Физика и химия воды

Вода состоит из двух атомов водорода и одного – кислорода. Все, казалось бы, просто. Но на самом деле есть 42 сочетания этих атомов в молекуле воды, и 9 из них – устойчивы. Значит, наша обычная Н₂O состоит из смеси девяти видов воды, имеющих весьма различные химические свойства.

Эта бесцветная и безвкусная жидкость обладает совершенно уникальной способностью образовывать необыкновенно прочную поверхностную пленку. На ней может лежать стальная игла, если, конечно, ее осторожно опустить. Более того, установлено, что чем чище вода, тем сильнее растет ее поверхностное натяжение, и если бы удалось получить когда‑нибудь абсолютно чистую, без всяких примесей воду, то, как полагают ученые, по озеру такой воды можно было бы не только ходить, но и кататься на коньках.

Давно известна людям сила воды. Когда мифический Геракл приступал к свершению своего седьмого по счету подвига, он призвал на помощь силы природы. Чтобы расчистить конюшню царя Авгия, он запрудил реку, и взволновавшийся поток сделал то, что было не по плечу ни одному из эллинов.

Вода заставляет жернова мельниц молоть зерно, крутит колеса пароходов, вращает роторы гидротурбин, побуждая бежать по проводам электричество. Казалось бы, исчерпаны разнообразные возможности этого «исторического» вида энергии, узнаны все его способности. И в то же время нет, не все!

Водная струя диаметром 3–4 мм, подаваемая под давлением от 300 до 500 атм, режет «черный камень» – уголь. При давлении, в 5 раз большем, – мрамор, гранит, песчаник. Срезы аккуратные, гладкие – как ножом (цифра для сравнения: в водопроводном кране вода течет под давлением в 0,5 атм).

В нашей стране созданы основы гидроэкструзии – перспективного метода обработки материалов жидкостью высокого давления.

Метод гидропрессования, у истоков которого стоял выдающийся советский физик академик Л. Верещагин, обеспечивает ювелирную точность изделий при больших скоростях технологического процесса.

Гидромеханический способ добычи угля – один из прогрессивных. В Кузбассе и Донбассе, например, действуют целые шахты гидродобычи, где операции по выемке и погрузке угля выполняет вода. Производительность таких шахт очень высока. К обычным угольным комбайнам разработаны гидронасадки – дополнение для более эффективной и облегченной добычи угля. Работают они в комплексе с основными узлами машины – резцом, выгребающим устройством, конвейером. Но главное преимущество, которое дает приспособление, – это снижение запыленности воздуха в забое.

Образование воды из соединений водорода и кислорода при возникновении электрической искры впервые было отмечено в 1783 г. английским физиком Г. Кавендишом. В последующем известны много исследований по уточнению химического состава и физических свойств воды. То, что вода состоит из водорода и кислорода, показали в 1785 г. французский физик А. Лавуазье, а в 1805 г. – немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт и французский исследователь Гей‑Люссак. Они определили состав воды: два объема водорода и один – кислорода молекулярный вес 18.

К настоящему времени установлено существование воды с молекулярным весом 19, 20, 21, 22. Такие молекулы воды состоят из более тяжелых атомов водорода и кислорода, т. е. водорода, имеющего атомный вес более 1, и кислорода – более 16. Оказалось, что в природе встречается тяжелый изотоп водорода с массой 2, который назван дейтерием (D) и еще более тяжелый изотоп, с массой 3, получивший название тритий (Т). У кислорода выявлены три изотопа с атомным весом 16, 17 и 18.

Соединение из двух атомов дейтерия и одного кислорода назвали тяжелой водой (D₂O), а соединение двух атомов трития с одним атомом кислорода – сверхтяжелой водой (Т₂O). В природных условиях 99,73 % составляет обычная вода с молекулярным составом Н₂¹O¹⁶, 0,04 % – тяжелокислородная вода с составом Н₂¹O¹⁷ и 0,02 % – H₂¹O¹⁸. Доля тяжелой воды (D₂O) и сверхтяжелой воды (Т₂O) в природных водах чрезвычайно мала.

