Аномалии воды
Современная наука утвердила роль воды как универсального, планетарного компонента, определяющего структуру и свойства бесчисленного множества объектов живой и неживой природы.
Развитие молекулярных и структурно-химических представлений позволило дать объяснение исключительной способности молекул воды образовывать связи с молекулами почти всех веществ.
Стала проясняться также роль связанной воды в формировании важнейших физических свойств гидратированных органических и неорганических веществ. Большой и все возрастающий научный интерес привлекает проблема биологической роли воды.
Заселенная живыми организмами наружная оболочка нашей планеты – биосфера является вместилищем жизни на Земле. Её первоосновой, ее незаменимым компонентом является вода. Вода - это и строительный материал, который используется для создания всего живого, и среда, в которой протекают все жизненные процессы, и растворитель, выносящий из организма вредные для него вещества, и уникальный транспорт, снабжающий биологические структуры всем необходимым для нормального протекания в них сложнейших физико-химических процессов. И это всеобъемлющее влияние воды на любую живую структуру может быть не только положительным, но и отрицательным. В зависимости от своего состояния вода может быть как созидателем цветущей жизни, так и ее разрушителем, могильщиком - всё зависит от ее химического и изотопного состава, структурных, биоэнергетических свойств. Не случайно академик И. В. Петрянов сказал: "Вода - это подлинное чудо природы!".
Аномальные свойства воды были открыты учеными в результате длительных и трудоемких исследований. Эти свойства столь привычны и естественны в обыденной нашей жизни, что обычный человек даже не подозревает об их существовании. А вместе с тем вода - вечная спутница жизни на Земле действительно оригинальна и неповторима.
Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы Н2О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар. Эта особенность объясняет сравнительно высокую удельную теплоту испарения воды. Становится понятным, что структура воды, характерные связи между молекулами воды, лежат в основе особых свойств воды. Американские ученые У. Латимер и У. Родебуш предложили в 1920 г. эти особые связи называть водородными и с этого времени представление об этом типе связи между молекулами навсегда вошло в теорию химической связи. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что происхождение водородной связи обусловлено квантово-механическиими особенностями взаимодействия протона с атомами.
Рис. Образование водородной связи
Еще в 1916 г. были разработаны принципиально новые представления о строении жидкости. Впервые с помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в жидкостях наблюдается определенная регулярность расположения молекул или иначе - наблюдается ближний порядок расположения молекул. Первые ренгеноструктурные исследования воды провели нидерландские ученые в 1922 году В. Кеез и Дж. де Смедт. Ими было показано, что для жидкой воды характерна упорядоченное размещение молекул воды, т.е. вода имеет определённую регулярную структуру.
Действительно, структура воды в живом организме во многом напоминает структуру кристаллической решетки льда. И именно этим объясняются сейчас уникальные свойства талой воды, долгое время сохраняющей структуру льда. Талая вода гораздо легче обычной вступает в реакцию с различными веществами, и организму не надо тратить добавочную энергию на перестройку ее структуры.
Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28', направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру (при этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный).
Рис. Кристаллическая структура льда
Известно, что биологические ткани на 70-90% состоят из воды. Это позволяет предполагать, что многие физиологические явления могут отображать молекулярные особенности не только растворенного вещества, но в равной степени и растворителя - воды. Подобного рода соображения, высказываемые такими крупными современными учеными, как Сент-Дьерди, Поллинг, Клотц и другие, вызвали новую волну повышенного интереса к вопросам структуры и состояния воды в различных системах.
Первую теорию о структуре воды выдвинули английские исследователи Дж.Бернал и Фаулер. Они создали концепцию о тетраэдрической структуре воды.
Рис. Тетраэдрическая структура воды
В своей научной интуиции Дж. Бернал и Р. Фаулер опирались на обширный материал накопленных экспериментальных и теоретических данных в области изучения строения молекулы воды, структуры льда, строения простых жидкостей, на данные ренгеноструктурного анализа воды и водных растворов. Прежде всего они определили роль водородных связей в воде. Было известно, что в воде есть ковалентные и водородные связи. Ковалентные связи не рвутся при фазовых переходах воды: вода-пар-лед. Лишь электролиз, нагревание воды на железе и т.п. разрывает ковалентные связи воды. Водородные связи в 24 раза слабее ковалентных. При таянии льда, снега, водородные связи в образующейся воде частично сохраняются, в паре воды они все разорваны.
Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3.
Второе важное доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояла в том, что в отличие от других жидкостей вода - это было уже известно - обладает сильным электрическим моментом, составляюющим ее дипольную структуру. Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.
