Удивительная вода

Так что особенного в этом веществе. Молекула воды является наиболее распространённым веществом на планете и, встречающимся на ней в жидком, газообразном и твёрдом состоянии. Вода – жидкость без вкуса, запаха и цвета, плотность 1,0 г/ см3. Гидросфера занимает 71% поверхности земного шара. Рождается из элементов, занимающих первое и третье место по распространенности во вселенной, в объёмном соотношении 2:1. Это одна из самых маленьких молекул нам известных. Уже много веков учёные изучают воду. Времени было достаточно, казалось о воде должно было быть всё известно, но не тут то было.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления, в конечном счете, определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 Дебай.

Изо льда состоят огромные горные ледники, им покрыты и некоторые материки. Лёд хранит в себе огромные запасы пресной воды. Лёд твёрдый, а течёт как жидкость. Образуя огромные реки, медленно стекающие с гор. Лёд необычайно прочен и долговечен. Он может десятки тысяч лет хранить в себе скелеты животных, погибших в ледниках. Улавливая солнечное излучение, вода помогает поддерживать температуру на земле в комфортном диапазоне. Мощные морские течения разносят огромные объёмы воды по всей планете, в частности не дают мерзнуть европейцам омывая Европу Гольфстримом. И, наконец, вода обеспечивает жизнедеятельность всех организмов: она переносит питательные вещества, собирает и выводит отходы.

Учёные насчитали 40 аномалий, характерных для воды.

Например, почему при существующих на Земле условиях и давления, вода вообще жидкая? Взглянув на её ближайших родственников, водородные соединения элементов серы и селена. Их точки кипения позволяют ожидать, что вода испаряется уже при 60 градусах по Цельсию. К счастью, для того чтобы выкипеть воде нужна температура на 160 градусов больше. Иначе на Земле не было бы океанов, а была бы голая пустыня.

Почему вязкость воды уменьшается при повышении давления, хотя другие жидкости при повышении давления становятся вязкими, вследствие сокращения расстояния между молекулами. В жидкостном состоянии молекулы воды образуют три с половиной водородных моста со своими соседями. Эти мосты рушатся и восстанавливаются вновь с периодичностью в одну биллионную секунды. Особая клейкость воды оказывается причиной того, что вода остаётся жидкой даже при ста градусах по Цельсию. Химически родственные материалы в этом смысле выносят лишь 25 градусов.

Водородный мост. За счёт своей электрической полярности две молекулы воды могут вступать между собой в особую связь: положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу, образуя водородные мосты. Эта связь в 20 раз слабее той , что соединяет кислород и водород внутри молекулы, но в 60 раз превосходит силу обычного притяжения между молекулами так называемую силу Ван - дер. - Вальса. В структуре водородных мостов главная аномалия воды.

А теперь рассмотрим, в какие вещества превращается вода при разных условиях. От -50 до -100 в этом диапазоне температур и при давлении в 2000 атмосфер проточная вода расслаивается на две структуры разной плотности. 0 по Цельсию точка таяния и замерзания. При замерзании взрывчатость воды резко возрастает на 11%. +4 по Цельсию достигает своей высшей плотности. +100- точка кипения воды при нормальном давлении. На Эвересте, например, из-за слабого давления вода закипает при 70 градусах. И + 374 выше этой точки при давлении в 221 атмосферу стирается грань между жидким и газообразном состоянии воды. Материя принимает тогда некую промежуточную форму. Эта « сверхкритичная вода» используется в частности, как связующее средство при уничтожении высокотоксичных химикатов.

Лёд- вода в твёрдом состоянии. Известно 15 кристаллических модификаций льда и аморфный лёд. В природе существует только одна модификация льда, которая встречается как снег, иней, материковый лёд. Молекулы льда соединены друг с другом так, что каждая связана и окружена четырьмя другими. Это приводит к возникновению очень рыхлой структуры льда. Отсюда и меньшая чем у воды плотность, позволяющая льду плавать на поверхности воды. Это необычное свойство, так как обычно плотность твёрдого вещества обычно больше плотности жидкого. Когда лёд плавиться ,то его рыхлая структура сохраняется частично. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул- агрегатов (решёток), сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распадается, размеры становятся меньше. Однако средний размер молекулы талой воды значительно превышает размеры её обычной молекулы. Такое необычное молекулярное строение воды обуславливает её необычные свойства.

