Реферат: Свойства и структура воды

Санкт-Петербургский государственныйархитектурно-строительный университет

Кафедра химии

РЕФЕРАТ

Свойства и структура воды

                                                          Выполнилстудент

группы 2-В-1

                                                                   ГороховМ. В.

                                                                   Принял

                                                                   доцент

Л. И. Акимов

Санкт-Петербург

1999

 

Содержание:

1. Введение. Вода в природе…  3

2. Структура воды…  5

3. Свойства воды… 11

4. Серебряная италая вода… 20

5. Заключение…  22

6. Литература…  23

Введение. Вода в природе.

Самое важное дляжизни – вода.

Вода имеетпервостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности ибиохимических. Древнее положение алхимиков – «тела не действуют, пока нерастворены» – в значительной степени справедливо.

Человеческийзародыш содержит воды, %: трехдневный — 97, трехмесячный — 91, восьмимесячный — 81. У взрослого человека доля воды в организме составляет 65%.

Человек и животныемогут в своем организме синтезировать первичную («ювенильную») воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда,например, жир содержащийся  в горбу, может путем окисления дать 40 л воды.

Связь между водойи жизнью столь велика, что даже позволила В. И. Вернадскому «рассматриватьжизнь, как особую коллоидальную водную систему… как особое царство природныхвод».

Количество воды,содержащейся в живых существа составляет в каждый данный момент громаднуювеличину. Силами жизни в течение одного года перемещаются десятые доли процентавсего океана, а в немногие сотни лет через живое вещество проходят массы воды,превышающие массу Мирового океана.

Геохимическийсостав океанической воды близок к составу крови животных и человека (см табл.).

Сравнительное содержаниеэлементов в крови человека  и в Мировом океане, %

 

Элементы

 

Состав крови человека

Состав Мирового океана

Хлор 49,3 55,0 Натрий 30,0 30,6 Кислород 9,9 5,6 Калий 1,8 1,1 Кальций 0,8 1,2

Вода — весьма распространенное в природе вещество. 71% поверхности земного шара покрыт водой, образующейокеаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии ввиде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый годна вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находитсявода, пропитывающая почву и горные породы. Общие запасы воды на Земле составляют1454,3 млн. км3 (из них менее 2% относится к пресным водам, адоступны для использования 0,3%).

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболеечи­стой является дождевая вода, но и она содержитнезначительные количества различных примесей,которые захватывает из воздуха.

Количество примесей в пресных водах обычно лежит впреде­лах от 0,01 до 0,1% (масс.). Морская водасодержит 3,5% (масс.) растворенныхвеществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).

Вода, содержащая значительное количество солей кальцияи магния, называется жесткой в отличие от мягкойводы, на­пример дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенкахкотлов образует накипь.

Чтобы освободить природную воду от взвешенных в нейчастиц, ее фильтруют сквозь слой пористоговещества, например, угля, обожженной глины и т. п.

Фильтрованием можно удалить из воды тольконерастворимые примеси. Растворенные веществаудаляют из нее путем перегонки (дистилляции) илиионного обмена.

Вода имеет очень большое значение в жизни растений,животных и человека. Во всяком организме водапредставляет собой среду, в которой протекаютхимические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом рядебиохимических реакций.

Вода — обязательный компонент практически всехтехнологических процессов как промышленного, так и сельскохозяйственногопроизводства.

 

Структураводы

Английский физикГенри Кавендиш  обнаружил, что водород Н и  кислород О образуют  воду. В 1785г. французскими химиками Лавуазье и Менье было установлено, что  вода состоитиз двух весовых частей водорода и шестнадцати весовых частей кислорода.

Однако нельзядумать, что это представление, выражающееся химической формулой Н2О,строго  говоря, верно. Атомы водорода и кислорода, из которых состоит природнаявода, или, точнее, окись  водорода, могут иметь различный атомный вес изначительно отличаться друг от друга по своим физическим и химическимсвойствам, хотя и занимают в периодической системе элементов одно и то жеместо.

Это так называемыеизотопы. Известны пять различных водородов с атомными весами 1, 2, 3, 4, 5 итри различных кислорода с атомными весами  16, 17 и 18. В природном кислородена 3150 атомов  изотопа О16 приходится 5 атомов изотопа кислорода О17и 1 атом изотопа кислорода О18. В природном газообразном водороде на5,5 тыс. атомов легкого водорода Н (протия) приходится 1 атом Н2(дейтерия). Что касается Н3 (трития), а также Н4 и Н5,то их в природной воде на Земле ничтожно мало, но участие их в космическихпроцессах при низких температурах в межпланетном  пространстве, в телах комет ит п. весьма вероятно.

Ядра атомовизотопов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Атомныемассы изотопов различны.

Вокруг ядра атомаводорода вращается один единственный электрон, поэтому атомный номер водородаравен единице. Этот электрон вращается по круговым орбитам, в совокупностиобразующим сферу. Орбит множество, и в зависимости от нахождения электрона на или иной круговой орбите у атома водорода может существовать множествоэнергетических состояний электрона, т. е. он может быть в спокойном или болееили менее возбужденном состояниях.