Тяжелая вода отличается от обычной как по физическим свойствам, так и по физиологическим воздействиям на организм. Испаряется она медленнее, чем обычная вода. Возможно, это является причиной большего содержания тяжелой воды во внутренних замкнутых водоемах южных широт.

Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием благодаря диссипации протонов в космическом пространстве. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом. Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда, в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.

Любопытна структура внутреннего строения молекулы воды. В центре молекулы обычной воды располагается атом кислорода, а на некотором расстоянии – два атома водорода. Атомы водорода по отношению к атому кислорода находятся не по прямой линии, проведенной через центр атома кислорода, а под углом, равным 105°. Связь между атомами водорода и кислорода в молекуле воды осуществляется электронами.

Поскольку ядра атомов водорода и кислорода расположены несимметрично, молекулы воды имеют форму тетраэдра, в вершинах которого имеются четыре полюса зарядов.

Каждая молекула воды способна соединиться с четырьмя ближайшими к ней молекулами. При этом положительно заряженный полюс одной молекулы притягивает отрицательно заряженный полюс другой. Таким образом могут образоваться группировки молекул, состоящих из двух, трех и более молекул. В зависимости от температуры и давления среды, в которой находится вода, расстояния между молекулами могут увеличиваться или сокращаться. Это делает структуру воды исключительно изменчивой. Повышение температуры вызывает увеличение скорости молекул и расстояния между ними. Максимальная плотность воды достигается при температуре плюс 4 °C.

Вода, как все вещества в природе, при охлаждении от плюс 100° до плюс 4° уменьшается в объеме. При дальнейшем охлаждении воды до 0° ее объем увеличивается. Такое свойство типично только для воды. Ученые объясняют это тем, что при понижении температуры от 4° до 0° происходит перестройка ее внутренней структуры, жидкость превращается в лед, т. е. в кристалл, где молекулы образуют своеобразную решетку.

При замерзании объем воды возрастает примерно на 11 %. В связи с этим замерзание ее в замкнутом пространстве приводит к возникновению избыточного давления, достигающего, как показывают наблюдения, 2,5 тыс. кгс/см². Этим объясняют разрушительную силу замерзающей воды в замкнутых пустотах, трещинах горных пород, откалывающую подчас многотонные глыбы и дробящую их в дальнейшем на мелкие осколки. С увеличением давления температура замерзания воды уменьшается. Эта зависимость для воды аномальна: у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. Подобная аномалия воды очень важна. Даже без учета растворенных в ней солей вода на больших глубинах в океане не замерзает, причем при температуре минус 3 °C этого не случается даже на глубине около 4 тыс. м.

Так как максимальная плотность воды наблюдается при 4 °C, то лед оказывается легче жидкой воды и поэтому плавает на ее поверхности. Если бы этого не происходило, то водоемы и водотоки промерзали бы зимой до самого дна, что было бы настоящей катастрофой для всего живого в них. Впрочем, эта особенность воды при некоторых условиях имеет исключения. Речь идет о возможности образования донного или внутриводного льда.

Теплоемкость воды в 3,3 тыс. раз выше теплоемкости воздуха. Иными словами, нагревая 1 л воды и 1 л воздуха на 1 °C, мы в первом случае затратим в 3,3 тыс. раз больше энергии, чем во втором. Климатическое значение этой аномалии трудно переоценить. Высокая теплоемкость делает воду главным аккумулятором солнечной энергии и распределителем ее на планете. Морские течения переносят тепло, накопленное летом в морях и океанах, из южных в северные районы земного шара, прогревая на пути воздух и воду, смягчая и выравнивая климат в этих шпротах.

