. Золотая пропорция. Новый взгляд // Наука и жизнь, 2003, № 6.
Вода: структура, состояние, сольватизация. Достижения последних лет. - М.: Наука, 2003.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Плотность льда почти на 10% меньше, чем у воды, а удельный объем на столько же больше. Поэтому лед плавает, а вода, замерзая в трещинах горных пород, раскалывает их.
