Вода в природе

<

Статья
с сайта компании "Укрмедполис".

Без воды на Земле нет деятельной жизни.
Однако вода - самая большая загадка природы.

Исключением из исключений называл ее Л. Полинг. (Water.ru: Лайнус Карл Полинг (Linus Carl Pauling), 1901-1994 гг., выдающийся американский химик, физик, биолог. Дважды лауреат Нобелевской премии . Автор первых фундаментальных исследований по применению квантовой механики к изучению химической связей в молекулах и кристаллах. Труды по структуре белков, иммунохимии, молекулярной генетике. Широкой общественности известен своей теорией о пользе сверхбольших доз аскорбиновой кислоты (витамина С) и как автор популярного учебника "Общая химия").

Остановимся на физике воды подробнее. Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай. (W.ru: внесистемная единица электрического дипольного момента молекул. Названа по имени Петера Дебая (P. Debye), 1884-1966 гг., американского физика голландского происхождения, лауреата Нобелевской премии 1936 г. П. Дебай - автор фундаментального труда по квантовой теории твердых тел (модель твердого тела Дебая, температура Дебая, закон теплоемкости Дебая), автор дипольной теории диэлектриков. Разработал рентгеновский метод исследования поликристаллических материалов (метод Дебая - Шеррера)).

Благодаря этому молекулы воды стремятся нейтрализовать электрическое поле. Под воздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде. Этим объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

"Помогая" контактирующим с ней молекулам разлагаться на ионы (например, солям кислот), сама вода проявляет большую устойчивость. Из 1 млрд. молекул воды диссоциированными при обычной температуре оказываются лишь две, при этом протон не сохраняется в свободном состоянии, а вероятнее всего входит в состав иона гидроксония. (W.ru: Гидроксоний (Н3О+) - это гидратированный ион водорода; существует в водных растворах кислот).

Вода химически не изменяется под действиям большинства тех соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах.

Молекулы в объеме воды сближаются противоположными зарядами, возникают межмолекулярные водородные связи между ядрами водорода и неподеленными электронами кислорода, насыщая электронную недостаточность водорода одной молекулы воды и фиксируя его по отношению к кислороду другой молекулы. Тетраэдрическая направленность водородного облака позволяет образовать четыре водородные связи для каждой водной молекулы, которая благодаря этому может ассоциировать с четырьмя соседними.

Водородные связи в несколько раз слабее ковалентных связей, объединяющих атомы кислорода и водорода. Микромолекулярная структура воды с большим количеством полостей позволяет ей, разрывая водородные связи, присоединять молекулы или части молекул других веществ, способствуя их растворению...

Сравнивая воду - гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической системы Д.И. Менделеева, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при - 70 оС, а замерзать при - 90 оС. Но в обычных условиях вода замерзает при 0 оС и закипает при 100 оС .

Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциированность ее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, для того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100 оС, требуется в шестеро больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80 оС. Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. По сравнению с другими веществами, она способна воспринимать гораздо больше тепла, существенно не нагреваясь. Вода выступает как бы регулятором температуры, сглаживая благодаря своей большой теплоемкости резкие температурные колебания. В интервале от 0 до 37 оС теплоемкость ее падает и только после 37 оС начинает повышаться. Минимум теплоемкости воды соответствует температуре 36 - 39 оС - нормальной температуре человеческого тела. Благодаря этому возможна жизнь теплокровных животных, в том числе и человека.

Биологическая целесообразность поддержания температуры тела вблизи минимального значения теплоемкости воды может быть связана с микрофазовыми превращениями в системе "жидкость-кристалл ", т. е. " вода-лед". При изменении температуры от 0 до 100 оС в нормальных условиях вода последовательно проходит пять фазовых состояний. Температурными границами существования фаз служат величины 0; 15; 30; 45; 60 и 100 оС, причем первая фаза характеризуется гексагональной кристаллической структурой, а остальные четыре - кубической. Границы третьей фазы (30-45 оС) очерчивают температурную область жизни теплокровных животных. Другие виды животных организмов приспособились к иным температурным интервалам.

Среди необычных свойств воды следует отметить и ее исключительно высокое поверхностное натяжение - 72, 7 эрг/см2 (при 20 оС). В этом отношении среди жидкостей вода уступает только ртути. Поверхностное натяжение проявляется в смачивании. Все вещества, которые легко смачиваются водой, имеют в своем составе молекулы с атомами кислорода. Энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с этими атомами кислорода, что и обуславливает эффект смачивания. Смачивание и поверхностное натяжение лежат в основе явления, названного капиллярностью. Оно состоит в том, что в узких каналах вода способна подниматься на высоту гораздо большую, чем та, которая допускается силой тяжести для столбика данного сечения. Капиллярность имеет огромное значение для эволюции жизни на нашей планете. Благодаря этому явлению вода смачивает толщу земли, лежащую значительно выше грунтовых вод, и доставляет корням растений растворы питательных солей с глубины в десятки метров. Капиллярностью во многом обусловлено движение крови и тканевых жидкостей.

