научная информация о воде

admin01.02.2010
27.02.2012

Член-корреспондент РАН Г. Р. Иваницкий

Изменения воды

Аристотель точно прав:
У стихий особый нрав,
Королева всех — вода!
Остальные — ерунда.

Студенческий фольклор

Описание воды — это неустанное спряжение глаголов „двигаться“ и „изменяться“. В нашем сознании и в общении друг с другом вода и время часто бывают связаны. Мы, подражая древним грекам, говорим — „время течёт“; о больших интервалах времени — „много воды утекло“; и сегодня фраза „нельзя повернуть время вспять“ произносится как „нельзя вступить дважды в одну и ту же реку“. В разговорной речи к слову „вода“ часто добавляют эпитеты — чистая вода, спокойная вода, но это не более чем метафоры. О том, как ведёт себя вода на малых масштабах времён, порядка 10^–5 с, „Химия и жизнь“ рассказала в мартовском номере за этот год. В этой статье речь пойдёт о тех событиях, которые происходят в ней на больших масштабах времени.

Ухабы на поверхности воды

При положительных температурах вода испаряется из любого открытого водоёма, а следовательно, верхний её слой оказывается более холодным, чем внутренние. Температурный градиент приводит воду в движение. Холодные слои воды опускаются вниз, тёплые — поднимаются вверх.

Современные матричные инфракрасные камеры с предельной температурной чувствительностью до 0,02°C и пространственным разрешением 30–50 мкм позволили нам в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН обнаружить неизвестные ранее макроструктуры, возникающие при конвективной подвижности воды при комнатной температуре на шкалах 10²–10⁵ с. Инфракрасная техника выявила в воде структуры, которые не видны в видимом диапазоне длин волн и о существовании которых при комнатных температурах можно было только догадываться. Механизм их возникновения определяется испарением воды и возникновением в ней конвекции Рэлея — Бенара.

Так в инфракрасном свете с длиной волн 8–12 мкм выглядят конвективные ячейки, которые возникают из-за испарения воды в круглом сосуде при комнатной температуре. На графиках — температурные профили вдоль линий 1–1 (а), 2–2 (б), 3–3 (в), 4–4 (г). Расстояние между горизонтальными штриховыми линиями соответствует 1°C

Напомним, что в ставшей классической работе, опубликованной ещё в 1900 году, французский учёный Анри Бенар рассказал о конвективных ячейках, позднее названных его именем. Он наблюдал их, но не в воде, а в жидком жире кашалота (температура его плавления около 46°C). Жир был налит тонким слоем на металлический горизонтальный лист, который подогревался снизу. Конвективное движение возникало за счёт температурного градиента между слоями — подогреваемым снизу и верхним, свободным, температура которого из-за охлаждения была ниже. В результате поверхность жира разбилась на ячейки. Механизм возникновения таких ячеистых структур стал известен позднее, приблизительно через 15 лет, благодаря работам лорда Рэлея, который создал математическую модель конвективного движения. Мы, по-видимому, были первыми, кто обнаружил возникновение таких ячеек в воде при комнатной температуре.

А что с подвижностью водомерок? Не будут ли ячейки „ухабами“ на их пути? Вода удерживает водомерок на своей поверхности из-за их небольшого веса. Сила поверхностного натяжения воды — существенная, порядка 70 дин/см. Размер водомерок — 0,5–2 см. Это сравнимо с величиной ячеек, которая тем больше, чем больше водоём. Водомерка в большом водоёме может двигаться прямолинейно на расстояние порядка 1 м, затем она резко останавливается, как будто натолкнулась на препятствие, и делает поворот. В малом водоёме ячейки невелики и длина прямолинейного пробега сокращается. Такой характер движения водомерок заставляет предположить, что насекомые чувствуют „неровности“, создаваемые конвективными ячейками, и обходят опасные участки.