Лёд Ih, дрейфующий в морях и океанах, - один из 15 известных на сегодня кристаллических состояний воды, причём встречающийся на Земле чаще других. Лёд Х под увеличенным давлением в 600000ра давлением земной атмосферы молекулы воды так тесно прилегают друг к другу, что различие между водородными мостами и обычными химическими связями полностью стирается. Лёд Х обладает наибольшей плотностью среди всех известных кристаллических форм воды. (2,51 грамм на кубический сантиметр) Пока сохраняется давление, он остаётся твёрдым даже при температуре в 500 градусов.

В газообразном состоянии молекулы воды освобождаются друг от друга и пускаются в одиночное странствие. Лишь изредка их отдельные элементы соединяются на лету друг с другом. Превращаясь в пар, вода проглатывает огромное количество Энергии- 2258 Дж на грамм (для сравнения в случае с этанолом это 854 Дж на грамм). При конденсации эта энергия снова высвобождается. Именно по этой причине водяным паром можно сильно обжечься.

Чтобы понять причудливый характер воды, полезно познакомиться со строением её частиц и тем, как они соединяются между собой. Оказывается молекула воды напоминает не шарик, а букву «V»: В центре атом кислорода, на концах обеих валентностей - по одному атому водорода.

Но это только половина правды. Над центральным атомом кислорода выступают дополнительно два диффузных облака, в которых носятся отрицательно заряжённые электроны. Специалисты называют их свободными парами электронов.

Таким образом, четыре палочки молекулы образуют четыре угла тетраэдра, то есть пирамиды с треугольным основанием.

Но одна эта архитектура не может объяснить всех особенностей воды. Её своеобразие связано с особой клейкостью частиц воды- с тем, что химики называют водородным мостом. Это соединительный элемент, нормальное, так называемое ковалентное состояние между одной молекулой и обычной слабой силой притяжения Ван - дер. – Вальса. Водородный мост функционирует следующим образом: кислород тянет на себя электроны, которые он делит с атомами водорода, подобно тому, как натягивает на себя одеяло ребёнок, спящий в родительской кровати. При этом водород заряжается положительно, а кислород отрицательно. Так как противоположные заряды притягиваются друг к другу, атомы водорода одной молекулы прикрепляются к свободным парам электронов соседней частицы.

Молекулы воды остаются на своих местах только в замороженном состоянии. В жидкой форме они движутся хаотично, соединяясь и разъединяясь друг с другом

По этому принципу в капле воды мириады частиц образуют бесконечную сеть из тетраэдров. Водородные мосты организуют порядок. При этом они гибки и податливы. Это обеспечивает вариативность воды. И почему эта субстанция аккумулирует столько тепла: огромное количество энергии попадает на водородные мосты и разрушает их. При охлаждении соединения снова восстанавливаются.

Необыкновенная лёгкость льда связана с тем, что водородные мосты сплетают молекулы в кристалле в объёмные сети, так что между частицами остаётся много места. При таянии регулярная сеть частично разрывается, промежутки соединяются. Превращаясь в жидкость, вода становится плотнее.

Объяснение ненормальной вязкости- уменьшения плотности при росте давления- учёные нашли, когда пристально рассмотрели сеть водородных мостов компьютерной модели.

Было установлено, что молекулы воды, у которых четыре соседа, то есть ненарушенное тетраэдрное окружение, двигающийся чрезвычайно медленно, так как их связи очень прочны. Давление сжимает молекулы и придвигает пятого соседа. Может возникнуть вилка водородного моста, который будет, перекинут к новому соседу. Кроме того, понижается тормозной порог в освобождении от старых партнёров и поиске новых. Присутствие пятого соседа делает молекулу воды более подвижной, а жидкость менее вязкой.

Мы привыкли к детальным фотографиям микромира. Но почему такие снимки нельзя получить для обыкновенной воды? Потому что в жидкостном состоянии она необыкновенно динамична, отдельные молекулы подвижны, как ртуть, и стремительно меняют свои мосты к соседям. А ещё лёгкие атомы водорода очень трудно сфотографировать.

В результате многомесячных подсчётов суперкомпьютеру удалась симуляция того, как при замерзании из хаоса образуется порядок. Поначалу частицы воды носятся друг за другом как ошпаренные. Затем возникает кристаллическое ядро. Оно растёт. Наконец почти все молекулы находят своё место в регулярной сетке.

Прежде чем будут устранены противоречия относительно базовой структуры воды, должно, видимо, пройти некоторое время. Но один урок можно извлечь уже сейчас: наша давняя знакомая вода крайне неохотно выдаёт свои тайны. И нас ждёт ещё не мало сюрпризов. В том числе в исследовании роли воды в клетках человеческого организма.

