Самое необычное вещество на Земле

Вода - самое необычное вещество в миреДа, речь в этой статье пойдет о обычной воде. Впрочем, то, что мы с детства привыкли к воде, вовсе не означает, что она обычна! Знаменитый научно-популярный фильм «Великая тайна воды» просмотрели миллионы людей. Это о чем-то да говорит. Но даже посмотрев этот фильм, ни зрители, ни многие ученые вовсе не могут сказать, что они знают о воде все. Вода по-прежнему остается самым необычным и малопонятным веществом в мире. Чтоб немного приподнять завесу тайны, мы предлагаем вам избранные места из книги академика И.В. Петрянова-Соколова, который долгие годы занимался изучением воды.

Всё ли нам известно о воде?

Относительно недавно, в 30-х годах 20-го века, химики были уверены, что состав воды им известен. Но однажды один из них измерил плотность остатка воды после электролиза и был крайне удивлен: плотность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной. Но в науке мелочей нет и даже такая ничтожная разница требовала объяснения. В результате учёные открыли много новых больших тайн природы. Они узнали, что вода очень сложна.

Так например были открыты новые изотопные формы воды: из обычной получена тяжёлая вода, без которой невозможна сегодняшняя атомная энергетика: при термоядерной реакции дейтерий, выделенный из литра воды, даст столько же энергии, как 120 кг угля!

Бывает ли «обыкновенная вода»?

Оказывается — нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она везде разная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различна. Состав зависит от истории воды — от того, что с ней происходило в бесконечном круговороте ее в природе. Так при испарении вода обогащается протием, и вода дождя поэтому отлична от воды озера. Вода реки не похожа на морскую воду. В закрытых озерах вода содержит больше дейтерия, чем вода горных ручьев. В каждом источнике свой изотопный состав воды. Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился: в нем уменьшилось содержание тяжёлого водорода, но повысилось количество тяжелого кислорода. Вода из тающего льда тоже другая и отличается от воды, из которой лед был получен.

Что значит «легкая вода»?

Молекула обычной водыЭто та самая вода, формулу которой мы знаем со школы — H2O. Но оказывается, такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили учёные. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды в качестве эталона. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений.

Что такое «тяжелая вода»?

И такой воды в природе нет. Строго нужно было бы называть тяжелой воду, состоящую только из одних тяжелых изотопов водорода и кислорода, D2O, но такой воды нет пока даже и в лабораториях ученых. Разумеется, если эта вода понадобится в науке или технике, то ученые сумеют найти способ ее получить: и дейтерия, и тяжёлого кислорода в природной воде сколько угодно.

В науке и ядерной технике принято для простоты называть тяжелой водой тяжеловодородную воду. То есть она содержит только дейтерий вместо обычного, легкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Ещё совсем недавно никто в мире и не подозревал, что такая вода существует, а теперь во многих странах мира работают гигантские заводы, перерабатывающие миллионы тонн воды, чтобы извлечь из нее дейтерий и получить чистую тяжелую воду.

сколько вод содержится в воде?

В воде, которая льется из водопроводного крана и имеет речное происхождение, тяжёлой воды около 150 г на тонну, а тяжелокислородной, содержащей «тяжелый» изотоп кислорода и обычный водород — почти 1,8 кг на тонну воды. Ну а если взять воду из Тихого океана, то в ней тяжелой воды содержится почти 165 г на тонну. Мелочь, но все же…

Сколько какой воды содержится во льдуВ тонне льда одного из крупных ледников Кавказа тяжелой воды на 7 г больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной воды столько же. Но зато в воде ручейков, бегущих по этому леднику, тяжеловодородной воды оказалось меньше на 7 г, а тяжелокислородной — на 23 г больше, чем в речной.

Тритиевая вода T2O выпадает на землю вместе с осадками, но еу очень мало — всего лишь 1 г на миллион миллионов тонн дождевой воды. В океанской воде ее еще меньше.

Строго говоря, вода всегда и всюду разная. Даже в снеге, выпадающем в разные дни, разный изотопный состав. Конечно, отличие невелико, всего 1–2 г на тонну. Только, пожалуй, очень трудно сказать — мало это или много.

В чем различие между легкой природной и тяжелой водой?

Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому он задан. Простой человек не сомневается, что с водой он знаком хорошо. Если любому из нас показать три стакана с обычной, тяжелой и легкой водой, то каждый даст совершенно четкий ответ: во всех сосудах простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцветна. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти между ними никакой разницы. Химик на этот вопрос ответит почти так же: между ними нет почти никакой разницы. Все их химические свойства почти неразличимы: в каждой из этих вод натрий будет одинаково выделять водород, каждая из них при электролизе будет одинаково разлагаться, все их химические свойства будут почти совпадать. Оно и понятно: ведь химический состав у них одинаков — это вода.

