Текст книги "Белые пятна безбрежного океана"

Автор книги: Борис Фрадкин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 9 страниц)

Как строится молекула воды

Вспомним, что вероятностное нахождение электрона по отношению к ядру определяется электронным облаком, т. е. совокупностью всех точек пространства, через которые может пробежать электрон. Это воображаемое облако называют орбиталью. Установлено: на одной орбитали не может находиться одновременно более двух электронов.

Единственный электрон атома водорода (1 s ¹) имеет орбиталь в виде сферы. Такая форма орбитали соответствует минимально возможному уровню энергии атома.

В атоме кислорода все гораздо сложнее. Атом кислорода имеет два слоя электронов. Внутренний (слой К.) укомплектован двумя s-электронами, вращающимися по сферической орбитали (условное обозначение этих электронов 1 s ², где 1 – номер слоя, s – энергетическое состояние – орбиталь, 2 – количество электронов на орбитали).

Рис. 10. Схема образования молекулы Н2О. Сферические электронные облака атомов водорода захватываются р-орбиталями вис атома кислорода. Получившие дополнительный отрицательный заряд орбитали вис отталкиваются на угол 104°31'

Внешний слой h имеет шесть электронов (их условное обозначение 2 s ²p ⁴, где 2 – номер слоя, s и р – орбитали, индексы 2 и 4 – соответственно количество электронов на орбиталях). В этом слое, как видно из условного обозначения, два s-электрона имеют одну и ту же сферическую орбиталь. Четыре р-электрона вынуждены расположиться на трех взаимно перпендикулярных орбиталях, имеющих в плане формы восьмерок. Восьмерки пересекаются в центре атома, как показано на рис. 10. Обратите внимание: 4 р-электрона на трех орбиталях. Здесь ключ к пониманию всех событий.

Орбиталь, вытянутая вдоль оси г, служит пристанищем для двух электронов. Она укомплектована, и ворота ее на прочном запоре. На орбиталях же х и у по одному электрону и, значит, по одному изготовленному "капкану".

Итак, действующие лица охарактеризованы. Начинается действие.

Вот атом водорода оказался в опасной близости от атома кислорода, и единственный его электрон тотчас же будет захвачен непарной (недоукомплектованной) р-орбиталью. Поскольку у кислорода две непарные орбитали, он способен пленить два атома водорода. При атом сферическое облако водородного s-электрона належится на яйцеобразную ветвь р-орбитали (см. рис. 10).

Между атомами Н и О возникает связь, которая получила название ковалентной. Итогом этой связи и будет возведение весьма своеобразного архитектурного сооружения, известного как Н ₂О. Своеобразие же образовавшейся молекулы состоит в следующем.

Во-первых, перекрытие электронных облаков приведет к уплотнению области перекрытия и, значит, к росту отрицательного заряда в этой части пространства.

Расположись атомы водорода по обе стороны от ядра атома кислорода под углом 180°, и возникшие уплотнения зарядов никак не отразились бы на электрическом равновесии образовавшейся системы, т.е. центры положительных и отрицательных зарядов по-прежнему находились бы в одной точке – в центре атома кислорода. Но р-орбитали, захватившие водородные электроны, расположены под углом 90°, и поэтому уплотнения в них вызовут смещение центра тяжести отрицательного заряда относительно центра тяжести положительного заряда. Образовавшаяся молекула коды стала одновременно маленьким микромагнитом или, как принято говорить в молекулярной физике, диполе м, способным ориентироваться в магнитном поле.

Во-вторых, ветви р-орбиталей, получившие дополнительные отрицательные заряды, получат и дополнительную силу взаимного отталкивания. Они подальше отодвинутся друг от друга, и угол между ними вместо 90° станет 104°31. Увеличение угла еще более усугубит несимметричность распределения зарядов. В связи с этим дипольный момент молекулы достигнет такой величины, какой не имеют молекулы никаких других веществ на Земле.

И, наконец, в-третьих, сгущение сферического облака s-электрона водородного атома в месте наложения его на р-орбиталь атома кислорода приведет к разрежению этого облака с диаметрально противоположной стороны. Протон водорода, до того равномерно прикрытый сферическим электронным облаком, после "пленения" атомом кислорода окажется оголенным с внешней стороны. Однако ему представляется возможность "прикрыть свою наготу" за счет электронного облака соседней молекулы Н2О. И он сделает это, вцепившись в "одежду" (облако) чужого атома кислорода с силой, которая значительно превзойдет силу, удерживающую его собственный электрон. Эта сила связи с "чужим" атомом кислорода и будет представлять собой так называемую водородную связь.