Жизнь возникла в океане, и мы буквально созданы из воды: человеческий организм почти на две трети состоит из этого вещества, мозг на 77%, мускулы на 80%. Но где же она сосредотачивается? Почему мы не похожи на термосы, доверху наполненные водой?

Причина в том, что вода в организме перетерпливает своего рода трансформацию личности. Она не плещется в клетках туда – сюда, и там ничего не плавает. Правильнее представить себе желе. И желе это просто потрясающее! Оно сдобрено множеством белков, солей аминокислот, сахаров, жиров, а также генной субстанции ДНК. При этом вода занимает узкие промежутки между объёмными химическими структурами. Заключённое в такие узкие рамки вещество может изменить свои свойства: вода по другому «замерзает», возникают необычные силы притяжения и отталкивания.

На биомеханической сцене вода - отнюдь не декорация, перед которой разыгрывается действие. Правильнее всего сравнить с исполнителем главной роли. Её так же можно назвать мельчайшей биомолекулой. Концепция, которую разработали исследователи для объяснения этого явления, оперируя двумя понятиями - «гидрофильный и «гидрофобный». Они знакомы каждому из повседневной жизни: так, сахар растворяется в воде в больших количествах - его молекулы гидрофильные. И напротив, масло отталкивается от воды- оно гидрофобное.

Способ складывания белков в структуры определяется последовательностью отдельных строительных элементов, аминокислот. Некоторые аминокислоты несут придатки - электрически заряжённые группы - и легко смешиваются с водой, то есть гидрофильны. Другие, напортив, ведут себя гидрофобно. В белковой цепочке гидрофильные участки чередуются с гидрофобными. Вода отвергает гидрофобные отрезки и заставляет группироваться с себе подобными - примерно так жир образует в супе маслянистые пятна. При этом белки складываются точно определённым образом.

Белки же в свою очередь сами видоизменяют воду. Недавно учёным удалось доказать это с помощью рентгеновского нейтронного излучения и компьютерного моделирования. Как выяснилось в ходе экспериментов, два- три слоя молекул воды на поверхности белков ведут себя весьма необычно. Они примерно на 10 % плотнее сгруппированы и двигаются в два- три раза медленнее, чем «нормальные» частицы воды.

Но молекулы воды предназначены не только для того чтобы формировать белковые структуры: без их помощи белки бы вообще не могли функционировать. Сколько же воды нужно одному энзиму, призванному ускорять биохимическую реакцию, чтобы тот начал действовать? Учёные исследовали это в компьютерной модели на примере стафилококковой бактерии. При этом выяснилось, что энзимный механизм запускается, когда частицы воды покрывают 60%-70% поверхности. Для чего нужна вообще эта жидкая оболочка? Биохимики утверждают, что частицы воды необходимы биомолекуле так же, как машинное масло необходимо двигателю внутреннего сгорания - для смазки. Вода помогает субстанциям попасть в «доки» энзима, где они будут расщеплены, объединены с другими или снабжены придатком. Вода служит переносчиком протонов: она собирает положительно заряжённые атомы водорода - протоны - и сгребает их к «верстакам» энзимов, где они используются в реакции превращения.

Цепочкам ДНК требуется вода – в количестве около трети их веса, чтобы они сохранили форму двойного спирального плетения.

Вода так же заставляет скапливаться у мембран жирообразные, гидрофобные элементы и таким образом позволяет клеткам образовывать барьер, сохранив и защитив внутреннюю часть от вредных воздействий окружающей среды.

Вода настолько идеально подходит для удовлетворения всех нужд жизни, что кажется, что она создана по какому- то сверхпродуманному плану. Однако биологи предпочитают говорить не о замысле Творца, а о случайности: они считают, что благодаря счастливому стечению обстоятельств, законы природы в естественных условиях дали образоваться молекулу воды, при чём у неё оказались именно те свойства, которые позволили лишь разумным существам,- а они, в свою очередь, со временем принялись исследовать воду и разгадывать её тайны.

Во вселенной очень много воды, но в основном, в виде льда. На спутнике Юпитера Ганимеде слой воды достигает несколько сотен километров. На другом спутнике Европе - ледовый океан глубиной около 200 километров.

Количество воды во Вселенной неимоверно, по всей распространенности в космосе это вторая молекула. В этом смысле удивляет то, что лишь 0,05% веса нашей планеты приходится на этот элемент.