У атома кислорода8 электронов (атомный номер 8), 6 из которых движутся по наружным орбитам, представляющимформу восьмерки или гантели, и 2 по внутренней круговой орбите. В соответствиис количеством электронов в ядре атома кислорода 8 протонов, таким образом,  саматом в целом нейтрален.

Наиболееустойчивой наружной орбитой атома является состоящая из 8 электронов, а укислорода их 6, т, е.,  не хватает 2 электронов. В то же время водород, как икислород, существует в молекулах, содержащих 2 атома (Н2), связанныхмежду собой двумя электронами, которые легко замещают вакансию двух электроновнаружной орбиты атома кислорода, образуя в совокупности  молекулу воды, сполной устойчивой восьмиэлектронной  наружной />орбитой (см рис 1.).

Рис 1. Схемаобразования молекулы воды (б) из 1 атома кислорода и 2 атомов водорода (а).

Можно привестимного различных схем образования молекулы воды, основанных на представленияхразных физиков. По существу в них нет никаких противоречий и принципиальныхразличий. Ведь в действительности ни строения атомов, ни строения молекулыникто не видел,  поэтому гипотетические схемы строятся лишь на основе косвенныхнаблюдаемых приборами признаков, позволяющихпредположить как поведение, так и свойства атомов и молекул.

Размеры атомов различных элементов колеблются примерноот 0,6 до 2,6 А, а величины длины световой волны –  в несколько тысяч разбольше: (4,5-7,7)*10-5 см.  К тому же и атомы, и молекулы не имеютчетких границ,  чем и объясняется существующий разнобой вычисленных  радиусов.

/>При нормальных условиях следовало быожидать, что  связи атома кислорода с обоими водородными атомами  в молекуле Н2Ообразуют у центрального атома кислорода очень тупой угол, близкий к 180°. Однако совершенно  неожиданно этот угол равен не 180°, а всего лишь 104°31'.  Вследствие этоговнутримолекулярные силы компенсируются не полностью и их избыток проявляетсявне  молекулы. На рис. 2 показаны основные размеры молекулы воды.

Рис 2. Молекула воды и ее размеры.

В молекуле воды положительные и отрицательные зарядыраспределены неравномерно, асимметрично. Такое  расположение зарядов создаетполярность молекулы.  Хотя молекула воды нейтральна, но в силу своей полярностиона ориентируется в пространстве с учетом тяготения своего отрицательнозаряженного  полюса к положительному заряду и положительно заряженного полюса котрицательному заряду.

Внутри молекулы воды это разделение зарядов посравнению с разделением зарядов у других веществ очень велико. Это явлениеназывают дипольным моментом. Эти свойства молекул воды (называемые такжедиэлектрической проницаемостью, которая у Н2О очень велика) имеюточень большое значение, например в процессах растворения различных веществ.

Способность воды растворять твердые телаопределяется ее диэлектрической проницаемостью e, которая уводы при 0° С равна 87,7; при 50° С – 69,9;при 100° С — 55,7. При комнатной температуре диэлектрическаяпроницаемость равна 80. Это значит, что два противоположных электрическихзаряда взаимно притягиваются в воде, с силой, равной 1/80 силы ихвзаимодействия в воздухе. Таким образом, отделение ионов от кристаллакакой-либо соли в воде в 80 раз легче, чем в воздухе.

Но вода состоит не только из однихмолекул. Дело в том, что молекула воды может диссоциировать (расщепляться) назаряженный положительно ион водорода Н+ и на заряженный отрицательногидроксильный ион ОН-. В обычных условиях чистая водадиссоциирована очень слабо: только одна молекула из 10 млн. молекул водыраспадается на ион водорода и ион гидроксила. Однако с повышением температуры иизменением других условий диссоциация может быть значительно большей.

Хотя вода в целом в химическом отношенииинертна, наличие ионов Н+ и ОН- делает ее чрезвычайноактивной.

В воде могут находиться и отрицательно заряженные ионыкислорода (О-). Более того, в природе могут встречаться и другиесоединения водорода с кислородом. К таким соединениям в первую очередьпринадлежит широко распространенный отрицательно заряженный гидрооксоний Н3О+.Он встречается в растворах галита (NaСl) при высокихтемпературах и давлениях. Гидрооксоний  находится в узлах решетки льда (вместес гидроксильным  ином ОН-)  в количестве (при 0° С) 0,27*10-9 частей, а также в связанном состоянии вомногих минералах.

Н3О+ и ОН- в глубокихнедрах являются переносчиками многих соединений (особенно в процессегранитизации). К другим соединениям водорода с кислородом относятся  перекисьводорода (Н2О2), перигидроксил (НО2),гидроксил-моногидрат (Н3О2) и т. п. Все они неустойчивы вусловиях земной поверхности, однако при некоторых темературах и давлениях могутнаходиться в природе длительное время, а главное – превращаться в молекулуводы, о чем будет сказано ниже. Н3О2 — обнаруженв облаках ионосферы на высоте более 100 км над уровнем моря.