Экспериментальные данные, а также математические расчеты окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды "однобока" и имеет "угловую" конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода на угол 104,50:
Рис. справа - Строение молекулы воды
Именно поэтому модель воды Бернала-Фаулера - трехструктурная, с наличием нескольких раздельных типов структур. Согласно этой модели, структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.
В дальнейшем была развита идея считать жидкую воду псевдокристаллом, согласно которой вода в жидком состоянии представляет собой как бы смесь трех компонент с различными структурами (структура льда, кристаллического кварца и плотно упакованная структура обычной воды).
Вода - это ажурный псевдокристалл, в котором отдельные тетраэдрические молекулы H2О связаны друг с другом направленными водородными связями, образуя гексагональные структуры как в структуре льда.
Рис. Вода как псевдокристалл
В дальнейшем модель воды Бернала-Фаулера была уточнена и пересмотрена. На ее основе возникли более 20 моделей структуры воды, которые можно разделить на 5 групп; 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двухи трехструктурные), 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.
Непрерывные модели структуры воды постулируют, что вода - это единая тетраэдрическая сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.
Рис. Непрерывная модель воды
Смешанные модели: вода - это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности – кластеров.
Широко известна кластерная модель структуры воды А.Фрэнка и В.Вена, усовершенствованная Г. Немети-Г. Шерагой (1962). По этой модели, в жидкой воде, наряду с мономерными молекулами имеются кластеры, рои молекул Н2О, объединенных водородными связями со временем жизни 10-10 – 10-11 сек. Они разрушаются и создаются вновь.
Практически все кластерные гипотезы воды основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных молекул Н2О и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1, 2или 3-х кратно связанные молекулы. Еще данную модель называют моделью "мерцающих скоплений". По С. Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды - долговременной (стабильные) и кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).
В настоящее время известно большое число гипотез и моделей структуры воды. Некоторые исследователи говорят о наличии в воде 10 различных структур воды с неодинаковыми кристаллическими решетками, различной плотностью и температурой плавления.
Профессор И.З. Фишер в 1961 г. ввел понятие о том, что структура воды зависит от временного интервала, в течение которого ее определяют. Он различал три вида структуры воды.
1. Мгновенная структура (время измерения t<to - времени оседлой жизни молекулы воды, где to – 10-13 сек). Данная структура существует меньше времени осцилляции молекул воды.
2. Структура воды средних отрезков времени, когда tд < t > to. 1 и 2 структуры общие со структурой льда. Эта структура существует больше времени осциляции, но меньше времени диффузии tд.
3. Структура, характерная для более длительных отрезков времени (>tд), когда молекула H2О передвигается на большие расстояния.
Д. Эзенберг и В. Каутсман связали названия этих трех структур воды с видами движения ее молекул, 1-ю структуру они назвали І-структурой (от английского instantenous – мгновенный), 2-ю - V-структурой (от английского vibrational- вибрационный), 3-ю - D-структурой (от английского diffusion – диффузионный).
Рентгеноструктурное исследование кристаллов воды, проведенное Морганом и Уорреном, показало, что воде свойственна структура, подобная структуре льда. В воде, также как и во льду, каждый атом кислорода окружен как в тетраэдре другими атомами кислорода. Расстояние между соседними молекулами неодинаково. При 25°С каждая молекула воды в каркасе имеет одного соседа на расстоянии 2,77 Å и трех - на расстоянии 2,94 Å, в среднем - 2,90 Å. Среднее между ближайшими соседями молекулы воды примерно на 5,5% больше, чем между молекулами льда. Остальные молекулы находятся на расстояниях, промежуточных между первыми и вторыми соседними дистанциями. Расстояние 4,1 Å - это расстояние между атомами О-Н в молекуле Н2О.
По современным представлениям, такая структура в значительной мере определяется водородными связями, которые, объединяя каждую молекулу с ее четырьмя соседями, образуют весьма ажурную "тридимитоподобную" структуру с пустотами, превосходящими по размерам сами молекулы. Основное отличие структуры жидкой воды от льда - это более размытое расположение атомов в решетке, нарушение дальнего порядка. Тепловые колебания приводят к изгибу и разрыву водородных связей. Сошедшие с равновесных положений молекулы воды попадают в соседние пустоты структуры и на некоторое время задерживаются там, так как пустотам соответствуют относительные минимумы потенциальной энергии. Это ведет к увеличению координационного числа и к образованию дефектов решетки, наличие которых обусловливает аномальные свойства воды. Координационное число молекул (число ближайших соседей) меняется от 4,4 при 1,5 °С до 4,9 при 83 °С.
Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или пять молекул Н2О (объемно-центрированный тетраэдр).
При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи. За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя различные кластеры со сложной структурой, например, в форме додекаэдра.