Встречающийся в Панаме и Коста-Рике шлемоносный василиск, размер которого достигает 80 см, бегает по воде, удерживая своё тело на поверхности быстро чередующимися ударам задних лап, развивая при этом скорость 12 км/ч. Однако стоять на водной глади ящерица не может; для отдыха она должна выбираться на сушу. Василиску в силу его крупных размеров мелкие ячейки, по-видимому, особо не мешают: он способен двигаться прямолинейно на большие расстояния, до 400 метров.

Её тепло — её богатство

Можно часами любоваться калейдоскопом узоров, создаваемых движением воды. Характер её движения и возникающие в ней структуры — это игра разнообразных сил природы. Здесь проявляют себя гравитационные силы, тянущие воду вниз; архимедовы силы, поднимающие нагретые слои воды при её расширении; электрические силы,связанные с дипольными зарядами как молекул, так и кластеров воды, — они заставляют воду двигаться в электрическом поле и переносить заряды от точки к точке; магнитные силы, возникающие при наличии электрических зарядов в искусственно наведённом магнитном поле или в естественном поле Земли; силы давления, связанные как с изменением толщи воды, так и с изменением внешнего атмосферного давления; силы вязкости и трения, зависящие как от чистоты воды, так и от взаимодействия её молекул со стенками сосуда, а также от их рельефа, заряда и формы. Даже этот достаточно большой список не полон. Строя модели воды, исследователи, как правило, упрощают задачу, отдавая главную роль в зависимости от постановки задачи ограниченному набору сил. Классическая гидродинамика, берущая своё начало от уравнения и теоремы Бернулли, пренебрегала электрическими и магнитными силами в воде. Однако в XXI веке потребности нанотехнологий заставили изучать электромагнитные взаимодействия молекул и кластеров воды с различными материалами искусственного и животного происхождения. Сегодня мы присутствуем при рождении новой ветви гидродинамики — электромагнитной.

Временные шкалы всех жидкостей связаны с температурой. Чем выше температура, тем сильнее сжата шкала изменений — они происходят быстрее. С повышением температуры подвижность молекул жидкости обычно увеличивается. Однако для воды эта шкала — нелинейная, у неё есть целый набор экстремумов её физических параметров и описываемых ими свойств. Некоторые из этих точек хорошо известны. Температура 0°C и 100°C — таяние снега и кипение воды. При атмосферном давлении плотность воды максимальна при 4°C (точнее, при 3,98°C). Аномальным образом по сравнению с другими жидкостями ведёт себя удельная теплоёмкость воды, достигая минимума при 40°C. Сжимаемость воды минимальна при 46°C. По-видимому, василиску бегать по такой воде было бы не только горячо, но и неудобно, как человеку ходить по горячему и зыбкому песку.

Разрабатывая тепловые машины, люди изобрели три способа регуляции тепла: изменять поверхность теплообмена; использовать обтекающие нагреваемый или охлаждаемый объект жидкости или газы и, наконец, регулировать интенсивность нагрева самих топливных элементов. Однако природа задолго до человека использовала все эти три способа, прежде всего применяя на разных временных шкалах водные субстанции как охлаждающий или нагревающий агент.

Водяной социализм: «У горячих отнять — холодным добавить»

Вода, перемещаясь от тёплых зон к холодным, выравнивает температуру и спасает локальные зоны объекта от перегрева или переохлаждения, иначе говоря, от гибели. Например, организм человека содержит свыше 50 л воды, из них 27 — внутриклеточная жидкость, 20 — тканевая жидкость и 3,4 л — плазма крови. Теплоёмкость воды довольно высока и при атмосферном давлении равна 4,18 кДж/(кг·К). Для сравнения; теплоёмкость этилового спирта почти в два раза, а серной кислоты — в три раза меньше. Теплопроводность воды при её связывании, например, с белковыми структурами увеличивается в три раза и более. Нагрев крови обеспечивается теплопродукцией клеток тех органов, которые потребляют наибольшее количество кислорода (скелетные мышцы, сердце, мозг или печень) и соответственно выделяют за счёт окислительных процессов много тепла. В таких органах температура крови повышается, в других, работающих менее интенсивно, — понижается.

