Водные секреты

Участковый педиатр №05 2019 - Водные секреты

Номера страниц в выпуске:23
Для цитированияСкрыть список
Водные секреты. Участковый педиатр. 2019; 05: 23
Вода – удивительная жидкость, без которой невозможна жизнь на Земле. У самой обычной воды, из которой готовят суп, которой умываются и стирают вещи, тайн и загадок ­хватит на много томов.

Физика, химия, астрономия...

Вода – это неорганическое соединение из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Собственно говоря, все удивительные свойства воды обусловлены именно этим, таким «простым» строением. Всего 3 атома, «элементарная» конструкция... Но в настоящей науке всегда так: чем проще само явление, тем сложнее его объяснить.
Начнем с того, что у каждого атома водорода –1 электрон, у кислорода – 8 электронов. Атомы связаны ковалентной связью, т.е. электронные облака атомов водорода и кислорода пересекаются. Кислород «сильнее» и перетягивает электронные облака к себе, при этом конфигурация молекулы воды всегда одинакова: атомы водорода присоединены к кислороду под углом 104,45°. Молекула воды – полярна. Один ее конец (там, где атом кислорода) отрицательно заряжен, другой положительно. Поэтому между молекулами воды образуются прочные полярные связи. Более того, атом водорода, электрон которого «перебежал» поближе к кислороду, может образовывать водородную связь с другой молекулой воды! Таким образом, каждая молекула воды крепчайшим образом связана с 4 другими такими же молекулами. Наличие сразу двух видов связей (полярной и водородной) между молекулами определяет уникальные физико-химические свойства воды:
S В нормальных атмосферных условиях вода жидкая. А все другие аналогичные водородные соединения – газообразные.
S У воды очень большая теплоемкость. Чтобы нагреть 1 л воды на 1°C, требуется больше энергии, чем для того, чтобы нагреть на 1°C 1 кг железа!
S Прочные связи внутри и между молекулами делают воду очень стабильным веществом. Даже при нагревании до 2000°С на кислород и водород разделится совершенно незначительное количество молекул.
S Вода является «универсальным» растворителем, который иногда рассматривают как амфолит – и кислоту, и основание одновременно.
S Вода обладает высоким поверхностным натяжением, уступая в этом только ртути.
S Вода способна образовывать метастабильные состояния: пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлажденная жидкость и т.д. Эти состояния могут существовать длительное время, но они предельно неустойчивы – можно охладить чистую воду в чистом сосуде ниже 0°С, сохранив ее жидкое состояние, но при появлении центра кристаллизации такая вода мгновенно превратится в лед.
Температура кипения (воды и всех других жидкостей) зависит от давления. Чем меньше давление, тем ниже температура, при которой кипит вода. В горах, например, можно пить чай, когда он кипит и булькает. Ведь, несмотря на то что чай кипит, его температура относительно невысока! А вот если попробовать кипящий чай, например, на берегу у моря, можно хорошенько обжечься.
Поскольку вода способна растворять большое количество самых разных компонентов и образовывать коллоиды, именно она легла в основу жизни на Земле. Нет ни одной живой клетки, где не была бы использована вода. При этом до сих пор не существует единой гипотезы, откуда это удивительное соединение вообще взялось на планете. Одни считают, что вода уже присутствовала в скальных породах во время формирования Земли, другие полагают, что она была занесена на планету с кометами и астероидами.
В космосе вода вообще довольно распространенное вещество, например, некоторые кометы более чем на 50% состоят из водяного льда. Водяной лед был обнаружен на Луне и спутниках Юпитера. А последние исследования Марса показали, что 3 млрд лет назад его поверхность покрывало огромное количество воды.
Жизнь на Земле зародилась именно в воде, ведь юная планета еще не имела защитного озонового слоя и первые живые клетки «прятались» от ультрафиолетового излучения под водой. Причем происходило это, скорее всего, не в теплых поверхностных водах первых океанов, а глубоко под землей, куда не проникал солнечный свет.

