ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Строение и свойства воды из "Вода и магнит" Люди интересовались водой с незапамятных врелен. Еще в IV в. до н. э. Аристотель провозгласил воду началом всех вещей. В 1665 г. Гюйгенс предложил принять воду за опорные точки шкалы термометра, в 1780 г. Кавендиш, пропуская электрические искры в смеси кислорода и водорода, впервые синтезировал воду, а Лавуазье в 1783 г. вывел ее формулу. [c.8] С тех отдаленных времен воду исследуют непрерывно — и физики, и химики, и биологи, и инженеры, каждый в своем аспекте. В результате выясняется поистине грандиозная роль и огромная сло кность поды. Геолог А. П. Карпинский имел все. основания написать, что вода — это самое драгоценное ископаемое. Вода — ото не просто минеральное сырье, это не только средство для развития промышленности и сельского хозяйства. Вода — это дейст-иенный праздник культуры, это та живая кровь, которая создает жизнь там, где ее не было . Химик И. В. Пет-рянов-Соколов дал наиболее емкое определение воды, назвав ее самым необыкновенным веществом. [c.8] Необыкновенность воды заключается главным образом в налнчни многих аномальных, только ей присущих свойств. Почти все физико-химические свойства воды — исключение в природе, и только благодаря этим аномалиям воды, как ни странно, возможна жизнь на нан1ей нла-1 ете. [c.8] Дансе абсолютно чистая вода состоит из различных компонентов. Она содери нт три различных изотопа водорода и три кислорода, поэтому существует девять устойчивых вндов воды с общей формулой Н2О. Изотопный состав воды зависит от ее происхождения, возраста и т. п. [c.8] Воде свойственна особая структура — это принципиальное открытие было сделано английским физиком Берналом [4]. С тех пор в этой области проведено множество исследований, но до конечных представлений еще далеко. [c.9] Так обстоит дело с чистой водой. Но ситуация крайне осложняется присутствием в воде примесей разного рода. Вообще говоря, вода без примесей практически немыслима. Она обладает аномально высокой диэлектрической проницаемостью — в 82 раза большей, чем воздух. Следовательно, если поместить в воду твердое тело, то взаимо-сцепление составляющих его разноименных зарядов, молекул и атомов уменьшится в 82 раза и они легко перейдут в раствор. Вода жадно растворяет в себе стенки сосудов, газы воздуха — вообще все, с чем она соприкасается. Даже в дождевой капле растворены газы и соли выпарив 30 кг дождевой воды, можно получить 1 г сухого остатка. Высокая растворяющая способность воды — подлинное счастье для человечества. Например, только благодаря этому свойству вода доставляет питание корням растений и участвует во многих других биологических и технологических процессах. [c.10] Все изменения структуры воды, вызываемые появлением в ней иона, принято делить на ближнюю и дальнюю гидратацию. Под первой понимается взаимодействие иона с ближайшими к нему молекулами воды. Дальняя гидратация заключается в поляризации под действием поля ионов молекул воды, не входяш их в его ближайшее окружение. Обобщая и анализируя большой экспериментальный материал, О. Я. Самойлов ввел понятие положительной и отрицательной гидратации ионов. В первом случае ионы довольно устойчиво связаны с ближайшими к ним молекулами воды. При отрицательной гидратации молекулы воды вблизи ионов становятся более подвижными, чем в чистой воде. Это сложное явление обычно анализируется при условном делении гидратной оболочки на два слоя. [c.11] Гидратация ионов зависит от их природы. Например, катионы щелочных и щелочноземельных элементов, а также анионы хлора, брома, иода и некоторые другие связывают молекулы воды непрочно (обладают, по О. Я. Самойлову, отрицательной гидратацией). Есть мнение, что в зависимости от температуры одни и те же ионы могут обладать как положительной, так и отрицательной гидратацией. [c.11] Большое влияние на структуру воды оказывают примеси, находящиеся в молекулярной форме (неэлектролиты), а также молекулы газов. Они входят в пустоты каркаса и в зависимости от своих размеров стабилизируют или разрушают структуру. Процесс растворения в воде газов и других неэлектролитов состоит из двух этапов создания в воде полости подходящего размера и внедрения в эту полость молекул растворяющегося вещества. При растворении инертных газов вокруг внедрившейся в воду молекулы в зависимости от ее размеров могут образовываться структуры типа льда, структуры с изогнутыми водородными связями или кристаллогидраты (газгидраты). Последние сами по себе весьма интересны. [c.11] Сильная стабилизация структуры воды неэлектролитами непосредственно фиксируется инфракрасными спектрами поглощения. Это особенно заметно при добавлении веществ типа спиртов, части молекул которых гидрофоб-ны — крайне слабо