Обычный человек, физик и химик имеют разные представления о водеФизик не согласится. Он укажет на заметную разницу в их физических свойствах: и кипят и замерзают они при различных температурах, плотность у них разная, упругость их пара тоже немного отличается. И при электролизе они разлагаются с разной скоростью. Легкая вода быстрее, а тяжелая — помедленнее. Разница в скоростях ничтожна, но остаток воды в электролизере оказывается немного обогащенным тяжелой водой. Так, собственно, она и была открыта. Изменения в изотопном составе мало влияют на физические свойства вещества. Те из них, которые зависят от массы молекул, меняются заметнее, например скорости диффузии молекул пара.

Биологам, пожалуй, еще нужно будет над вопросом о различии между водой с разным изотопным составом поработать. Ведь различия влияния этих видов воды на живые организмы и вовсе мало изучены. Так например совсем недавно все считали, что в тяжелой воде живые существа не могут жить. Ее даже мертвой водой называли. Но затем оказалось, что если медленно и и постепенно заменять протий в воде, где живут некоторые микроорганизмы, на дейтерий, то можно их приучить к тяжелой воде и они будут в ней неплохо жить и развиваться. А вот обычная вода для них станет вредной.

Сколько молекул воды в океане?

Сколько молекул воды в океане

Одна. И это не шутка. Конечно, каждый может, посмотрев в справочник и узнав, сколько в Мировом океане воды, легко сосчитать, сколько всего в нем содержится молекул H2O. Но такой ответ будет не совсем верен. Вода — вещество особенное. Благодаря своеобразному строению отдельные молекулы взаимодействуют между собой. Возникает особая химическая связь вследствие того, что каждый из атомов водорода одной молекулы оттягивает к себе электроны атомов кислорода в соседних молекулах. За счет такой водородной связи каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя соседними молекулами.

Как же все-таки построены молекулы воды в воде?

Строение молекул в жидкой воде очень сложно. Когда плавится лед, его решетчатая структура частично сохраняется в образующейся воде. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул — из агрегатов, сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распадается, их размеры становятся меньше.

Взаимное притяжение ведет к тому, что средний размер сложной молекулы воды в жидкой воде значительно превышает размеры одной молекулы воды. Такое необычайное молекулярное строение воды обусловливает ее необычайные физико-химические свойства.

Какова плотность воды?

Своей обычной плотностью вода обязана частичному сохранению структуры льда после таянияПравда, странный вопрос? Ведь еще из школьного курса физики мы помним, что масса одного кубического сантиметра воды равна 1 грамм — ни больше, ни меньше. Но оказывается, не все так просто. Теоретики подсчитали, что если бы вода не сохраняла рыхлую, льдоподобную структуру в жидком состоянии и её молекулы были бы упакованы плотно, то и плотность воды была бы гораздо выше. При 25°C она была бы равна не 1, а 1,8 г/см3. Кстати если кто забыл, то вода — единственное вещество на планете, которое при замерзании имеет меньшую плотность, чем в жидком состоянии. А у «среднестатистической» воды наибольшая плотность наблюдается при 4°С.

При какой температуре вода должна кипеть?

И это мы помним с детства: при ста градусах. Именно температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении и выбрана в качестве одной из опорных точек температурной шкалы, условно обозначенной 100°C. Однако вопрос поставлен иначе: при какой температуре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева.

При какой температуре должна кипеть водаЕсли сравнивать между собой одинаковые по составу химические соединения различных элементов, принадлежащих к одной группе таблицы Менделеева, то можно заметить, что чем меньше атомный номер элемента, тем ниже температура кипения его соединений. Вода по химическому составу может быть названа гидридом кислорода. H2Te, H2Se и H2S — химические аналоги воды. Ученые вычислили расчетную температуру кипения гидрида кислорода по положению его в периодической таблице: вода должна кипеть при –80°C. То есть вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна бы. Температура кипения воды — это самое привычное нам её свойство — оказывается необычайным и удивительным.

А какая температура замерзания воды?

И снова мы помним, что вода замерзает при нуле градусов. Это вторая опорная точка термометра. Самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить: при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей химической природой? Оказывается, гидрид кислорода на основании его положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля!

Из того, что температура плавления и кипения гидрида кислорода — его аномальные свойства, следует, что в условиях нашей Земли жидкое и твёрдое состояния его также аномальны. Нормальным должно было бы быть только газообразное состояние воды.

Может ли вода помнить?