О существовании течений в океанах знали давно: древние греки называли океан рекой и считали, что он течет подобно реке: они могли наблюдать сильные приливы и отливы лишь за пределами своих внутренних морей. Течения переносят громадные массы воды, перераспределяя накопленное Мировым океаном солнечное тепло. Один лишь Гольфстрим по своей мощности превосходит все реки планеты, вместе взятые. Благодаря этому течению каждый квадратный сантиметр европейского побережья получает в год 4 млрд. ккал – столько тепла выделяется при сжигании 0,5 млн. т угля.

В различных районах земного шара известны и другие поверхностные течения – теплые или холодные. Их издавна хорошо изучили мореходы и рыбаки; ученые основывали на данных об их мощности и направлениях свои заключения о циркуляции воды в верхних слоях океана. Например, Гольфстрим уже многие столетия является для мореходов своеобразной рекой в океане. Хорошо зная его режим и направление, опытный кормчий ведет корабль в струе Гольфстрима, сокращая время пути к берегам Европы, и, наоборот, двигаясь в обратном направлении, предпочитает держаться в стороне.

Из физических свойств воды можно обратить внимание на следующее. Толочь воду – не такое уж бесперспективное занятие, как выяснили эстонские ученые. Правда, вместо допотопной ступы они использовали дезинтегратор – своеобразную мельницу со стремительно вращающимися роторами.

Оказалось, что в активированной таким образом воде форель, например, растет в 1,5 раза быстрее. Из 100 икринок форели обычно появляются лишь 50 мальков, а в активированной воде – 90. Повышает она и урожаи различных культур.

Однако пока нет научного объяснения этого явления. Предполагают, что молекулы воды объединяются в некие цепочки, которые с течением тысячелетий удлиняются. Вода, как бы стареет, медленнее проникает в ткани растений и животных. А вот сотни миллионов лет назад, когда на Земле бушевали смерчи и ураганы, вода была богаче энергией, моложе. Рыбы в ней лучше развивались, потому и достигали огромных размеров. Дезинтегратор, по‑видимому, проделывает ту же работу – разрушает цепочки молекул.

Являясь хорошим растворителем, вода сохраняет свою инертность. Благодаря этому свойству, живые организмы получают важнейшие питательные вещества в растворах, в малоизмененном виде.

В воде могут растворяться твердые, жидкие и газообразные вещества. Абсолютно нерастворимых в воде веществ в природе нет: в ничтожных количествах этому процессу подвержены даже такие элементы, как серебро, золото, гранит, базальт и др. В естественных условиях практически невозможно представить чистую воду. Она всюду обогащена примесями различных веществ. Дождевая вода имеет примеси веществ, находящихся в атмосфере. В воздухе над морями и океанами содержатся соли, характерные для морской и океанической воды. Вода рек и озер обогащена частицами поверхностной почвы и горных пород.

По содержанию ионов природные воды делятся на пресные, минерализация которых не превышает 1 г/л; минерализованные, содержащие от 1 до 50 г/л минеральных веществ, и рассолы, в которых содержится свыше 50 г/л минералов.

Наиболее распространенные группы минерализации образуются при растворении хлоридов, сульфатов и гид рокарбонатов, находящихся в недрах Земли. По этим признакам проводится классификация вод. Наиболее чаще встречаются воды: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

В природных водах практически всегда присутствуют и микроэлементы. К ним относятся бор, бром, фтор, йод, медь, мышьяк, никель, кобальт, цинк и др. Вместе с водой микроэлементы поступают в организм человека, животных и растений. Хотя концентрации этих веществ находятся в сравнительно малых количествах, но они совершенно незаменимы. Они оказывают влияние на ход и направленность обменных процессов организма. В частности, они способны стимулировать или угнетать ферментные процессы, принимают непосредственное участие в процессах эритропоэза и гемоглобинообразования. Отмечено положительное влияние микроэлементов на рост, размножение и продолжительность жизни животных и растений.