Время, с

Шкала времени

10–15

Изменение структур (H2O)п

10–12–10–13

Усреднение для обнаружения кластеров (H2O)n

10–1–104

Образование ячеек при конвекции

100

Сокращения сердца (пульс)

100–102

Температурная водная регуляция внутри организма человека

6×101

Минута

102–103

Изменения конвективных структур в воде при температуре порядка 20°С

3,6×103

Час

8,64×104

Сутки

103–104

Адаптация человека при изменении внешних условий

106

Обновление воды в организме человека

2,6×106

Месяц

3,15×107

Год

2,2×109

Человеческая жизнь

1015

Появление человека

1018

Возраст Земли и возникновение жизни

Температура артериальной крови человека в сравнительно широком диапазоне температур внешней среды (в воздухе от 6,7 до ;32°C, а в воде от 26 до 32°C) благодаря движению крови от органа к органу остаётся почти постоянной — около 37°C. Аналогичная ситуация возникает и в тканях из-за движения тканевой жидкости, и в клетках — в результате движения клеточной жидкости. Временная шкала водной регуляции температуры внутри организма лежит в диапазоне 10⁰–10² с, поскольку полный цикл кровообращения составляет около одной минуты. Однако водная теплорегуляция человека при его адаптации к изменениям внешней среды находится уже в другом временном диапазоне.

Содержание воды в теле человека колеблется от 45 до 75% от его веса и в основном зависит от содержания жира. Во время жары наше тело не может нагреться до температуры воздуха до тех пор, пока вся вода, содержащаяся в нём, не испарится. Однако обезвоживание смертельно для организма. Таким образом, говорят о температуре влажного организма, то есть температура поверхности тела в условиях нагрева уменьшена за счёт испарения воды. Теплота испарения у воды сравнительно велика; при 100°C она равна 22,53×10² кДж/кг. Для сравнения теплота испарения этилового спирта почти в два раза меньше. В среднем человек даже при комфортной температуры теряет за сутки около 500 мл воды.

При существенном повышении температуры внешней среды скорость внутреннего переноса тепла по организму человека не будет лимитирующим фактором, так как время полного оборота крови в организме происходит быстро. Лимитирующим же оказывается прогрев кожи. Из баланса количества тепла, которое передаётся через кожный покров в единицу времени и количества тепла, нарабатываемого внутри организма, можно оценить величину характеристического времени прогрева ткани. С повышением температуры в окружающей среде увеличивается выделение пота, сначала за счёт включения в этот процесс всё большего количества потовых желёз, а потом из-за увеличения их производительности. Например, при температуре окружающего воздуха свыше 50°C за один час может выделиться до двух литров пота. Время адаптации оценивается от 9 мин. до 1,5 часа, то есть попадает в диапазон 10³-10⁴ с. Период полного обновления воды, например, у мышей составляет 2,2 дня, а у человека 19 дней, то есть порядка 10⁶ с.

Ещё для философов античности аналогии между человеком и окружающим его миром были естественным способом познания. Метод аналогий и сегодня остаётся продуктивным. В целом Землю можно уподобить живому организму, где перепады температуры по различным материкам и регионам много больше, чем между органами человека, и доходят до 120°C (от –70°C до +50°C). Удельная теплота плавления льда в равновесном изобарно-изотермическом процессе при 0°C равна 334,4 кДж/кг. Теплопроводность льда сравнительно небольшая — 2,2 Дж/м·с·град, а воды ещё меньше — 0,59 Дж/м·с·град. Если для начала движения потока воды требуются небольшие температурные градиенты, то для фазовых переходов (таяния льда, образования облаков) изменения температуры и затраты энергии резко возрастают. Энергетический буфер планеты — это гидросфера Земли, её океаны, моря и реки. Они, как кровь в организме, сглаживают температурные изменения, уменьшают за счёт течений, испарения или замерзания воды сезонные и суточные перепады температур в диапазоне времён 10⁴–10⁸ с и более.