Как уже было отмечено выше, молекулаводы, как правило,  нейтральна. Однако при вырывании из нее электрона бета-лучами (быстрыми электронами) может образоваться  заряженная «молекула»воды – положительный ион  H2O+. Привзаимодействии воды с этим ионом возникает  радикал ОН-  по схеме:

H2O+ + H2O = Н3О+ + ОН-.

При рекомбинации гидрооксония Н3О+с электроном выделяется энергия, равная 196 ккал/моль, достаточная длярасщепления Н2О на Н и ОН. Свободные радикалы  играют весьма важнуюроль в астрофизике и в физике земной атмосферы. На Солнце был обнаружен радикалОН, причем в пятнах в повышенном количестве. Он же обнаружен в звездах и вголовной части комет.

Итак, рассматривая воду только каквещество, состоящее из атомов, молекул и ионов водорода и кислорода, и непринимая во внимание все другие элементы периодической системы и ихнеорганические и органические соединения, которые могут находиться  воде в видерастворов, взвесей, эмульсий и примесей,  газообразном, жидком и твердомсостояниях, можно выделить 36 соединений – разновидностей водорода и кислорода,входящих в состав воды. В  табл. 1 приведено девять изотопическихразновидностей воды.

Некоторые изотопическиеразновидности воды с сравнении с содержанием отдельных элементов в морской воде

Формулы молекул воды Содержание, % Соответствует содержанию в морской воде

H1O16

99,73 -

H1O18

0,20 Магния

H12O17

0,04 Кальция

H1H2O16

0,032 Калия

H1H2O18

0,00006 Азота

H1H2O17

0,00001 Алюминия

H22O16

0,000003 Фосфора

H22018

0,000000009 Ртути

H22O17

0,000000001 Золота

Как видим, кроме Н2О, других изотопическихразновидностей обычно не так уж много, всего около 0,3%.  Тритий (Н3,или Т) слабо радиоактивен, и его полураспад  длится 12,3 года, в таблице он непомещен, так же как и другие радиоактивные изотопы водорода с атомным весом  4(Н4) и 5 (Н5) с исключительно коротким периодомполураспада. Например, Н4 всего 4/100000000000 сек. или 4*10-11сек.

Помимо указанных выше четырех изотопов водородаимеются еще три радиоактивных изотопа кислорода: О14, О15,О16, но и они в природной воде большого значения иметь не могут, таккак их периоды полураспада очень малы и оцениваются десятками секунд. Но этоеще далеко не все, если говорить о разновидностях чистой воды.

До сих пор мы рассматривали только атомы, молекулы иионы водорода и кислорода и их соединения, составляющие то, что мы называемчистой водой. В 1 см3 жидкой воды при 0° С содержится 3,35*1022 молекул.

Оказывается, частицы воды располагаются далеко непроизвольно, а образуют во всех трех фазах воды определенную структуру, котораяизменяется в зависимости от температуры и давления. Мы подошли к наиболеетрудной для понимания, загадочной и далеко не разрешенной проблеме воды – ееструктуре.

Модели структуры воды.

Известно несколько моделей структуры чистой воды, начиная с простейшихассоциатов,  льдоподобной модели и желеподобными массами, свойственнымиполипептидам и полинуклеотидам, – бесконечно и беспорядочно разветвленный гельс быстро возникающими и и исчезающими водородными связями. Выбор определенной модели жидкой воды зависит от изучаемых свойств. Каждая модель передает те илииные характерные  особенности ее структуры, но не может претендовать  как наединственно правильную.

Большему количеству экспериментальных данных отвечаетльдоподобная — модель О. Я. Самойлова. Согласно этой модели, ближняяупорядоченность расположения молекул, свойственная воде, представляет собойнарушенный тепловым движением льдоподобный тетраэдрический каркас, пустотыкоторого частично  заполнены молекулами воды. При этом молекулы воды,находящиеся в пустотах льдоподобного каркаса, имеют иную энергию, чем молекулыводы в его узлах. Для структуры воды характерно тетраэдрическое окружение еемолекул. Три соседа каждой молекулы в жидкой воде  расположены в одном слое инаходятся на большем от нее расстоянии (0,294 нм), чем четвертая молекула изсоседнего слоя (0,276 нм). Каждая молекула воды в ставе льдоподобного каркасаобразует одну зеркальносимметричную (прочную) и три центральносимметричных(менее прочных) связи. Первая относится к связи между молекулами воды данного слояи соседних слоев, остальные — к связям между молекулами воды одного слоя.Поэтому четвертая часть всех связей — зеркальносимметричные, а три четверти центральносимметричные./>Представления отетраэдрическом окружении молекул воды привели к выводу о высокой ажурности еестроения и наличии в ней пустот, размеры которых равны или превышают размерымолекул воды.

Рис 3. Элементы структуры жидкой воды.

а — элементарный водный тетраэдр (светлые кружки — атомы кислорода, черные половинки — возможные положения протонов на водороднойсвязи);

б — зеркальносимметричное расположение тетраэдров;

в —  центральносимметричное расположение; г — расположение кислородных центров в структуре обычного льда.