В одних только океанах и ледниковых покровах содержится 1,4 триллиона тонн воды. Как эти океаны вместе ещё с 50 морями, заключенные в каменную оболочку земной мантии, оказались на нашей планете, прояснить до сих пор не удалось.

Без малейшего усилия мы скользим на коньках по льду. Почему нам это удаётся, непонятно, ведь веса нашего тела не достаточно, чтобы растопить лёд. Ряд исследователей предполагает, что на поверхности льда всегда остаётся тончайший слой жидкости.

Вплоть до 1990- Х годов господствовала теория, согласно которой вода была доставлена на почти готовую для «оплодотворения» Землю кометами. Эти небесные тела, оставляющие роскошные очерки на небе, идеально подходили на роль «водовозов»- ведь они представляют собой подобие грязных снежков, наполовину состоящих изо льда.

Но когда, наконец, удалось проанализировать химический состав комет, выяснилось серьёзнейшее различие между их водой и нашей, земной: изотопов. Обычно в атомном ядре содержится положительно заряженный протон. Существует вариант водорода дейтерий, в котором есть ещё дополнительный электрически нейтральный нейтрон. Химически этот изотоп ведёт себя, как водород, только он тяжелее. Оказалось, что дейтерий встречается на кометах в два раза чаще, чем на земле. Учёные сделали вывод, что от комет произошло максимум 50% земной воды, вероятнее 10%.

Некоторые исследователи придерживаются другой теории, согласно которой, наша планета сформировалась из сухих каменных глыб. На более поздних стадиях развития сюда поступила содержащая воду материя с подходящим соотношением дейтерия и водорода: астероиды из более холодных пограничных областей Солнечной системы прилетел в центральную её часть.

Необходимое для жизни человечества было с самого начала - это мнение ещё одной группы геохимиков и химиков космоса. Они считают, что Земля сформировалась из влажной праматери, из минералов, содержавших воду. Однако этой концепции противоречат два момента: смесь водородных изотопов о содержание благородных газов неона и аргона в земной атмосфере. Чтобы обойти этот спорный вопрос, представитель минералогической теории выдвигают постулат о том, что Земля сформировалась из материи, которой больше нет внутри солнечной системы.

Вода многолика и противоречива. В жидкой форме она источник жизни, эликсир органического мира; в кристаллическом же виде останавливает жизненные процессы, во льду почти всё замерзает.

Снежинки» были слишком регулярны - в такой степени, которая неприемлема для призванной к жизни субстанции», - такая мысль приводится в романе Томаса Манна «Волшебная гора» главному герою Гансу Касторпу. «жизнь вгоняла в ужас от этой точной правильности, жизнь воспринимала эту правильность как смертельную, более того, как тайну самой смерти». Но одновременно он восхищается «мириадами чудесных звёздочек, из которых ни одна в своём невидимом человеческому глазу миниатюрном великолепии не походила на другую».

Учёные изучившие твёрдые формы воды, приходят в неменьший восторг. Красота и многообразие макроскопических форм отражается на молекулярном уровне. Варианты кристаллов частиц воды демонстрируют сложность и изысканность, которую нельзя сравнить ни с одной другой молекулой. Первые «путешествия» по ледяным кристаллам предприняли в 1920- е годы преподававший в Геттингене Густав Тамманни, прежде

Всего, американский физик и позднее нобелевский лауреат Перси Бриджмен, который проводил в Гарвардском университете опыты с высоким давлением. Они обнаружили, что лёд - в зависимости от температуры и давления – имеет различную структуру.

Исследование льда представляет собой не только теоретический интерес. Новые данные могут, помимо прочего, послужить развитию криобиологии - улучшить условия консервации холодом биологических тканей.

Даже при нормальном давлении существует две формы льда. Гексагональный и кубический, которые обозначают соответственно как лёд lh и lc, имеют различную устойчивость. На Земле существует почти исключительно только гексагональный лёд. Его частицы образуют шестиугольную структуру - снежинки демонстрируют бесконечное разнообразие форм.

В основе другого варианта – куб. такие кристаллы имеют кубическую форму. Но они встречаются только в исключительных условиях, например, на больших высотах земной атмосферы, где царит смертельный холод: учёные собирали такой лёд с самолёта.

Оба варианта объединяет одно свойство: объёмность. Причина заключается в водородных мостах. Молекулы воды, застывая, скрепляются решетки, и образуется много объёма.