Золотой ключик

Как вы, вероятно, уже догадались, этим золотым ключиком и являются водородные связи.

Известно, что между двумя любыми достаточно близко расположенными молекулами возникают силы взаимного притяжения: электронная оболочка одной молекулы притягивается положительным зарядом (системой ядер) другой молекулы. Эти силы получили название Ван-дер-Ваальсовых.

Если бы между молекулами воды действовали только Ван-дер-Ваальсовы силы взаимного притяжения, вода замерзала бы при -90°С (183 К), а закипала бы при +80°С (353 К). В действительности вода замерзает при 0°С и закипает при +100°С – обстоятельства, долгое время смущавшие физиков и химиков. Недоумения были рассеяны после открытия водородных связей, более мощных, чем Ван-дер-Ваальсовы.

Водородные связи проявляются не только в воде. Они играют решающую роль в процессе биологического синтеза, т. е. в образовании молекул растительного и живого вещества. Все растущее и живущее на Земле обязано своим существованием специфичности самого распространенного во вселенной элемента – водорода. Однако ни в каком другом веществе водородные связи не проявляются в такой полной мере, как в воде.

Огромный дипольный момент молекул воды и водородные связи объясняют прежде всего аномально высокую диэлектрическую постоянную воды. Если принять диэлектрическую постоянную вакуума за единицу, то диэлектрическая постоянная воды будет равна 80. Это значит, что в воде два электрических заряда будут взаимно притягиваться или отталкиваться с силой, в 80 раз меньше той, с которой они взаимодействовали бы в вакууме.

Высокая диэлектрическая постоянная, в свою очередь, объясняет феноменальную способность воды растворять в себе буквально все вещества, существующие в природе. На Земле не найти абсолютно чистой Н ₂О. Все воды, включая и дождевую, и родниковую, и многократно дистиллированную, – растворы. Конечно, концентрация растворенных веществ может колебаться в очень широких пределах. Самый распространенный «раствор» на поверхности Земли – морская вода. В каждой ее капле по крайней мере 70 химических элементов таблицы Менделеева, в том числе и самых редких.

Особенно легко растворяются в воде вещества, атомы которых соединены ионной связью. Это сравнительно слабые химические связи. Растворенная в воде, например, поваренная соль легко диссоциирует на ионы натрия (Na ⁺) и хлора (Сl ^-). Соединиться вновь в воде этим ионам не суждено. Разделенные молекулами воды, они теперь притягиваются друг к другу в 80 раз слабее! К тому же вставшие на их пути молекулы Н2О обладают мощным дипольным моментом и без труда присоединяют к своим отрицательным концам положительные ионы натрия, а отрицательные ионы хлора соответственно исчезают в цепких «лапах» водородных протонов.

Пример растворения солей с ионной связью мы выделили потому, что такие связи составляют основу образования кристаллических структур, а из кристаллических структур в основном и сложена кора Земли, ее материки, горные хребты, дно океанов. Как уж тут не проявиться всеразрушающему свойству воды?

Не следует думать, будто водородные связи намертво удерживают одну молекулу воды относительно, другой. Если бы это случилось, вода при всех условиях оставалась бы сверхпрочным твердым телом. В интервале между 0 и +100 °С водородные связи ослабляют и рвутся под воздействием теплового движения самих молекул воды. Чем больше мы подводим тепла к воде, тем интенсивнее тепловое движение молекул и тем труднее водородным связям удерживать их на близком расстоянии друг подле друга. Наконец, тепловое движение окончательно берет верх над силами водородных связей, молекулы рассыпаются, разлетаются, вода перестает быть жидкостью, она обращается в пар.

Но чтобы полностью разрушить водородные связи, к воде нужно подвести значительное количество тепла – 2260 кДж/кг. Вот то обстоятельство, которое объясняет феноменальную теплоемкость воды, ее способность выполнять роль аккумулятора тепла в глобальных масштабах.

На поверхности воды "оголенные" протоны остаются "не у дела". Здесь им не на чем испытать силу своего воздействия: выше нет атомов кислорода. И тогда водородные протоны уподобляются притаившимся в ожидании жертвы осьминогам. Стоит только поднести к свободной поверхности воды предмет, в котором есть атомы кислорода, как протоны вцепятся в них "щупальцами" своих водородных связей. Этим и обуславливается способность воды смачивать те или другие вещества.