Влияет ли предыдущая история воды на ее физико-химические свойства и возможно ли, исследуя свойства воды, узнать, что происходило с ней ранее, — заставить саму воду „вспомнить“ и рассказать нам об этом? Да, возможно. Проще всего это можно понять на простом, но очень интересном примере — на памяти льда.

Лед — это ведь вода. Когда вода испаряется — меняется изотопный состав воды и пара. Легкая вода испаряется хотя и в ничтожной степени, но быстрее тяжелой. При испарении природной воды состав изменяется по изотопному содержанию не только дейтерия, но и тяжелого кислорода. Эти изменения изотопного состава пара очень хорошо изучены, и так же хорошо исследована их зависимость от температуры.

Несколько десятков лет назад ученые поставили опыт. В Арктике, в толще огромного ледника на севере Гренландии, была заложена буровая скважина и высверлен и извлечен гигантский ледяной керн длиной почти полтора километра. На нем отчетливо различались годичные слои нараставшего льда. По всей длине керна эти слои были подвергнуты изотопному анализу, и по относительному содержанию тяжелых изотопов водорода и кислорода — дейтерия и тяжелого кислорода были определены температуры образования годичных слоев льда на каждом участке керна. Дата образования годичного слоя определялась прямым отсчетом. Таким образом была восстановлена климатическая обстановка на Земле на протяжении тысячелетия. Вода все это сумела запомнить и записать в глубинных слоях гренландского ледника.

Вода сохраняет память о прошедших эпохах не хуже летописиТак в результате изучения изотопных анализов слоев льда была построена учеными кривая изменения климата на Земле. Оказалось, средняя температура у нас подвержена вековым колебаниям. Было очень холодно в XV веке, в конце XVII века и в начале XIX. Самые жаркие годы были 1550 и 1930. То, что сохранила в памяти вода, полностью совпало с записями в исторических хрониках. Обнаруженная по изотопному составу льда периодичность изменения климата позволяет предсказывать среднюю температуру в будущем на нашей планете.

в чем же Тогда состоит загадка «памяти» воды?

Дело в том, что за последние десятилетия в науке постепенно накопилось много поразительных и совершенно непонятных фактов. Одни из них установлены твердо, другие требуют количественного надежного подтверждения, и все они еще ждут своего объяснения.

Например, пока никто не знает, что происходит с водой, протекающей сквозь сильное магнитное поле. Физики-теоретики доказывают, что ничего с ней при этом происходить не может, согласно расчетов, из которых следует, что после прекращения действия магнитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была.

Обычная и намагниченная вода образуют совершенно разные отложения солей на трубахА вот опыт показывает, что вода изменяется и становится другой. Из обычной воды в паровом котле растворённые соли, выделяясь, отлагаются плотным и твёрдым, как камень, слоем на стенках котельных труб, а из намагниченной воды выпадают в виде рыхлого осадка, взвешенного в воде. Вроде разница невелика. Но это зависит от точки зрения. По мнению работников тепловых электростанций, эта разница исключительно важна, так как намагниченная вода обеспечивает нормальную и бесперебойную работу гигантских электростанций: не зарастают стенки труб паровых котлов, выше теплопередача, больше выработка электроэнергии. На многих тепловых станциях давно установлена магнитная подготовка воды, а как и почему она работает, не знают ни инженеры, ни учёные.

Кроме того, на опыте подмечено, что после магнитной обработки воды в ней ускоряются процессы кристаллизации, растворения, адсорбции, изменяется смачивание… Правда, во всех случаях эффекты невелики и трудно воспроизводимы. Но каким образом в науке можно оценить, что такое мало и что — много? Кто возьмётся это сделать? Действие магнитного поля на воду (обязательно быстротекущую) длится малые доли секунды, а «помнит“ вода об этом десятки часов. Почему — неизвестно. В этом вопросе практика далеко опередила теоретическую науку. Ведь даже неизвестно, на что именно действует магнитная обработка — на воду или на содержащиеся в ней примеси. Чистой-то воды ведь не бывает.

«Память“ воды не ограничивается только сохранением последствий магнитного воздействия. В науке существуют и постепенно накапливаются многие факты и наблюдения, показывающие, что вода «помнит“ и о том, что она раньше была заморожена. Талая вода, недавно получившаяся при таянии куска льда, отличается от той воды, из которой этот кусок льда образовался. В талой воде быстрее и лучше прорастают семена, быстрее развиваются ростки; даже как будто бы быстрее растут и развиваются цыплята, которые получают талую воду. Кроме удивительных свойств талой воды, установленных биологами, известны и чисто физико-химические отличия. Вязкость талой воды принимает своё обычное для воды значение только через 3–6 суток после плавления. Почему это так пока никто не знает. Большинство исследователей называют эту область явлений «структурной памятью“ воды, считая, что все эти странные проявления влияния предыдущей истории воды на ее свойства объясняются изменением тонкой структуры ее молекулярного состояния.

