Сколько вод на земле?

Три изотопа водорода нашли в природе ученые. И каждый из них может вступать в соединение с кислородом. Стало быть, можно говорить о трех сортах воды – протиевой, дейтериевой и тритиевой: H₂O, D₂O и T₂O.

Но могут быть и «смешанные» воды, когда в состав молекул входит, скажем, атом протия и атом дейтерия или атом дейтерия и атом трития. Тогда список вод увеличивается. HDO, HTO и DTO.

Но и кислород, входящий в состав воды, также представляет собой смесь трех изотопов: кислород‑16, кислород‑17 и кислород‑18. Самый распространенный из них – первый.

Если мы учтем эти разновидности кислорода, количество возможных вод увеличится еще на 12. Черпнув кружку воды из озера или реки, вы, наверное, и не подозреваете, что имеете дело с восемнадцатью различными сортами воды.

Так что вода, откуда бы мы ее ни взяли, представляет собой смесь различных молекул. От самой легкой – H₂O¹⁶ до самой тяжелой – T₂O¹⁸. Химики могут приготовить каждую из восемнадцати вод в чистом виде.

Изотопы водорода заметно различаются по своим свойствам. А как ведут себя разные сорта вод? Они тоже кое в чем непохожи друг на друга. Например, отличны их плотности, температуры замерзания и кипения.

И в то же время содержание различных вод в природе всегда и всюду разное.

Например, в воде, налитой из водопроводного крана, тяжелой дейтериевой воды D₂O содержится 150 граммов на тонну. А в тихоокеанской заметно больше: около 165 граммов. В тонне льда кавказских ледников тяжелой воды на 7 граммов больше, чем в кубическом метре речной воды. Словом, по своему изотопному составу вода повсеместно различается. Так происходит потому, что в природе непрерывно протекает грандиозный процесс изотопного обмена. Разные изотопы водорода или кислорода в различных условиях непрерывно замещают друг друга.

Нет ли какого‑либо другого природного соединения, у которого насчитывалось бы столь же большое количество разновидностей? Нет.

Конечно, мы имеем дело главным образом с протиевой водой. Но и прочие воды никак нельзя сбрасывать со счетов. Кое‑какие из них находят широкое применение в практике. Особенно тяжелая вода D₂O. Ее используют в ядерных реакторах для замедления нейтронов, вызывающих деление урана. Кроме того, ученые пользуются разными сортами воды в исследованиях по химии изотопов.

Восемнадцать сортов – и не больше? Оказывается, разновидности вод могут быть куда более многочисленными. Ведь, кроме природных изотопов кислорода, существуют и радиоактивные, искусственно приготовленные: кислород‑14, кислород‑15, кислород‑19 и кислород‑20. А недавно увеличилось количество новых водородов: мы уже говорили о ⁴Н и ⁵Н.

Стоит принять во внимание искусственные изотопы водорода и кислорода, как в перечне всевозможных вод окажется более сотни наименований. Впрочем, вы сами можете легко подсчитать точное их количество…

Вода «живая», животворная, вездесущая…

Через бесчисленное множество сказок разных народов красной нитью прошла легенда о «живой» воде. Она исцеляла раны и оживляла мертвых. Давала трусу смелость и стократно увеличивала силы храброго.

И не случайно приписывал человек воде столь магические свойства. То, что мы с вами живем на Земле, что вокруг нас зеленые леса и цветущие поля, что летом мы катаемся на лодках и бегаем по лужам под дождем, а зимой участвуем в лыжных и конькобежных соревнованиях, – все это дело рук воды. Точнее – способности ее молекул притягиваться друг к другу, образуя ассоциации. Это одно из условий возникновения и развития жизни на нашей планете.

История Земли – это прежде всего история воды. Она беспрерывно меняла и меняет облик нашей планеты.

Вода – величайший в мире химик. Без ее участия не обходится ни один природный процесс: будь то образование новой горной породы, нового минерала или сложнейшая биохимическая реакция, протекающая в организме растения или животного.

Химикам в лабораториях нечего было бы делать без воды. Ведь изучая свойства веществ, их превращения, получая новые соединения, они только в редких случаях обходятся без воды. Вода – один из самых лучших растворителей, которые только известны. А чтобы заставить многие вещества вступить в реакцию, их прежде всего надо перевести в раствор.

Что происходит с веществом, когда оно растворяется? Силы, которые действуют на его поверхности между молекулами и атомами, в воде ослабевают в сотни раз. Молекулы и атомы вещества начинают отрываться от поверхности и переходить в воду. Кусок сахара в стакане чаю распадается на отдельные молекулы. Поваренная соль – на заряженные частицы, ионы натрия и хлора. Так уж устроена молекула воды, что обладает очень сильной способностью оттягивать к себе атомы и молекулы растворяющегося тела. Гораздо более сильной, чем многие другие растворители.

Нет на Земле породы, которая могла бы противостоять разрушающему действию воды. Даже граниты хоть и медленно, но неотвратимо поддаются ее действию. Растворенные ею примеси уносятся в моря и океаны. Вот почему эти гигантские водоемы соленые. А ведь сотни миллионов лет назад вода в них была пресной…

Сосулькины секреты

Малыши так и тянутся к сосулькам. Ведь они очень красивы, блестящие ледяные стерженьки.