Прочность воды! Напомним, что согласно теоретическим расчетам, изготовленный из идеально чистой воды стержень диаметром 1 см должен был бы выдержать растягивающую силу в 37,49*10 ⁴Н. Теперь уточним – подобные расчеты основываются на прочности водородных связей. Как перейти от теории к практике? Для этого нужно найти способ зафиксировать водородные связи. Вообще-то он известен – это охлаждение воды, превращение ее в лед (мы вернемся к этому позднее). Нам же хотелось бы придать воде не просто кристаллическую структуру, свойственную льду, а идеальную, упорядоченную структуру, которая и даст нам желанную сверхпрочность. Как сделать это, увы не придумали еще даже фантасты.

Что же, собственно, происходит при охлаждении воды? Прежде всего, здесь особенно наглядно проявляются ее аномальные свойства. Мы уже знаем, что вода, охлаждаясь от +100°С до + 4°С, как и все вещества в природе, сжимается, уменьшается в объеме. А затем от +4°С и до самого замерзания она увеличивается в объеме.

В чем тут дело? Конечно же, в специфичности водородных связей. Пока энергия теплового движения достаточно велика, "голому" водородному протону не удается зацепиться за атом кислорода "проплывающей" поодаль молекулы Н ₂О. «Багор с крючком», которым протон пытается пленить атом кислорода, либо, не выдержав, лопается, либо (и это чаще всего) оказывается слишком длинным. «Крючок багра» повисает над «головой» плывущего поблизости к протону кислородного атома.

Вот примерно какая ситуация должна иметь место, пока температура воды выше +4 °С. Молекулы воды имеют возможность скользить бок о бок, почти вплотную друг к другу. В это время в воде существует так называемый ближний порядок. Однако по мере охлаждения скорость движения молекул воды начинает падать. Теперь у протона есть время, чтобы вначале отодвинуть "багром" атом кислорода на длину "багра", а затем надежно зацепить его "крючком". Поскольку скорость движения мала, прочности "багра" будет вполне достаточно, чтобы остановить плененную молекулу Н ₂О и присоединить ее к собственной молекуле Н ₂О. Обратите внимание: молекула будет остановлена на строго определенном расстоянии, равном длине «багра».

У каждой молекулы Н ₂О два «голых» водородных протона, поэтому она захватывает сразу двух оказавшихся поблизости «соседок». Но одновременно на ее собственный атом кислорода будут переброшены два «багра» с других не менее расторопных протонов.

Так, быть может несколько упрощенно, мы с возможной наглядностью нарисовали картину возникновения кристаллической структуры льда – возникновение тетраэдров, которые начнут выстраиваться один за другим, как солдаты на плацу.

Рис. 11. Образование водородных связей между молекулами воды. 1 – кислород; 2 – водород; 3 – ковалентные связи; 4 – водородные связи. Каждая молекула перекидывает два мостика и одновременно на нее перекидываются два мостика. В результате возникает геометрическая фигура – тетраэдр

Так как для построения тетраэдра молекулы должны вначале отодвинуться одна от другой на определенные расстояния, объем, занимаемый замерзающей водой, естественно, увеличивается. И он будет расти до тех пор, пока вся вода не обратится в лед (рис. 11).

– Но, позвольте! – вправе удивится читатель. – Раз уж в кристаллах льда водородные связи проявили себя в полную силу, где же предсказанная вами "сверхпрочность"? Почему лед не стал прочнее стального сплава?

А потому, дорогой читатель, что в лед перешли все "пороки" воды: растворенные в ней газы и механические примеси. Кристаллическая структура льда полна всевозможных дефектов: трещин, уродливых нагромождений, втиснувшихся в парадный строй кристаллов атомов примесей. И от возможной сверхпрочности не осталось и следа.

Нет, обычным превращением воды в лед сверхпрочности не достичь. Кстати, аналогичную картину мы наблюдаем и в металлургии. Твердеющий расплав – тот же лед. Теория показала, что сталь и даже чистое железо могли бы стать по крайней мере в 1000 раз прочнее, если бы удалось получить идеальную кристаллическую структуру без искажения геометрии кристаллической решетки. Но, увы, здесь, как и в воде, делают свое "грязное" дело газовые включения и посторонние механические примеси.