Знает ли вода, что происходит в космосе?

Этот вопрос затрагивает область столь необыкновенных, столь таинственных, до сих пор совершенно непонятных, наблюдений, что они вполне оправдывают образную формулировку вопроса. Экспериментальные факты установлены точно, но объяснения для них пока еще не найдено.

Имеет ли вода связь с КосмосомПоразительная загадка, к которой относится вопрос, была установлена не сразу. Она относится к малозаметному и как будто бы пустяковому явлению, не имеющему серьезного значения. Это явление связано с самыми тонкими и пока непонятными свойствами воды, трудно доступными количественному определению, — со скоростью химических реакций в водных растворах и главным образом со скоростью образования и выпадения в осадок труднорастворимых продуктов реакции.

Так вот, у одной и той же реакции, проводимой в одних и тех же условиях, время появления первых следов осадка непостоянно. Хотя этот факт был давным-давно известен, химики на него внимания не обращали, удовлетворяясь, как это еще часто бывает, объяснением «случайными причинами». Но постепенно, по мере развития теории скоростей реакции и усовершенствования методики исследования, этот странный факт стал вызывать недоумение.

Несмотря на самые тщательные предосторожности в проведении опыта в совершенно постоянных условиях, результат все равно не воспроизводится: то осадок выпадает сразу, то приходится довольно долго ждать его появления. Казалось бы, не все ли равно — выпадает осадок в пробирке за одну, две или через двадцать секунд? Какое это может иметь значение? Но в науке, как и в природе, нет ничего не имеющего значения.

Странная невоспроизводимость все более и более занимала ученых. И наконец был организован и осуществлен совершенно небывалый эксперимент. Сотни добровольных исследователей-химиков во всех частях Земли по единой, заранее разработанной программе одновременно, в один и тот же момент по мировому времени снова и снова повторяли один и тот же простой опыт: определяли скорость появления первых следов осадка, образующейся в результате реакции в водном растворе. Опыт продолжался почти пятнадцать лет, было проведено более трехсот тысяч повторений.

За 15 лет исследований были накоплены данные более 300 тысяч опытовПостепенно стала вырисовываться удивительная картина, необъяснимая и загадочная. Оказалось, что свойства воды, определяющие протекание в водной среде химической реакции, зависят от времени. Сегодня реакция протекает совсем иначе, чем в тот же момент она шла вчера, и завтра она будет идти снова по-другому. Различия были невелики, но они существовали и требовали внимания, исследования и научного объяснения.

Результаты статистической обработки материалов этих наблюдений привели ученых к поразительному выводу: оказалось, что зависимость скорости реакции от времени для разных частей земного шара совершенно одинаковая. Это означает, что существуют какие-то таинственные условия, изменяющиеся одновременно на всей нашей планете и влияющие на свойства воды.

Дальнейшая обработка материалов привела ученых к ещё более неожиданному следствию. Оказалось, что события, протекающие на Солнце, каким-то образом отражаются на воде. Характер реакции в воде следует ритму солнечной активности — появления пятен и вспышек на Солнце. Но и это еще не все: было обнаружено и более невероятное явление. Вода каким-то необъяснимым путем отзывается на то, что происходит в Космосе. Была установлена четкая зависимость от изменения относительной скорости Земли в ее движении в космическом пространстве.

Таинственная связь воды и событий, происходящих во Вселенной, пока необъяснима. А какое значение может иметь связь между водой и Космосом? Оцениить это пока трудно, но… В нашем теле около 75% воды; на нашей планете нет жизни без воды; в каждом живом организме, в каждой его клеточке протекают бесчисленные химические реакции. Если на примере простой и грубой реакции подмечено влияние событий в Космосе, то пока даже и представить себе нельзя, как велико может быть значение этого влияния на глобальные процессы развития жизни на Земле. Наверное, будет очень важной и интересной наука будущего — космобиология. Одним из ее главных разделов станет изучение поведения и свойств воды в живом организме.

Все ли свойства воды понятны ученым?

Разумеется нет! Вода — загадочное вещество. До сих пор ученые не могут еще понять и объяснить очень многие ее свойства. И хотя пристально изучается она уже многие десятки лет, но откроет ли когда-нибудь все свои тайны человеку — об этом мы не можем даже предполагать.


Автор:академик И. В. Петрянов-Соколов
Источник: сайт «Химия и жизнь — XXI век» (wsyakayawsyachina.narod.ru)

Добавить комментарий