Из детской ручонки сосулька моментально перекочевывает в рот. Неужели вкусно? Но ребенок не на шутку огорчится, если его лишить этого удовольствия.

Забавная ребячья прихоть? Нет, дело куда серьезнее.

В одной лаборатории поили цыплят. Одной группе наливали в блюдечко обычную воду, другой – талую, с плавающими льдинками.

Опыт – проще и не придумаешь. Результаты же его удивительны. Обычную воду цыплята пили спокойно и чинно. Около блюдечка с талой происходила форменная драка. Талую воду цыплята поглощали с жадностью, словно это было что‑то необыкновенно вкусное.

Через полтора месяца подопытных цыплят взвесили. Те, что пили талую воду, были гораздо тяжелее, больше прибавили в весе, чем цыплята, в чей рацион входила вода обычная.

Словом, талая вода обладает чудесными свойствами. Она чрезвычайно полезна живым организмам. Почему?

Поначалу думали так: в талой воде больше дейтерия. А тяжелая вода в небольших концентрациях благотворно влияет на развитие живых организмов. Но в таком объяснении была лишь доля истины…

Теперь ищут разгадку в другом, в самом процессе таяния.

Лед имеет кристаллическую структуру. Однако и вода – это в общем жидкий кристалл. Ее молекулы расположены не в беспорядке, а образуют строгий ажурный каркас. Построенный, правда, иначе, чем у льда.

При таянии льда его структура сохраняется долго. Талая вода по внешнему виду – жидкость, а молекулы в ней все еще расположены «по‑ледяному». Благодаря этому химическая активность талой воды как бы возрастает. Она с большой легкостью принимает участие во множестве биохимических процессов. Попадая в организм, она легче, нежели обычная, соединяется с разными веществами.

Ученые считают, что структура воды в организме очень похожа на структуру льда. Обычная вода, попав в организм, должна перестраиваться. Для талой этого не требуется. Организму не приходится затрачивать лишней энергии.

Роль талой воды в жизни, видимо, очень велика.

Кое‑что из области языкознания, или «две большие разницы»

Без слов нет речи, без букв нет слов. Изучение любого языка мы начинаем с алфавита. В каждом алфавите – две категории букв: гласные и согласные. Не будь тех или иных – звучная человеческая речь рассыпалась бы… Правда, в каком‑то научно‑фантастическом романе жители неведомой планеты изъяснялись звуками, состоящими сплошь из согласных букв. Но чего не придумают фантасты!

Природа говорит с нами на языке химических соединений. А любое из них – своеобразное сочетание химических «букв». Тех элементов, которые существуют на Земле. Количество таких «слов» превышает три миллиона. «Букв» же в химическом «алфавите» всего около сотни.

Есть в этом «алфавите» «буквы» гласные и согласные. Все химические элементы издавна подразделяются на две группы: неметаллы и металлы.

Неметаллов значительно меньше, чем металлов. Соотношение между ними выражается прямо‑таки баскетбольным счетом – 21 : 83… Совсем как в человеческой речи: гласных звуков куда меньше, нежели согласных.

Сочетание одних лишь гласных звуков в человеческой речи редко выражает что‑либо членораздельное: чаще всего оно сродни бессмысленному завыванию.

В химическом языке объединения только «гласных» (неметаллов) встречаются сплошь да рядом. И все живое на Земле обязано своим существованием именно соединениям неметаллов друг с другом.

Ученые недаром называют четыре главных неметалла – углерод, азот, кислород и водород – органогенами. То есть дающими начало органической жизни. Если добавить сюда еще фосфор и серу, этими шестью «кирпичиками» практически и ограничивается весь набор материалов, которые природа использует для строительства белков и углеводов, жиров и витаминов, – словом, всех химических соединений жизни.

Два неметалла – кислород и кремний (две «гласных» химического «алфавита»), объединяясь, дают вещество, которое на языке химии записывается SiO₂, двуокись кремния. Она‑то и представляет собой основу основ земной тверди, своеобразный цемент, не дающий горным породам и минералам рассыпаться в прах.

Закончить список «гласных» химического «алфавита» не представляет труда: в него включаются еще галогены, редкие газы нулевой группы (гелий и его собратья) да три не очень широко известных элемента: бор, селен и теллур.

Однако если бы мы сказали, что все живое на Земле построено лишь из неметаллов, то впали бы в ошибку.

В человеческом организме ученые обнаружили более 70 различных химических элементов: все неметаллы и множество металлов – начиная от железа и кончая радиоактивными элементами, в том числе ураном.

Языковеды давно обсуждают вопрос, почему в человеческой речи согласные звуки преобладают над гласными.

Химики выясняют: с какой такой стати существуют в периодической системе «две большие разницы» – неметаллы и металлы. В эти два отряда попадают порой элементы, совершенно чуждые друг другу. И все‑таки в чем‑то похожие.