Рис. Возможные кластеры воды
Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры:
Рис. Более сложные ассоциаты кластеров воды
Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу оказались более стабильными.
Рис. Формирование стабильного кластера воды из 20 отдельных молекул воды (рисунок ниже)
Профессор Мартин Чаплин рассчитал и предположил иную модель воды, в основе которой лежит икосаэдр.
Рис. Формирование икосаэдра воды
Рис. Гигантский икосаэдр воды
РИСУНКИ НИЖЕ СПРАВА
Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды - это в два раза больше, чем в модели Зенина. Гигантский икосаэдр в свою очередь состоит из 13 более мелких структурных элементов. Причем, так же как и у Зенина, структура гигантского ассоциата базируется на более мелких образованиях.
Таким образом, сейчас это является очевидным фактом, что в воде возникают ассоциаты воды, которые несут в себе очень большую энергию и информацию крайне высокой плотности.
Кванты воды" могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин “кванта” своими гранями. При этом возможно образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл.
Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает, согласно гипотезе Зенина, высокую чувствительность информационной системы воды. Если степень возмущения структурных элементов недостаточна для перестройки всей структуры воды в данном объеме, то после снятия возмущения система через 30-40 мин возвращается в исходное состояние. Если же перекодирование, т. е. переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то в новом состоянии отражается кодирующее действие вызвавшего эту перестройку вещества [Зенин, 1994]. Такая модель позволяет Зенину объясненить "память воды" и ее информационные свойства [Зенин, 1997].
Кроме того, структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей. С. Зенин считает, что мозг, сам состоящий на 90% из воды, может, тем не менее, изменять её структуру.
Рис. Отдельный кластер воды (компъютерное моделирование)
Кластерная модель воды объясняет её многие аномальные свойства.
Первое аномальное свойство воды – аномалия точек кипения и замерзания: Если бы вода - гидрид кислорода – Н2О была бы нормальным мономолекулярным соединением, таким, например, как ее аналоги по шестой группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева гидрид серы Н2S, гидрид селена Н2Se, гидрид теллура Н2Те, то в жидком состоянии вода существовала бы в диапазоне от минус 900С до минус 700С.
Рис. Аномалии точек кипения и замерзания воды по сравнению с другими соединениями водорода.
При таких свойствах воды жизни на Земле не существовало бы. Но к счастью для нас, и для всего живого на свете, вода аномальна. Она не признает периодических закономерностей, характерных для бесчисленного множества соединений на Земле и в космосе, а следует своим, еще не вполне понятным для науки законам, подарившим нам удивительный мир жизни.
"Ненормальные" температуры плавления и кипения воды далеко не единственная аномальность воды. Для всей биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. Это вторая аномалия воды, которая именуется аномалией плотности. На это особое свойство воды впервые обратил внимание еще Г. Галилей. При переходе любой жидкости (кроме галлия и висмута) в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Любой жидкости, но не воды. Вода и здесь представляет собой исключение. При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, она уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +4°С (точнее до +3,98°С).
Именно при температуре +3,98°С вода имеет наибольшую плотность и наименьший объем. Дальнейшее охлаждение воды постепенно приводит уже не к уменьшению, а к увеличению объема. Плавность этого процесса вдруг прерывается и при 0°С происходит резкий скачок увеличения объема почти на 10%! В это мгновение вода превращается в лед.
Уникальная особенность поведения воды при охлаждении и образовании льда играет исключительно важную роль в природе и жизни. Именно эта особенность воды предохраняет от сплошного промерзания в зимний период все водоемы земли - реки, озера, моря и тем самым спасает жизнь.
В отличие от пресной воды морская вода при охлаждении ведет себя иначе. Замерзает она не при 0°С, а при минус 1,8-2,1°С - в зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Имеет максимальную плотность не при + 4°С, а при -3,5°С. Таким образом она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание в пресных водоемах прекращается при охлаждении всей массы воды до +4°С, то в морской воде вертикальная циркуляция происходит даже при температуре ниже 0°С. Процесс обмена между верхними и нижними слоями идет непрерывно, создавая благоприятные условия для развития животных и растительных организмов.
Особенно благоприятной средой для обитателей морей и океанов являются талые воды, образующиеся при таянии ледников и айсбергов. В безбрежных просторах океанов плавающие горы-айсберги в основном скрыты под водой, однако могут представлять серьезную опасность для судоходства. Трагедией века была названа гибель "Титаника", которая произошла в результате столкновения суперлайнера с огромным айсбергом 14 апреля 1912 года.
Все термодинамические свойства воды заметно или резко отличаются от других веществ.