Жидкая  вода  характеризуется значительными силами межмолекулярного  взаимодействия за счет водородныхсвязей, которые образуют пространственную сетку. Водородная связь обусловленаспособностью атома водорода,  соединенного с электроотрицательным элементом,образовывать дополнительную связь с электроотрицательным атомом другоймолекулы. Водородная связь относительно прочна и составляет несколькокилоджоулей на моль. По прочности она занимает промежуточное место междуэнергией Ван-дер-Ваальса и энергией типично ионной связи.

В молекуле водыэнергия химической связи H-O составляет 456 кДж/моль, а энергия водородной связи H…O 21 кДж/моль.

/>

Рис 4. Схема водородной связи между молекулами воды

Свойства воды

Обратимся к общей характеристике свойств воды,делающих ее самым удивительным веществом на Земле.

И первое, самое поразительное, свойство водызаключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на нашейпланете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться втрех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком игазообразном (невидимый глазу пар).

Как хорошо известно, вода принята заобразец меры – эталон для всех  других веществ. Казалось бы, за эталон дляфизических констант следовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себясамым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.

Вода – самое аномальное вещество вприроде.

Прежде всего, вода обладает исключительно высокой теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердымителами. Если теплоемкость воды принята за единицу, то, например,  для спирта иглицерина она составит только 0,3; для песка  каменной соли – 0,2; для ртути иплатины – 0,03;  для дерева (дуб, ель, сосна) – 0,6; для железа – 0,1 и т.д.

Таким образом, вода в озере при одинаковой температуревоздуха и одинаковом получаемом ею солнечном тепле нагреется в 5 раз меньше,чем сухая песчаная почва вокруг озера, но во столько же раз вода будет большесохранять полученное тепло, чем почва.

Другая аномалия воды – это необычайно высокие скрытаятеплота испарения и скрытая теплота плавления, т. е. то количество тепла,которое необходимо, чтобы превратить жидкость в пар и лед в жидкость (инымисловами, количество поглощаемой или высвобождаемой теплоты). Например,  чтобыпревратить 1 г льда в жидкость, необходимо закатить около 80 кал, в то времякак само вещество лед – вода ни на долю градуса не повысит свою температуру.Как известно, температура тающего льда неизменно одинакова и равна 0° С. В то же время вода тающего льда из окружающей среды должнапоглощать относительно громадное количество тепла (80 кал/г).

Такой же скачок мы наблюдаем припереходе воды в пар. Без повышения температуры кипящей воды, которая неизменно(при давлении 1 атм.) будет равна 100° С, сама вода должнапоглотить из окружающей среды почти в 7 раз больше тепла, чем при таянии льда,а именно: 539 кал.

Если пар превращается в воду или водапереходит в лед, то такое же количество тепла в калориях (539 и 80) должновыделяться из воды и согревать среду, окружающую воду. У воды эти величины необыкновенно высоки. Например, скрытая теплота испарения у воды почти в 8 разбольше, а скрытая теплота плавления в 27 раз больше, чем у спирта.

Удивительной и совершенно неожиданнойаномальной особенностью воды являются ее температуры замерзания и кипения. Еслирассмотреть ряд соединений водорода с другими элементами, например с серой,селеном, теллуром, то можно заметить, что существует закономерность между ихмолекулярными весами и температурами замерзания и кипения: чем вышемолекулярные массы, тем выше температурные значения (табл. 2).

Зависимость температуры замерзания и кипения

некоторых соединений водорода от молекулярного веса

 

Соединения водорода Молекулярный вес Температура, ° С замерзания кипения

H2Te

130 -51 -4

H2Se

81 -64 -42

H2S

34 -82 -61

H2O

18 0! +100!

 

Еще болееудивительное и не менее неожиданное свойство воды – это изменение ее плотностив зависимости от изменения температуры. Все вещества (кроме висмута) по мереповышения температуры увеличивают свой объем и уменьшают плотность. Наинтервале от +4° С и выше вода увеличивает свой объем и уменьшает плотность, как и другиевещества, но начиная с +4° С и ниже, вплоть до точки замерзания воды, плотность ее вновь начинает падать, а объем расширяться, и в момент замерзания происходит скачок, объемводы расширяется на 1/11 от объема жидкой воды.

Исключительное значение такой аномалиивсем достаточно понятно. Если бы этой аномалии не было, лед не смог бы плавать,водоемы промерзали бы зимой до дна, что было бы катастрофой для всего живущегов воде. Впрочем, это свойство воды не всегда приятно для человека – замерзаниеводы в водопроводных трубах приводит к их разрыву.

Существует многодругих аномалий воды, например, температурный коэффициент расширения воды наинтервале от 0 до 45° С увеличивается с ростом давления, а у других тел обычно наоборот.Аномальны также теплопроводность, зависимость диэлектрической проницаемости отдавления, коэффициент самодиффузии и многие другие свойства.

Возникает вопрос,чем же объяснить эти аномалии?

Путь к объяснению,возможно, лежит в выявлении особенностей структур, образуемых молекулами водыпри различных агрегатных (фазовых) состояниях, связанных с температурами, давлениямии другими условиями, в которых находится вода. К сожалению, единство вовзглядах на этот вопрос отсутствует. Большая часть современных исследователейпридерживается мнения о двухструктурной модели воды, согласно которой водапредставляет собой смесь:

1)   рыхлой льдоподобной и

2)   плотно упакованной структур.