притягивают молекулы воды. [c.12] Есть еще один фактор, сильно влияющий на структуру и свойства воды. На границах с воздухом и особенно с твердыми телами образуются гидратные слои (аналогичные тем, которые окружают ионы). Как показано Б. В. Дерягиным, тонкие граничные слои воды, находящиеся в сфере действия поверхностных сил, столь структурированы, что обладают особыми механическими свойствами, в частности заметным сопротивлением сдвигу. Толщина таких слоев с измененными свойствами доходит до 50— 100 ангстрем, т. е. они состоят из огромного количества молекул воды. [c.12] Однако в последние годы получены многие экспериментальные данные, заставляющие подвергнуть сомнению это положение. Многие опыты показывают, что структурная память у воды есть. Исследователями отмечалась скачкообразность изменения вязкости и поверхностного натяжения воды с ростом температуры, аномальные свойства талой воды и др. [4]. Так, Ю. А. Сикорский с соавторами заметили, что после таяния бидистиллята и выдерживания воды при низкой, строго постоянной температуре ее диэлектрическая проницаемость медленно самопроизвольно возрастает, достигая равновесной величины только за 800 сек [7]. Чтобы полностью исключить возможное влияние микроскопических льдинок, которые могли не успеть растаять, опыт был проведен по другой методике вновь возникшую жидкую воду получали не таянием льда, а конденсацией пара. При этом установили, что плотность свежесконденсированной воды несколько выше, чем обычной. Лишь за 30 мин (по-видимому, из-за постепенного развития структуры) ее плотность достигала 1 г/см [8]. Кроме того, нами была отмечена релаксация инфракрасного спектра поглощения воды в области частот, характеризующих ее структуру. [c.13] Учитывая эти результаты, можно считать, что вода обладает определенной структурной памятью . Пока остается неясным, относится это к идеальной, абсолютно чистой воде или к воде реальной, содержащей некоторое количество примесей. В принципе согласованное перемещение коллектива молекул, их ассоциатов, может отличаться от врелюни оседлости одиночных молекул. И медленное самопроизвольное изменение инфракрасного спектра поглощения тоже обычно относится к собственно воде. Но, с другой стороны, дополнительное структурирование воды (в гидратных слоях, при образовании газгидратов и пр.) может резко увеличить структурную память . [c.13] Структурирование воды определяет почти все ее аномальные свойства, имеющие огромное практическое значение. [c.13] Причина аномалии плотности пресной воды в сложных структурных превращениях, происходящих в ней с изменением температуры. Повышение температуры от более низкой до 4° С вызывает расширение воды (из-за ускорения теплового движения) и одновременно нарушение ее рыхлой структуры. Между этими процессами при температуре 4° С наступает своеобразное равновесие. При нагревании воды от О до 4° С преобладает процесс разрушения рыхлой структуры, что ведет к повышению плотности воды, однако при дальнейшем повышении температуры преобладает влияние расширения воды и ее плотность снижается. Но при достаточно высоком содержании в воде солей (например, у морской воды) ее структура столь стабилизируется вследствие гидратации ионов, что аномалия плотности практически незаметна. [c.14] Мы уже упоминали об огромной растворяющей способности воды. Не будем задерживаться на перечислении остальных аномалий воды. Сказанного достаточно, чтобы понять, что структурирование воды и возникающие при этом ее аномалии являются необходимым, важнейшим условием жизни на Земле. Отсюда большое практическое значение направленного регулирования тем или иным способом структурных характеристик реальной воды. Широкие возможности открываются в связи с изменением структурночувствительных свойств воды различными внешними физическими воздействиями. [c.14] Прежде всего следует отметить мощное влияние на воду фазовых превращений, возникающих при таянии льда или при конденсации пара. Биологами уже давно отмечались удивительные, достаточно достоверные биологические особенности талой воды [9]. Ф. А. Летников нашел, что после нагревания воды в автоклавах в течение 3 чае при температуре 300—400° С и охлаждении в течение 12—15 час вода длительное время сохраняет повышенные электропроводность и растворяющую способность [10]. [c.15] В последнее время появились сообщения об установлении различных временных изменений свойств воды слабыми механическими воздействиями — вибрацией и т. п. [И]. Есть сведения о временном изменении свойств воды после воздействия слабого электрического тока, высокочастотных полей, небольших доз жестких излучений, ультразвука. [c.15] оказывается, сколь сложна простая вода, какие новые ее стороны открываются перед исследователями. [c.15] Вернуться к основной статье