Наиболее важная из них – аномалия удельной теплоемкости. Аномально высокая теплоемкость воды делает моря и океаны гигантским регулятором температуры нашей планеты, в результате чего не происходит резкого перепада температур зимой и летом, днем и ночью. Континенты, расположенные вблизи морей и океанов, обладают мягким климатом, где перепады температуры в различные времена года бывают незначительными.
Мощные атмосферные потоки, содержащие огромное количество теплоты, поглощенное в процессе парообразования, гигантские океанические течения играют исключительную роль в создании погоды на нашей планете.
Аномалия теплоёмкости заключается в следующем: При нагревании любого вещества теплоемкость неизменно повышается. Да, любого вещества, но не воды. Вода - исключение, она и здесь не упускает возможности быть оригинальной: с повышением температуры изменение теплоемкости воды аномально; от 0 до 37°С она понижается и только от 37 до 100°С теплоемкость все время растет.
В пределах температур, близких к 37°С, теплоемкость воды минимальна. Именно эти температуры - область температур человеческого тела, область нашей жизни. Физика воды в области температур 35-41°С (пределы возможных, нормально протекающих физиологических процессов в организме человека) констатирует вероятность достижения уникального состояния воды, когда массы квазикристаллической www.aquaberd.nm.ru/data/books/voda-i-zdorovye.htm-ftn2 и объемной воды равны друг другу и способность одной структуры переходить в другую - вариабельность - максимальная. Это замечательное свойство воды предопределяет равную вероятность течения обратимых и необратимых биохимических реакций в организме человека и обеспечивает "легкое управление" ими.
Другим общеизвестна исключительная способность воды растворять любые вещества. И здесь вода демонстрирует необычные для жидкости аномалии, и в первую очередь аномалии диэлектрической постоянной воды. Это связано с тем, что ее диэлектрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость) очень велика и составляет 81, в то время как для других жидкостей она не превышает 10. В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия двух заряженных частиц в воде будет в 81 раз меньше, чем, например, в воздухе, где эта характеристика равна единице. В этом случае прочность внутримолекулярных связей уменьшается в 81 раз и под действием теплового движения молекулы диссоциируют с образованием ионов. Необходимо отметить, что из-за исключительной способности растворять другие вещества вода никогда не бывает идеально чистой.
Следует упомянуть еще об одном удивительной аномалии воды - исключительно высоком поверхностном натяжении. Из всех известных жидкостей только ртуть имеет более высокое поверхностное натяжение. Это свойство проявляется в том, что вода всегда стремится сократить свою поверхность.
Нескомпенсированные межмолекулярные силы наружного (поверхностного) слоя воды, вызванные квантовомеханическими причинами, создают внешнюю упругую пленку. Благодаря пленке многие предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду. Если, например, стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, то иголка не тонет. А ведь удельный вес стали почти в восемь раз больше удельного веса воды. Всем известна форма капли воды. Высокое поверхностное натяжение позволяет воде иметь шарообразную форму при свободном падении.
Поверхностное натяжение и смачивание являются основой особого свойств воды и водных растворов, названного капиллярностью. Капиллярность имеет огромное значение для жизни растительного, животного мира, формирования структур природных минералов и плодородия земли. В каналах, которые во много раз уже человеческого волоса, вода приобретает удивительные свойства. Она становится более вязкой, уплотняется в 1,5 раза, а замерзает при минус 80-70°С.
Причиной сверханомальности капиллярной воды являются межмолекулярные взаимодействия, тайны которых еще далеко не раскрыты.
Ученым и специалистам известна так называемая поровая вода. В виде тончайшей пленки она устилает поверхность пор и микрополостей пород и минералов земной коры и других объектов живой и неживой природы.
Связанная межмолекулярными силами с поверхностью других тел, эта вода, как и капиллярная вода, обладает особой структурой.
Таким образом, аномальные и специфические свойства воды играют ключевую роль в ее многообразном взаимодействии с живой и неживой природой. Все эти необычные особенности свойств воды настолько "удачны" для всего живого, что делает воду незаменимой основой существования жизни на Земле.
К. х. н. О. В. Мосин
Литературные источники
Белая М.Л., Левадный В.Г. Молекулярная структура воды. М.: Знание 1987. – 46 с.
Бернал Дж. Д. Геометрия построек из молекул воды. Успехи химии, 1956, т. 25, с. 643-660.
Бульенков Н.А. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на разных уровнях их иерархии. Биофизика, 1991, т.36, в.2, с.181-243.
Зацепина Т.Н. Свойства и структура воды. М.: изд-во МГУ, 1974, - 280 с.
Наберухин Ю.И. Структурные модели жидкости. М.: Наука. 1981 – 185 с.
спосибо
хорошая статья
Очень интересно и понятно. Спасибо