Кристаллы льдаотносятся к гексагональной сингонии, т. е. они имеют форму шестигранных призм(гексагонов). В структуре льда каждая молекула воды окружена четырьмяближайшими к ней молекулами, находящимися от нее на одинаковом расстоянии.Таким образом, каждая молекула воды обладает координационным числом.

Молекулы водырасполагаются так, что они соприкасаются разноименными полюсами (заряженнымиположительно и отрицательно). В структуре льда типа тридимита расстояние междумолекулами 4,5 А, а в структуре типа кварца – 4,2 А. В первом случае это водатающего льда с температурой около 0° С. Во втором случае более плотная упаковка молекул водыпредполагается при температуре около +4° С.

Таинственноерасширение воды примерно на 10% при замерзании объясняется быстрой сменойплотно упакованной структуры на ажурную, рыхлую. В структуре льда из-за низкогокоординационного числа много пустот, которые даже больше самих молекул воды.Каждая пустота ограничена 6-ю молекулами воды, и в то же время вокруг каждоймолекулы воды в структуре льда имеется 6 центров пустот.

При температуреоколо +4° С этипустоты заполняются «свободными» молекулами воды и плотность еестановится максимальной. При дальнейшем повышении температуры вновь постепенновозникает все более и более рыхлая ажурная структура. В результатевозрастающего теплового движения молекул (с повышением температуры) структуральда постепенно «размывается», происходит ослабление водородныхсвязей и «размывание» структуры типа тридимита усиливается, плотностьводы уменьшается, а объем ее увеличивается.

Необходимо еще разподчеркнуть, что внутреннее строение жидкостей вообще, а воды в особенности,значительно сложнее, чем у твердых тел и газов. Природа воды чрезвычайно сложнаи пока еще далеко не разгадана. Крупный исследователь структуры воды профессорО. Я. Самойлов поясняет процесс внезапного увеличения объема, занимаемого водойв момент замерзания или уменьшения объема при оттаивании льда двумя грубымипримерами-аналогиями, разумеется, чрезвычайно упрощенно схематизированными.

Представим себе ящик, в которыйсложены шары с плотнейшей упаковкой. При встряхивании ящика произойдетразупорядочение, объем, занимаемый шарами, увеличится и образуются пустоты.

Обратный процесс иллюстрируетсяследующим примером. Пусть на каждом шаре будут сделаны углубления исоответствующие им на других шарах выступы так, чтобы каждый шар был окружентолько 4-мя шарами и выступы не входили бы в углубления. При встряхивании ивхождении выступов в углубления произойдет резкое и мгновенное уменьшениеобъема, занимаемого всеми  шарами. Это пример перехода льда в воду с температуроколо +4° С. 

В 1962 г. в Костроме доцентом Н.Н. Федякиным была открыта новая разновидность химически чистой воды (помимо ееизотопических разностей). Это так называемая аномальная («модифицированная»)вода, образующаяся из обычной в кварцевых капиллярах или на кварцевыхпластинках. В капиллярах появляются самостоятельные дочерние столбики новойаномальной воды высокой вязкости, с уменьшенным давлением паров, с вязкостью икоэффициентом теплового расширения,  в несколько раз большими, и с плотностью,на 40% больше, чем у обычной воды.

Пока аномальнуюводу можно получить из обыкновенной воды при конденсации паров только на кварце.Чистая аномальная вода представляет собой аморфно-стекловиднуюнекристаллизующуюся массу с консистенцией вазелина.

Этамодифицированная вода имеет высокую устойчивость и вне капилляров ведет себятак же, как и в них.  Она не замерзает, оставаясь жидкой даже при – 50° С.  При давлениях в 60 тыс.атм. и температуре в 1000° С она не появлялась.

Новый вид воды не смешивается собычной, а образует с ней эмульсию. Модифицированная вода не кристаллизуется,она, подобно стеклу, представляет собой аморфную массу. Загадка еепроисхождения пока не раскрыта, и ученые во всем мире ведут усиленныеисследования. Во всяком случае, объяснить происхождение аномальной водыструктурными особенностями нельзя. За рубежом ее назвали«сверхводой».

Ф. А. Летниковым иТ. В. Кащевой была открыта у воды «память», или, «закалка».Бралась очень тщательно очищенная перегонками вода и подвергалась нагреванию до200, 300, 400 и 500° С при давлении 1, 88, 390 и 800 атм. Температура и давление изменяютсвойства воды, это было известно давно. Но вот что удивительно – некоторыеновые свойства сохраняются у воды и после снятия высоких температур и давлений.Например, у воды в 4 раза  повышалась способность к растворению некоторыхсолей. 

Уже давно замеченоизменение ряда свойств води при воздействии на нее магнитного поля. Чем сильнеепоследнее, тем большие изменения происходят с водой.  Так, при измененияхнапряженности достаточно сильного магнитного поля концентрация водородных ионов(Н+) увеличивается в два раза, а поверхностное натяжение воды – втри раза.