Сито, на котором задержалась часть нашей истории

Ещё один важный физико-химический аспект свойств воды, проявившийся на очень большом интервале времени, порядка 10¹⁸ с (3,5 млрд. лет), почти не обсуждался в научной литературе, хотя его следствия важны для понимания механизмов зарождения жизни на нашей планете и биологической эволюции.

Ныне существующие живые организмы наряду с водой (кислородом и водородом) содержат внутри себя ещё до 25 из 83 долгоживущих элементов таблицы Менделеева. При этом 14 из них аккумулированы в количествах, не превышающих 0,01% общей массы организма. Лидеры среди элементов, составляющих 99% массы живого, — водород, кислород, углерод и азот. В неживой природе содержится несколько десятков элементов-„изгоев“, которые в живых системах не используются (или почти не используются). К числу таких изгоев принадлежат, например, соединения фтора. Почему появились классы элементов-лидеров и элементов-изгоев?

Напрашивается простой, но неполный ответ: живое на нашей планете эволюционно формировалось из того, что было „под рукой“ в большом количестве. Казалось бы, что действительно все лидеры — H, O, N и C — весьма распространённые химические элементы, при этом физико-химической основой важнейших соединений живой природы служит углерод. Однако его ближайший сосед в таблице Менделеева, кремний, намного более распространён в земной коре. У него также есть способность присоединять четыре электрона и образовывать ковалентные связи. Таким образом, гипотеза об использовании химических элементов для биологической эволюции только по критерию их распространённости подтверждается лишь частично.

В середине XX века некоторые учёные попытались объяснить выбор углерода стабильностью его связей: длина связей C–C равна 1,54 Å, что значительно меньше связи Si–Si (2,34 Å), а энергия связи атомов углерода составляет 80–83 ккал/моль, против 42,2 ккал/моль у кремния. Конечно, для длинных цепей биологических полимеров, таких, как ДНК, РНК или белки, такое различие энергий даёт преимущество углероду. Однако по показателю стабильности водород при присоединении его к углероду не должен был выиграть в конкуренции, например, с фтором. Энергия связи C–F — 120 ккал/моль, энергия связи C–H — 99 ккал/моль. Кроме того, длины связей F и H с углеродом соизмеримы: 1,39 Å и 1,09 Å соответственно. Молекулы перфторуглеродов почти так же компактны, как молекулы углеводородов, но более жёстки.

Противоречия легко устраняются, если предположить, что сначала на нашей планете появилась вода с растворёнными в ней окисями некоторых металлов. Этот раствор стал основным фильтром дальнейшего отбора и определил последующие этапы „выбора“ химических элементов для синтеза живого и его эволюционного усложнения.

Каковы были запасы воды на заре биологической эволюции? На этот вопрос ответить трудно. Сейчас в земной коре и литосфере, по разным оценкам, находится от 1 до 1,3 млрд. км³ воды. Гидросфера планеты в целом составляет 1,4–1,5 млрд. км³ воды. Возвращаясь к анализу физико-химической основы биологической эволюции, следует отметить прежде всего специфику взаимодействия соединений различных элементов с водой.

Движение небольшой капли перфтордекалина C₁₀F₁₈ по поверхности воды:
а) фотография капли на поверхности воды, налитой в чашку Петри;
б) схема поперечного сечения капли по линии АА;
в) траектория быстрого движения капли на поверхности воды (0,75–1 мм/с), когда вода насыщена газами воздуха;
г) траектория медленного движения капли (0,1 мм/с) в обеднённой газами воздуха воде (положение капли регистрируется каждые 3 с)

С одной стороны, кремний соединён с атомами кислорода связями, которые оставляют два неспаренных электрона кремния и по одному у каждого атома кислорода, что, возможно, было бы хорошо для эволюции, поскольку вызывает процесс суперполимеризации и обусловливает умеренную растворимость в воде таких соединений. Но с другой стороны, сами цепи кремния Si–Si неустойчивы в присутствии H₂O и чувствительны к молекулам малого размера, имеющим неподелённые пары электронов. Например, углеводородное соединение — метан (CH₄) — устойчиво к воде и гидроокиси натрия, а кремневодородный аналог силан (SiH₄), напротив, вступает с ней в реакцию, образуя силикат натрия и газообразный водород (SiH₄ + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 4H₂). Другими словами, соединения C и Si ведут себя по-разному в водном окружении.

