Вода

ВВЕДЕНИЕ

Хотя все в природе взаи¬мосвязано и каждая де¬таль важна, все же отдель¬ные явления и предметы бо¬лее существенны, а другие менее при естественном рав¬новесии как живой, так и не¬живой материи. Ведь нель¬зя же поставить в один ряд по значимости палец и сердце. Поэтому вполне за¬кономерен вопрос: какое ве¬щество является самым главным, самым важным для нас в окружающем ма-териальном мире? Ответ на этот вопрос можно дать уверенно и однозначно: это природная вода. Такой ответ, бесспорно, справедлив, во всяком случае для на-шей планеты Земля.

Человечество во все времена стремилось к познанию этого удивительного вещества – воды, прекрасно осознавая ее исключительность. Так, еще шесть тысячелетий назад, у шумеров существовали космогонические представления, в которых воде уделялась главная роль: «Еще не было вверху неба, а внизу Земли, но уже царствовали боги океана (Апсу) и моря (Тиамата)».

В Месопотамии, в Вавилоне (в переводе с аккадского – врата бога), рас-положенного на месте более древнего шумерского города Кадингирра, возникла поэма «О сотворении мира», в который задолго до появления Библии описаны всемирный потоп и борьба божества, охраняющего мировые воды, с чудовищем преисподней.

Тысячелетием позже древние египтяне согласно господствующей в их стране космогонической теории утверждали, что вначале не было ни неба, ни земли; окруженную густым марком Вселенную наполняла первичная вода.

Две тысячи шестьсот лет назад древнегреческий философ Фалес Милет-ский считал воду первоисточником всего сущего.

В средние века алхимики приписывали воде совершенство, обозначая ее в виде опрокинутого равностороннего треугольника . «Тела не действуют, если не растворены» - одно из основных положений алхимии, не утерявшее во мно-гом справедливости и поныне.

Крупный немецкий профессор А.Ауэрбах писал: «Самое удивительное и самое лучшее – это вода». Американский физик Дж.Дей и химик К.Девис на-звали воду зеркалом науки. Перефразируя это удачное утверждение, автор с неменьшим основанием может сказать, что отношение к воде – зеркало учено-го-естествоиспытателя. Чем серьезнее он к ней относится, тем выше как ученый стоит в ряду своих коллег. Автор обращает также внимание на то, что без воз-духа жизнь возможна (анаэробы), а без воды ее нет.

Известный французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери сказал о природной воде следующее: «Нельзя считать, что ты необходима для Жизни, ты сама Жизнь… Ты самое большое богатство в мире».

Один из крупнейших специалистов по физической химии воды Э.Х.Фрицман в своей классической монографии о природе воды [1935] утвер-ждал: «Ни одно из природных веществ не играет такой выдающейся роли на поверхности земного шара и в прилегающих слоях, как вода… наука и техника подтвердили старое основное положение человечества: вода есть то, из чего происходит все, другими словами название aqua вполне себя оправдывает: aqua omnia sunt ».

Лучше всех их современных мыслителей значение воды определил круп-нейший ученый, основоположник ряда новых научных дисциплин, биохимик и минералог, академик В.И.Вернадский: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество… ею проникнуто и охвачено».

Вода в нашей жизни – самое обычное и самое распространенное вещество, но с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней за это звание. Однако, необычные свойства жидкого гелия (такие, как например, сверхтекучесть) про-являются вблизи абсолютного нуля и обусловлены специфическим квантовыми законами, поэтому жидкий гелий – экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной.

В чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, т.е. ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давлении и других факторов) сущест-венно отличается от поведения подавляющего большинства других жидкостей, у которых оно имеет схожие черты и может быть объяснено из самых общих фи-зических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия) и органические жидкости (например, бензол или спирты).

Жидкая вода при Т = 0С плотнее, чем лед I, приблизительно на 10%. Это свидетельствует о том, что структурный беспорядок в жидкой воде обладает своими преимуществами в смысле упаковки молекул. Каждая молекула воды в воде, как и во льдах, имеет четырех соседей, и межмолекулярные взаимодейст-вия в воде определяются водородными связями. Отсюда следует, что водород-ные связи в жидкой воде обладают особенностями, допускающими более плотную упаковку молекул, чем во льду. Чтобы понять, в чем эти особенности, рассмотрим сначала те экспериментальные факты, которые характеризуют энергетику водородных связей в воде. К ним относятся данные о длине водо-родной связи Н – О, о длине связи О – О, частотах О – О и О – Н колебаний, а также данные относительно межмолекулярных колебаний. После этого рас-смотрим явления переноса, которые наиболее ярко характеризуют жидкое со-стояние.

I ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДЫ.

На рис. 1 представлены данные Ангела (1975) относительно области пе-реохлажденного состояния Н2О при различных давлениях Р от 1 до 3000 атм.

Как видно из рисунка, область переохлажденного жидкого состояния за-хватывает огромный район существования льда I, практически весь район су-ществования льда III и большую часть области существования льда II (заштри-хованная область).

Представленная картина показывает, что из сжатой воды можно получить непосредственно лед II.

Самая низкая температура переохлажденной воды достигается при Р = 2000 атм. и составляет -92С. Выше 2000-3000 атм. интервал переохлаж-денного состояния остается постоянным и составляет 70С.

Резонно предположить, что структура сжатой жидкой воды с ростом дав-ления приближается к структурам льдов III и II с сильно изогнутыми водород-ными связями. Изгибание водородных связей, уплотнение структуры затрудняет процессии кристаллизации и расширяет область переохлаждения.

Почему кристалл всегда плавится при температуре плавления, а жидкость допускает большие переохлаждения?

Природа переохлаждения, по-видимому, связана с тем, что кристаллиза-ция начинает с образования зародыша – маленького кристалла в жидкости. На образование поверхности кристаллика в жидкости требуется потратить энергию ~ SUп, где S – площадь кристаллика, а Uп – энергия, необходимая для образования единицы поверхности кристаллика. В связи с этим, несмотря на то, что химический потенциал кристалла для Т < Тпл меньше, чем химический потенциал расплава и ( - ) N < 0 -μN, кристаллизация не всегда про-исходит.

Полное изменение энергии при образовании зародыша будет определяться соотношением

.

Пусть , где N – число частиц в единице объема, тогда

Совершенно очевидно, что зависимость от N экстремальна.

В точке максимума и .

Если возник кристалл из частиц, то дальше кристаллизация пойдет спонтанно. Чем меньше , тем должно быть больше число число частиц в возникшем кристалле, чтобы нивелировать роль поверхности по сравнению с объемом.

Это простое рассмотрение показывает, что чем больше , тем меньше возможная область переохлаждения, и чем меньше , тем область переохла-ждения больше.

В связи со сказанным выше можно предположить, что разность химиче-ских потенциалов молекул Н2О сжатой воды и льдов II и III меньше, чем воды при Р = 1 атм. и льда I.

Объемная вода не допускает таких больших переохлаждений. Большие переохлаждения получают для маленьких капелек воды в эмульсиях или для воды в тонких капиллярах.

Молекула Н2О в жидкой фазе.

Большую информацию относительно усредненной во времени геометрии молекулы Н2О в жидкой фазе можно получить из данных для трех парных кор-реляционных функций жидкой воды:

, и .

Многочисленные исследования Нартена и его сотрудников (1962, 1971, 1982) показали, что первый максимум кривой радиального распределения находится на расстоянии 2,85 Å при Т = 25С, которое на 6% больше, чем рас-стояние 2,76 Å (лед I). Площадь под кривой согласуется с предположением 4, 4 соседа около каждой молекулы Н2О. Число следующих соседей оказывается большим, чем во льду I h.

Во многих льдах под давление уплотнение структуры сопровождается не просто увеличением О – О расстояний между ближайшими соседями, а пере-ходом от единого расстояния между О – О во льду I к набору расстояний во льдах под давлением. В жидкой воде картина очень похожа. Согласно данным Вэлла и Хорнинга (1965), полученным ими на основании КР спектров из срав-нения зависимости (валентных частот О – Н связи) от О – О расстояния, распределение длин О – О в жидкой воде имеет вид, представленный на рис.2. Распределение расстояний О – О в воде оказывается очень широким. Максимум имеет место при 2,86 Å, однако распределение длин связи простирается от 2,75 Å до величин, равных 3,05 Å.

Формы корреляционных функций и , полученные с помо-щью численных расчетов (Доре, 1984) показаны на рис.3 сплошными линиями, а экспериментальные результаты