Магнитное полевлияет также на скорость и характер  кристаллизации солей, находящихся в воде врастворенном состоянии. Магнитная обработка воды приводит к уменьшению накипи вкотлах, понижает смачиваемость водой поверхностей твердых тел, изменяеттемпературу кипения, степень вязкости, повышает скорости сгущения суспензий,фильтрации, затвердевания цемента, изменяет магнитную восприимчивость.Магнитное поле существенно меняет в концентрированных растворах теплоту гидратации (до 5%), что очень важно для глубинныхрассолов.

Однако магнитное поле не оказываетвлияния на чистую воду, т. е. воду, в растворе которой отсутствуют электролиты.При омагничивании воды происходит изменен  ориентации ядерного спина (моментаколичества движения атомного ядра, тесно связанного с магнитным моментом) вмолекуле Н2О.

Магнитная вода, как и свежеталая, такжеобладает «памятью». Ее новые свойства имеют «полураспад» примерно втечение суток. Талой воде, как это установлено многочисленными наблюдениями,присуща повышены биологическая активность, которая сохраняется некоторое времяпосле таяния. По данным казанских биоников  новые свойства как магнитной, так италой воды объясняются изменениями, происходящими с ядрами водорода.

В настоящее время во многих странахорганизовано  промышленное изготовление омагниченной воды в большихколичествах.

Точкой перехода жидкой фазы воды втвердую при  давлении в 1 атм. является температура 0° С. С повышением давления точка перехода воды в лед понижается при 600атм. до – 5° С, при 2200 атм. до – 22° С. Но затем вода начинает вести себя совершенно удивительно: при 3530атм. она переходит в лед только при -17° С, при 6380 атм. –при +0,16° С, а при 20 670 атм. лед имеет температуру +76° С – горячий лед, который мог бы дать ожог.

Немецкий ученый Г. Тамман и американскийП. В. Бриджмен выявили шесть разновидностей льда:

I – обычный лед, существующий при давлении до 2200атм., при дальнейшем увеличении давления переходит в II;

II – лед с уменьшением объема на 18%,тонет в воде, очень  неустойчив и легко переходит в III;

III – также тяжелее воды и можетнепосредственно быть получен из льда I;

IV – легче воды, существует принебольших давлениях и температуре немного ниже 0° С,неустойчив и легко переходит в лед I;

V – может существовать при давлениях от 3600 до 6300атм., он плотнее льда III, при повышении давления с треском мгновеннопревращается в лед VI;

VI – плотнее льда V,при давлении около 21 000 атм.  имеет температуру +76° С; можетбыть получен непосредственно воды при температуре +60° С и давлении 16 500 атм.

Приведенные выше давления могутсуществовать в геосферах до глубины 80 км. По мнению В. И. Вернадского, разности горячего льда существуют в литосфере в области физически связанныхвод. Так, например, прочно связанная вода имеет плотность твердого тела (и этопри обычном давлении) 2 г/см3. Такая вода замерзает лишь при – 78° С.

Поведение воды в природе в различныхусловиях давления, температуры, электромагнитных полей, а особенно  разностейэлектрических потенциалов и многого другого,  загадочно, тем более чтоприродная вода – не химически  чистое вещество, она содержит в растворе многиевещества  (по существу все элементы периодической системы), и притом вразличных концентрациях. Эта загадочность особенно велика для больших глубинлитосферы Земли, где  имеют место высокие давления и температуры. Но даже есливзять «чистую» воду и посмотреть, как меняются ее  некоторые свойства приотносительно высоких давлениях и температурах, то, например, для плотностиполучим такие значения, г/см3: при 100° С и 100атм., а также  при 1000° С и 10 000 атм. она будет одинакова и близка к 1; при1000° С и 100 атм. – 0,017; при 800° С и 2500 атм. -  0,5; при 770° С и 13 000 атм. –1,7, а электропроводность такой воды равна электропроводности пятинормальнойсоляной кислоты. Для рассолов, которые господствуют в глубинах литосферы, всеэти значения изменятся.

В 1969 г. в астрофизическом центре приуниверситете в Толедо (штата Огайо, США) американские ученые А. Делсемм и А.Венджер открыли новую сверхплотную модификацию льда при температуре –173° С и давлении  около 0,007 мм рт. ст. Этот лед имел плотность 2,32 г/см3, т. е. был близок по плотности к некоторым разновидностям гнейса (2,4 г/см3);он аморфен (не имеет кристаллического строения) и играет большую роль в физикепланет и комет.

Свойства воды меняются также подвоздействием электрического поля разной частоты. При этом интенсивность света вводе ослабевает, это связано с поглощением его  лучей. Далее, примерно на 15%изменяется скорость испарения воды.

Вообще в последнее время все большеечисло исследователей на основании полевых и лабораторных наблюдений приходит квыводу о значительной роли разности  естественных электрических потенциалов дляфизических и химических особенностейприродных вод. Даже в приповерхностных зонах литосферы со сравнительно  слабымиэлектрическими потенциалами разность потенциалов вызывает как движение самойводы, так и растворенных в ней катионов и анионов во взаимно противоположныхнаправлениях. Некоторые ученые наблюдали возникновение электрическихпотенциалов (и их разностей) на контакте воды и льда, а также на сульфидныхместорождениях. На больших глубинах литосферы следует ожидать болеезначительных разностей потенциалов  между разными породами, так и разными растворами.