Раз уж речь зашла о льдах... Чтобы превратить лед в воду, его нужно нагреть. При этом каждый килограмм льда потребует довольно приличного количества тепла – 340 кДж. Однако с оговоркой: 340 кДж, если лед взят при 0°С и при нормальном атмосферном давлении. Для расплавления 1 кг льда, взятого при минус 7°С, достаточно уже 323,24 кДж, а при минус 13°С понадобится еще меньше – 310,7 кДж. Получается, что с каждым градусом вниз по шкале термометра теплота плавления льда убывает на 2,1 кДж.

Не удивительно ли? Чем холоднее лед, тем легче его превратить в воду! Вот вам и еще одно "чудачество" воды, которое может быть объяснено только специфичностью водородных связей.

Как странно иногда совершаются научные открытия! Сколько мудрецов до Архимеда пользовались ванной, но ни одному из них в голову не приходило усмотреть в льющейся через края воде явление необычайной важности.

А вот пример сегодняшнего дня. Уже не одно столетие клянет человечество воду за ее коварное свойство: замерзая в трубах, рвать их стенки. А сколько нерадивых шоферов и по сей день "размораживает" автомобильные двигатели, оставляя в них зимой воду?

Но почему-то никто, в том числе и мы с вами, не задумывались над тем, какая огромная, не используемая человеком, сила действует на наших глазах.

27 февраля 1974 г. газета "Советская индустрия" сообщила о замечательном изобретении московского инженера П. А. Радченко. Суть изобретения сводится к сварке, с помощью льда! Точнее, с помощью того давления, которое возникает в момент превращения воды в лед. Количество потребляемой воды – объем куриного яйца. Источник холода – в зимнее время воздух с улицы: ведь очень-то низких температур и не требуется – нуля вполне достаточно.

Не даром говорят: "Все великое – просто!"

Водородная связь водородной связи рознь

В наши дни выявилась еще одна (наверняка не последняя!) странность в поведении воды. Оказалось, что в зависимости от способа получения Н ₂О может обладать различной силой водородных связей.

Например, талая вода, т. е. вода, образующаяся в момент таяния льда, и она же, взятая спустя некоторое время, – не одна и та же вода. Вообще, по многим общеизвестным физико-химическим свойствам она осталась нашей старой знакомой (по чистоте, плотности, химическому составу и пр.), но претерпела изменение с самом главном – в величине водородных связей между молекулами.

Последнее обстоятельство подтверждается так: чтобы превратить 1 кг обычной (например, водопроводной) воды в пар необходимо 2260 кДж тепла. А для талой воды потребуется уже 2268,38 кДж. Разность в 8,38 кДж при современной измерительной технике – величина весьма заметная.

За счет чего появилась эта разница? Известно, что водородные протоны в молекуле Н ₂О ведут себя, подобно двум раскрученным волчкам,– они вращаются вокруг собственных осей и, значит, обладают моментом количества движения или, как принято говорить в молекулярной физике, имеют спин.

Рис. 12. Два энергетических состояния молекулы Н2О: а – паравода; б – ортовода

Когда протоны вращаются в одну сторону, их моменты складываются, и получается молекула параводы. Если же они вращаются в разные стороны, возникает разность моментов, и получается молекула ортоводы. Схематично обе разновидности молекул показаны на рис. 12. Естественно, молекулы параводы и ортоводы должны находиться на разных энергетических уровнях. Величина того и другого уровней установлена физиками достаточно точно, и ничего неопределенного здесь не осталось.

До сих пор существовало твердое убеждение, что количественное соотношение между пара– и ортомолекулами в природной воде -сохраняется при любых условиях (и зимой и летом) строго постоянным. Действительно, каждый раз эксперименты подтверждали: вода состоит на 3/4 из ортоводы и на 1/4 из параводы. Однако из поля зрения экспериментаторов до сих пор выпадал сущий "пустяк" – момент перехода изо льда в воду. Именно сам момент! Тут-то и обнаружили себя 8,38 кДж. Желание установить свойства воды в момент перехода привело сотрудников лаборатории бионики Казанского университета У. Ахмерова и А. Бильдюковича к смелой догадке: а не происходит ли в талой воде изменение направления вращения одного из водородных протонов молекулы ортоводы и превращения ее в параводу.

Расчеты блестяще подтвердили догадку. Соотношение в талой воде изменилось в пользу параводы и ровно настолько, что энергетический уровень "смеси" повысился как раз на 8,38 кДж. Правда, спустя сутки теплота парообразования талой воды составляла уже 2264,19 кДж, т.е. разница по сравнению с обычной водой снизилась до 4,19 кДж. Еще сутки она едва достигала 2,10 кДж. И так далее, пока соотношение между ортоводой и параводой не пришло в норму (3/4:1/4).