Вода при охлаждении в нормальных условиях ниже 0 оС кристаллизируется, образуя лед, плотность которого меньше, а объем почти на 10% больше объема исходной воды. Охлаждаясь, вода ведет себя как многие другие соединения: понемногу уплотняется-уменьшает свой удельный объем. Но при 4 оС ( точнее, при 3,98 оС) наступает кризисное состояние: при дальнейшем понижении температуры объем воды уже не уменьшается, а увеличивается. С этого момента начинается упорядочение взаимного расположения молекул, складывается характерная для льда гексагональная кристаллическая структура. Каждая молекула в структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими. Это приводит к тому, что в фазе льда образуется ажурная конструкция с " каналами" между фиксированными молекулами воды. В водных растворах некоторых органических веществ вокруг молекул примесей возникают упорядоченные группы водных молекул-своеобразные зоны "жидкого льда", имеющие кубическую структуру, которая отличается большой рыхлостью по сравнению с гексагональной. Появление такого льда вызывает значительное расширение всей замерзшей массы. При появлении льда разрушаются связи не только дальнего, но и ближнего порядка. Так, при 0 оС 9- 15% молекул Н2О утрачивают связи с соединениями, в результате увеличивается подвижность части молекул и они погружаются в те полости, которыми богата ажурная структура льда. Этим объясняется сжатие льда при таянии и большая по сравнению с ним плотность образующейся воды. При переходе " лед-вода" плотность возрастает примерно на 10%, и можно считать, что эта величина определенным образом характеризует количество молекул Н2О, попавших в полости.

Выше 0 оС молекулы воды вследствие теплового возмущения утрачивают способность образовывать постоянную жесткую решетку, но тенденция к упорядочению сохраняется. Вода находится в состоянии, которое условно характеризуют как "квазикристаллическое". При той температуре, когда лед превращается в воду, сохраняются еще многие водородные связи, и в воде присутствуют ассоциаты молекул с открытой тетраэдрической структурой. Повышение температуры вызывает распад этих пространственных ассоциатов, что приводит к дальнейшему увеличению плотности воды-до температуры 4 оС. При дальнейшем росте температуры закономерное расширение воды, обуславливаемое усилением молекулярного движения, превосходит эффект структурной перестройки " лед-вода", и плотность воды плавно снижается. Благодаря особенностям переходов "лед-вода", осуществляющихся в интервале О-4 оС, при сезонных изменениях температуры реки и озера не промерзают до дна. Верхний слой, охладившись до 4 оС и достигнув максимальной плотности, опускается на дно водоема, принося кислород его обитателям и обеспечивая равномерное распределение питательных веществ. Поднявшиеся к поверхности более теплые слои воды уплотняются при соприкосновении с приповерхностным воздухом, охлаждаются до 4 оС и в свою очередь опускаются. Такое "перемешивание" происходит до тех пор, пока циркуляция естественно не прекращается и водоем не покроется плавающим слоем льда. Теплопроводность льда намного меньше, чем воды, поэтому он надежно предохраняет глубины водоема от сквозного промерзания.

Из 36 стабильных и радиоактивных разновидностей молекул воды наиболее распространены 9 стабильных разновидностей (их называют изотопами). Изотопы водорода - дейтерий, тритий и протий. В норме в обычной воде находится 0,015 атомных процентов дейтерия, в талой воде немного ниже. Известны легкая, тяжелая и сверхтяжелая вода в зависимости от содержания в ней этих изотопов. Диаметр молекулы воды - около 2,8 ангстрем. Она похожа на шарик с двумя бугорками. Все необычные свойства воды определяются ее молекулярной структурой . Каждая молекула может соединиться с четырьмя другими. Но это происходит только в твердом состоянии - во льду. При температуре 37 оС время оседлости воды - 10-11сек., а во льду 10-5 сек. Чем меньше движется молекула воды, чем ближе ее свойства к свойствам воды в состоянии льда, тем выше с точки зрения биологии качество воды. Энтропия - мера хаоса любой системы. У воды в состоянии льда энтропия меньше всего.

Многие биологические свойства воды определяются ее структурой, то есть соотношением мономерных и ассоциированных молекул воды в жидком состоянии. Согласно одной из моделей - кластерной - в жидкой воде, наряду с мономерными молекулами, имеются ассоциаты, кластеры молекулы воды. Рой молекул воды, объединенных водородными связями (их называют кластерами), со временем жизни 10-10 - 10 -11 сек. находятся в жидкой массе мономерных молекул. Они разрушаются и воссоздаются вновь, поэтому данная модель называется моделью "мерцающих скоплений". Объединение прочих кластеров является основой длительной структурной памяти воды, а быстро распадающихся - кратковременной. Содержащиеся в воде токсические соединения после удаления так изменяют ее структуру, что она оказывает повреждающее воздействие. Серьезным доказательством существования памяти воды является гомеопатия. Лечебное воздействие гомеопатических лекарств основывается на том следе, который они оставляют в структурной памяти воды.

На главную страницу сайта ООО "Укрмедполис".
Вверх