Американскийученый П. Маркс полагает, что на глубинах около 12 км образуются мощныегальванические батареи при наличии минерализованных растворов, металлов, серы,графита. Разности электрических потенциалов могут быть столь велики, что будутразлагать воду на  водород и кислород.

Все, что мы до сихпор говорили о многообразии разновидностей воды, касалось чистой воды, безвсяких примесей. Но химически чистой воды нигде в природе  и быть не может.Даже искусственно дистиллированная вода после многократной перегонки будетсодержать растворенные углекислоту, азот, кислород, а также в незначительнойчасти вещества, из которых сделан сосуд, где она находится.

Таким образом,даже искусственно получить почти чистую воду очень затруднительно, хотя подобныйопыт в начале века и был проведен немецким физиком Ф. Кольраушем. Им былаполучена в совершенно ничтожном объеме и на несколько секунд, за которыеудалось определить ее электропроводность, абсолютно чистая вода.

Всякая вода вприроде, включая снег, лед и дождь, является раствором различных веществ вформе ионов нейтральных молекул, мелких и крупных взвесей,  живых существ (отбактерий до крупных животных) и продуктов их жизнедеятельности. Если говорить онаходящихся в воде веществах, то, например, акад. В. И. Вернадский,рассматривавший воду как минерал, выделил 485 видов минералов группы воды(гидридов), сделав при этом оговорку, что им описана только меньшая часть видовводы и что общее их количество, вероятно, превысит 1500. Разумеется, такаяклассификация неприемлема, для практических целей, о ней упоминается  толькодля иллюстрации многообразия химического состава природных вод, рассматриваяводу как растворитель  и минерал. 

Природную водуможно классифицировать по следующим признакам: температуре, химическому составурастворенных компонентов, местонахождению, целевому использованию,происхождению, динамике циркуляции, фазовому состоянию, нахождению в той илииной геосфере  и по многим другим свойствам и признакам.

1. В природевстречаются воды в пределах температур  от почти абсолютного нуля (т. е. около– 273° С) допримерно 2000° С. Даже при обычном давлении вода, оставаясь жидкостью, можетпереохлаждаться до – 70° С  и перегреваться, не переходя в пар, до +120° С, но только  на очень короткийсрок.

2. Всякаяприродная вода является раствором газов  и минеральных веществ, а для наружныхоболочек Земли (не глубже 3 – 5 км) и местом обитания живых организмов.  Газы итвердые вещества могут быть растворены в воде от ничтожных количеств довозможных пределов растворимости тех или иных веществ. В зависимости оттемпературы  и давления в воде растворяется все, в ней могут содержаться врастворе все элементы периодической системы,  встречающиеся в природе, дажеметаллы и такие очень  труднорастворимые соединения кремния, как стекло,  кварци т. п.

3. Все природныеводы по химическому составу веществ, находящихся в растворе, удобнее всегоделить на три класса по преобладающему в растворе аниону:

а) хлоридные(самый распространенный класс),

б) гидрокарбонатныеи

в) сульфатные.

Каждый класс всвою очередь делится по преобладающему катиону на четыре группы: натриевые, кальциевые, магниевые и калиевые. Таким образом, мы  имеем 12 крупныхразновидностей воды.

По преобладающемув растворе газу воды делятся  также на азотные, сероводородные, метановые,углекислые,  кислородные и другие.

4. Вода можетнаходиться как в свободном, так и в связанном состоянии. Свободные воды могутизливаться и передвигаться под влиянием силы тяжести (гравитации).  Они так иназываются «гравитационные».

Но вода в форме H2О или ее изотопическихразновидностей, а также и форме гидроксила ОН, гидрооксония  Н3О и других может входить всостав минералов как физически или химически связанная, иногда в значительныхколичествах. Так, в физически связанном состоянии вода присутствует в такихминералах, как гидробазалюминит Аl4[(ОН)10<sub/>SO4)]3·36Н20 — 60 вес. %, мирабилит Nа2SO4·10H20 – 56 вес. %, бура Nа2В4O7·10Н2О – 47 вес. %; в химически связанном  (в видегидроксила OH) – в гидраргиллите Аl[OH]3·10H2O — 65 вес. %, в тремолите Cа2Мg5[SiO4O11]12·[ОН]2 — 42 вес. %, в турмалине (Nа, Cа) Mg, Аl)6·[В3Аl3Si6]x(O,OH)30 – 31 вес. %.

5. По целевомуназначению воды могут быть подразделены на минеральные (лечебные), питьевые,хозяйственно-технические, термальные (для энергетических,  лечебных иобогревательных целей).

Все перечисленныеводы могут использоваться для добычи минеральных веществ (например,йод-бромные, калийные и т. д.), в качестве путей сообщения (водоемы, водотоки),для получения электроэнергии для поливов (ирригации), для лечебных (душей,пресных ванн, купания в природных условиях) и многих других  целей.