8,38 кДж... Стоит ли ради них огород городить? Но, как говорится, "мал золотник, да дорог". Исследования дали неожиданный результат уже в другом направлении: талая вода обладает повышенной биологической активностью: помещенные в нее семена растений выбрасывали ростки гораздо быстрее, чем вымоченные в обычной воде.

До сих пор у геронтологов нет единого мнения о том, какой определяющий фактор позволяет отдельным представителям рода человеческого жить далеко за 100 лет.

Первоначальный вывод, что все решает питание, не оправдался. То, в чем отказывают себе одни долгожители, охотно употребляют другие (не пренебрегая и мясными блюдами, против которых особенно восставали геронтологи в недалеком прошлом).

Поскольку основная масса долгожителей приходится на горные районы планеты (особенно Кавказ), была выдвинута более убедительная версия долголетия: разреженный и чистый воздух горных вершин. Действительно, в разреженной атмосфере меньше благоприятных условий для размножения болезнетворных микроорганизмов.

Не возражая против целебных свойств горного воздуха, мы, однако, выдвинем более существенный на наш взгляд, фактор – воду. Точнее, ту воду, которую пьют жители аулов. Источником ее являются горные потоки. Ее порождают тающие ледники гор. Жители гор пьют в основном талую воду. Они пьют параводу.

Правда, по мере движения потока постепенно теряется биологическая активность талой воды. Но в какой бы малой степени ни попадала дополнительная порция параводы в организм горца, если это будет происходить изо дня в день, из года в год, то результатом явится долголетие.

Пришедшая из недр земных

На нашей планете имеется великое множество источников минеральных вод. Это – целебные воды. Они стали незаменимыми при лечении многих хронических недугов, вокруг них возникли города-курорты. В чем секрет чудодейственных свойств воды, пришедшей из недр земных?

Специалисты отвечают безаппеляционно и однозначно: целительные свойства минеральной воды определяются ее химическим составом, т. е. теми солями, которые в ней растворены. Так думают и те, кто пользуется минеральной водой.

Мы не намерены оспаривать роль химического состава. Однако вот какая тут получается странная история. При современных методах химического анализа установить точнейший химический состав минеральной воды – не проблема. Успехи современной химии в области синтеза достойны всяческого уважения. Однако попытки сотворить хотя бы в лаборатории воду с целебными свойствами, повторяющими свойства воды естественной, ни к чему не привели. Эксперименты закончились сплошным конфузом. Что-то неуловимое содержат боржоми, нарзан, ессентуки и прочие минеральные воды. Что-то таинственное ускользает от взгляда исследователей и теряется при выпаривании, улетучивается из колб и пробирок, растворяется в колонках чисел, выдаваемых ЭВМ. А вместе с этим неведомым бесследно исчезает и лечебный эффект.

Догадка напрашивается сама собой: суть не только в химическом составе, в растворенных веществах, но еще и в свойствах самого растворителя, т. е. в свойствах воды. В каких именно?

Возьмем на себя смелость утверждать, что здесь свое решающее слово имеет соотношение между орто– и параводой. Вода в минеральных источниках – это вода, пришедшая с больших глубин. Там она подверглась воздействию высоких температур, высоких давлений и, быть может, прошла еще какую-то неведомую нам "обработку".

Добравшись до поверхности, вода сохранила (пусть частично) приобретенные ею свойства, и человечество получило от природы источники бодрости и здоровья.

Естественно возникает мысль: нельзя ли искусственно изменять энергетическое состояние воды с помощью какого-либо доступного нам средства? Например, с помощью магнитного поля?

Исследовали теплоту парообразования у намагниченной воды.

Отклонение налицо! Только сдвиг произошел в обратную сторону – от талой воды в сторону преобладания ортоводы. Отличие от обычного (природного) соотношения 3/4:1/4 стало весьма незначительным. И тем не менее уровень энергии намагниченной воды снизился на 2-3 %? Они-то, эти 0,02-0,03, и придают магнитной воде те неоценимые свойства, о которых мы уже говорили.

Вполне возможно, что именно магнитное поле является одним из тех факторов, который придает минеральной воде целебные свойства. Вроде бы, не вяжется с утверждением повышенного содержания ортоводы от воздействия магнитного поля, в то время как нам нужно повышенное содержание параводы. Но поле полю рознь, и качественное воздействие его на воду может оказаться в разных случаях неоднозначным.