Если обычный лёд подвергнуть давлению извне, решётки двигаются друг на друга. Сначала сгибаются водородные мосты, трёхмерная сетка трансформируется в два плетения, при этом одно заполняет «лишнее» пространство другого. Если эту субстанцию продолжать, то атомы сдвинуться так близко друг к другу, что водородные мосты перестанут отличаться от «нормальных» соединений. Это происходит при увеличении нормального давления в 600000 раз. Кубический сантиметр такого льда Х весит 2,51 грамма, почти в три раза больше, чем стандартный гексагональный вариант.

Непросто учесть все возможные виды кристаллических сортов льда. А вода способна ещё образовывать и стекловидные или аморфные формы. И они далеко не редкость. 99,9% льда в космосе находится в аморфной форме, считают учёные. Он покрывает частицы пыли в межзвёздном пространстве, входит в состав комет.

Чем же отличаются кристаллические и аморфные виды друг от друга? Своим внутренним устройством: в кристалле молекулы воды организованны регулярным образом во всех направлениях с одинаковыми промежутками, тогда как в аморфном состоянии они хаотичны так же, как в жидком,- будто жидкость мгновенно застыла. Самый известный представитель такой формы материи встречается на обычном оконном стекле.

Причем, по мнению учёных именно такой как на окне, лёд заложил основу жизни на Земле. Его гибкая структура позволяет высвобождаться таким элементам, как азот, кислород и углерод, которые вступают в реакцию друг с другом, образуя простые биомолекулы. Считается, что эти органические элементы прибыли на нашу планету с кометами на заре существования Солнечной системы. На Земле универсальный стекловидный лёд можно получить, если за сотые доли секунды уменьшить температуру на сотни градусов Цельсия. А ещё в прессе высокого давления, как в инсбрукской лаборатории. Полученный там под давлением в 90000 атмосфер при резком охлаждении кусочек льда и будет тем самым аморфным льдом- HDA(high-density amorphous ice). Внешне он ничем не отличается от обычного, но если бросить его в стакан с водой, он потонет, потому что тяжелее воды. При нагревании HAD демонстрирует новые удивительные свойства, благодаря которому заслужил прозвище «льда попкорна». Вот, словно кукурузное зёрнышко на сковородке, лопается капсула из металла индиума, в которую заключена проба воды в прессе, и от туда вытекает густая субстанция HAD: превратился в ещё один вариант стекловидного льда, который из- за своей небольшой плотности получил название LDA(low- density amorpheous ice).

Но это отнюдь не предел. У воды в запасе ещё много сюрпризов. Когда учёные немного нагрели HAD в прессе, увеличив температуру с -196 до 105 градусов по Цельсию, проба сжалась. Это противоречит всем общепринятым представлениям, ведь считается, что при нагревании вещества должны расширяться. Но инсбуркские исследователи утверждают, что просто они открыли третий вариант стекловидного льда-VHDA(very-high-density amorpheous ice).

Может быть, открытие HAD и LDA поможет исследователям разгадать главную загадку воды - найти «вторую критическую точку».

Критическая точка - весьма любопытное явление, здесь рушатся границы. Из того, что было разделено, образуется единое целое. Лучше всего это можно понять на примере кастрюли с кипящей водой. Сначала в ней находится жидкая, а над ней газообразная. Чем выше градус, тем меньше плотность жидкости, при этом плотность газа увеличивается. Наступает момент, когда между жидкостью и газом нет различия. Это удивительное состояние наступает для воды при 374 градусах по Цельсию и давлении в 221 атмосферу.

Учёные считают, что при низких температурах тоже должна существовать такая точка. В экспериментальных условиях удаётся понизить температуре воды до – 38 градусов по Цельсию, причём она не замерзает. Это кажется полной фантастикой, но на самом деле это не такой редкий феномен. В перистых облаках, которые часто парят в атмосфере на высоте нескольких километров над уровнем моря, вода в виде капель остаётся жидкой примерно при такой температуре. При понижении температуры переохлажденная вода ведёт себя ещё более странным образом. Процесс, утверждают учёные, достигает максимума при – 50-100 градусах по Цельсию и давлении в 2000 атмосфер. Именно в этом диапазоне должна находится вторая критическая точка. Ниже этой отметки, согласно теории, существуют два сорта жидкой воды с различной плотностью. А выше эти варианты не различимы. Две формы льда- HAD и LDA, как предполагают, соответствует именно этим двум жидким формам после их резкой заморозки.