Но воды могут бытьи «вредными» – ядовитыми, заливающими подземные выработки,вызывающими лавины, сели, сейши, наводнения.

6. По происхождениюразличают воды первичные и вторичные. Первые возникают на месте, например, дажепри горении свечи (СН4+2O2 = 2Н2О + С02), а вторые – врезультате круговоротов воды.

7. По динамикециркуляции воды могут быть свободно текучими (например, реки), просачивающимисячерез породы с большей или меньшей скоростью и т. д. Никакие воды не могут бытьв геологическом разрезе времени статичными (мертвыми запасами), неподвижными.

8. По фазовому(агрегатному) состоянию воды делят на твердые (снежинки, мельчайшие парящие ввоздухе иглы, лед), жидкие (парящие мельчайшие капельки тумана и облаков,слитные жидкие массы в морях, ре  и т. д.) и газообразные (невидимый глазу парв воздухе, в подземных газах), проникающие в мельчайшие поры и трещинки твердыхтел, и другие фазовые состояния.

 

Серебряная и талая вода

Серебряная вода применялась в глубокой древности. Вовсяком случае еще 2,5 тыс. лет назад персидский царь Кир во время походовпользовался водой, сохраняемой в серебряных сосудах. В Индии обезвреживаливоду, погружая в нее раскаленное серебро. Действительно, опыт тысячелетийпоказал, что вода, в течение некоторого времени находившаяся в серебряномсосуде, перелитая затем в бутыль и хранившаяся в течение года, не портилась.

Научные исследования серебряной воды были впервые поставленыв Швейцарии ботаником Негели в конце ХIХ в. В ХХ в. во многих странах, былопроведено много работ по изучению эффективных  способов получения и применениясеребряной воды для  самых разнообразных целей. В настоящее время в разных странах изготовляются фабричные ионаторы для получения больших количествсеребряной воды различных концентраций.

Ионы серебра обладают антимикробным действием. Серебрянаявода с успехом применялась для обеззараживания питьевых вод. При полетекосмонавта В. Быковского использовалась для питья серебряная вода. Электролитическийраствор серебра может применяться для консервирования молока, сливочного масла,меланжа, маргарина, для повышения стойкости некоторых микстур, для ускоренияпроцессов старения вин и улучшения их вкусовых качеств.  Серебряная вода служитэффективным лечебным средством при воспалительных и гнойных процессах,вызванных бактериальным заражением, а такжепри лечении желудочно-кишечных заболеваний, язвенной болезни, воспалительныхпроцессов носоглотки, глаз, ожогов и т. д. Серебряная вода применяется также ветеринариидля профилактических и лечебных целей.

Не менее любопытновлияние на живой организм талой воды. Ее активное биологическое воздействие впервыебыло обнаружено в Арктике, когда при таянии льда было замечено интенсивноеразвитие планктона. Вода тающего льда (и конечно снега) увеличивает в 1,5-2раза урожайность сельскохозяйственных культур, прирост молодняка, оказываетомолаживающее действие на организм как животных, так и человека.

В тал  водесохраняются очаги ледяных структур. Это своего рода «память» воды, окоторой уже было рассказано выше. Дело в том, что ледяная структура воды более рыхлаяи в пустоты ледяной решетки идеально укладываются биомолекулы без ихповреждения, с сохранением потенциальных жизненных функций.

Любопытно, чтозамороженное до твердого состояния ископаемый тритон (углозуб), пролежавший вмерзлоте на глубине 14 м около миллиона лет, ожил.

Предполагается,что процесс старения организма сводится в значительной степени к нарастающемудефициту «ледяной» структуры биомолекул, разрушающейся  влиянием менее структурированнойводы.

При употреблениисвежей талой воды очаги льдоподобной структуры размером 20А свободно проходят черезстенки пищеварительного тракта и могут поступать в различные органы человека,производя оздоравливающее и омолаживающее воздействие на весь организм. В то жевремя установлено, что если растопить снег и вскипят полученную из него талуюводу, то она теряет стимулирующее действие.

Заключение

«Что такое  вода?»– вопрос далеко не простой. Все, о чем было рассказано о ней в данной работе неявляется  исчерпывающим ответом на этот вопрос, а во многих случаях дать ясныйответ на него пока и совсем нельзя. Например, пока остается открытым вопрос оструктуре воды,  причинах многочисленных аномалий воды и, вероятно, еще омногих свойствах и разновидностях воды, о которых мы даже не подозреваем. Однозначноможно сказать лишь то, что вода — самое уникальное вещество на земле.

Напомним слованашего гениального соотечественника акад. В. И. Вернадского о том,  о«надо ждать особый исключительный характер физико-химических свойств водысреди всех других соединений, который отражается и на ее положении в мирозданиии на структуре мироздания».

Литература:

1.  Дерпгольц В.Ф. Вода во вселенной. — Л.: «Недра», 1971.

2.  Крестов Г.А. От кристалла к раствору. — Л.: Химия, 1977.

3.  Хомченко Г.П. Химия дляпоступающих в ВУЗы. — М., 1995г.