Также отличается сродство к воде соединений углерода с водородом и с фтором, поскольку перфторуглеродные молекулы устроены своеобразно: они покрыты „шубой“ из атомов фтора, все связи которых ковалентно замыкаются на находящихся внутри атомах углерода. Такие перфторуглеродные молекулы сильно гидрофобны, они отталкиваются от воды; их небольшие капли могут двигаться по поверхности воды, толкаемые пузырьками выходящего из неё газа. Полная несмачиваемость водой таких соединений, по-видимому, и стала причиной зачисления фтора в класс „изгоев“.

На начальном этапе биологической эволюции вода отбирала строительный материал для создания жизни, а затем сохраняла свои находки, сглаживая природные температурные катаклизмы. Суша по сравнению с океаном в большей степени была подвержена резким повышениям или понижениям температуры, что ускоряло эволюционный отбор. С одной стороны, кремний соединён с атомами кислорода связями, которые оставляют два неспаренных электрона кремния и по одному у каждого атома кислорода, что, возможно, было бы хорошо для эволюции, поскольку вызывает процесс суперполимеризации и обусловливает умеренную растворимость в воде таких соединений. Но с другой стороны, сами цепи кремния Si–Si неустойчивы в присутствии H₂O и чувствительны к молекулам малого размера, имеющим неподелённые пары электронов. Например, углеводородное соединение — метан (CH₄) — устойчиво к воде и гидроокиси натрия, а кремневодородный аналог силан (SiH₄), напротив, вступает с ней в реакцию, образуя силикат натрия и газообразный водород (SiH₄ + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 4H₂). Другими словами, соединения C и Si ведут себя по-разному в водном окружении.

Итак, вода, как многоликий Янус, на разных временных шкалах выступала и выступает в разных обличиях своих свойств и функций. Она кажется почти одушевлённым объектом. Разнообразие движения воды — водовороты, водопады, волны и конвективные ячейки — продолжает пленять и восхищать не только учёных, но и поэтов, и художников. Для исследователей же она служит тем звеном, которое и сегодня позволяет объединить фрагменты природы в единое целое.

Что ещё можно почитать на эту тему:

Иваницкий Г.Р. и др. Структуры на поверхности воды, наблюдаемые с помощью инфракрасной техники. Успехи физических наук. 2005, т. 175, №11.

Источник: wsyachina.narod.ru/physics/aqua_5.html

Последовательное изменение структур, видимое в инфракрасном свете с длиной волн 8–12 мкм при остывании воды от 40°С до 20°С в круглом резервуаре диаметром 17 см. В левом нижнем углу показано время в секундах. Температура в комнате 21,5°С

Гидробиологам интересен ответ на вопрос: влияет ли обнаруженная конвекция воды на организмы, живущие на поверхности водоёма? Диапазон размеров живых существ, бегающих по воде, чрезвычайно велик и составляет несколько порядков: от сравнительно крупной тропической ящерицы василиска до мелких водных клопов-водомерок.

Например, водомерки Gerris remigis или Gerris paludum могут развивать скорость до 0,5 км/ч. Эти и подобные им мелкие существа „разговаривают“ с помощью поверхностных волн, которые создают вибрацией ног. Время изменения конвективных структур самой воды в установившемся режиме не превышает 10³–10⁴ с. Частоты общения насекомых лежат во временном диапазоне 10^–1–10^–2 с, то есть на три — пять порядков ниже. Следовательно, на коммуникацию насекомых конвективные структуры воды влиять не должны. Возможно, что горбы и впадины ячеек создают незначительные искажения звуковых волн и воспринимаются водомерками так же, как мы воспринимаем эхо.