Основа жизни

Сегодня на Земле около 71% поверхности покрыто водой, причем объем пресной воды составляет всего 2,5%, все остальное – вода соленая, непригодная для питья и сельского хозяйства. Более того, 98,8% пресной воды находится в ледниках и грунтовых водах. Именно поэтому, несмотря на большое количество воды на планете, почти 1/2 населения Земли регулярно испытывают дефицит в чистой пресной воде.
Существуют еще так называемые полутяжелая, тяжелая и сверхтяжелая воды. Все дело в том, что атом водорода имеет несколько изотопов. В «обычном» водороде (протий) – ядро состоит из 1 протона, вокруг ядра «крутится» 1 электрон. В изотопном дейтерии ядро состоит из 1 протона и 1 нейтрона, а тритий содержит 1 протон и 2 нейтрона. Поскольку эти изотопы водорода содержат 1 электрон, они могут образовывать связи с атомом кислорода. Если в молекуле воды оба атома водорода заменены на дейтерий, получается молекула тяжелой воды, если только 1 атом водорода представлен дейтерием, вода называется полутяжелой. Если место протия занимает тритий, то образуется молекула свертяжелой воды.
В природе на 3200 молекул обычной (легкой) воды приходится 1 молекула полутяжелой воды. Молекулы тяжелой воды в природе встречаются крайне редко.
Удивительно, но тяжелая вода не является токсичной. Если выпить несколько стаканов тяжелой воды, то весь дейтерий будет выведен из организма через пару дней. Впрочем, пить тяжелую воду никто не даст. Уж очень сложен и дорог процесс получения этого соединения. Поэтому 1 г тяжелой воды стоит больше 20 дол. США. Это должно успокоить всех опасающихся нелепого слуха о том, что кипячение увеличивает число молекул тяжелой воды. Если бы изотопы водорода и их соединения можно было бы получать путем простого кипячения, то тяжелая вода не стоила бы практически ничего.

Единство в разнообразии

Вода бывает жидкая, твердая и парообразная. Бывает чистая и бывает грязная. Бывает обычная, тяжелая и сверхтяжелая. Но кроме этого существует еще десятки других видов воды: одни в лаборатории, другие в повседневной жизни, а третьи – в фантазиях их изобретателей.

Лед и родник

Плодотворна для мифотворчества обычная талая вода, т.е. вода, полученная из растаявшего куска льда или снега. Судя по всему, единственный ее плюс – сниженное количество хлора. Можно взять водопроводную воду, заморозить ее, а потом разморозить, и уровень хлора в ней немного уменьшится. Но гораздо проще с этой же целью просто отстаивать воду на протяжении 10–12 ч или пользоваться хорошими фильтрами. Все остальные свойства, приписываемые талой воде, являются, увы, мифическими.
Иногда в качестве доказательства волшебных свойств талой воды предлагают подставить кусок льда под струю воды. Лед помутнеет (это, якобы, всякая грязь из воды выходит), а потом снова станет прозрачным. На самом деле вся тайна в обычной разнице температур. Лед под более теплой водой запотевает, потому и мутнеет.
Волшебные свойства также приписывают и родниковой воде. Она и ультрачистая, она и целебная. Спорить с этим сложно: родниковая вода, прежде чем пробиться на поверхность, проходит через многослойные природные фильтры из песка, земли, глины. Но эти «фильтры», к сожалению, не могут полностью избавить воду от болезнетворных бактерий и тем более справиться с многочисленными промышленными загрязнениями (тяжелые металлы, пестициды и т.д.). Поэтому, увы, даже родниковую воду желательно перед питьем кипятить.

Чудеса науки

Специалисты по социальной психологии утверждают, что мифы, посвященные воде, будут существовать всегда. Людям нужны чудеса, а вода – повсеместно распространенная жидкость.
Но кроме малодоказуемых мифов, у воды есть и по-настоящему волшебные свойства. Например, способность к переохлаждению. Даже школьники знают, что при температуре ниже 0°С вода превращается в лед. Но если воду без газа охлаждать очень осторожно, так, чтобы она находилась в полной неподвижности, то вода будет оставаться жидкой даже при температуре -5–7°С. Это состояние называется переохлаждением. Переохлажденная вода – метастабильна, т.е. она остается жидкой при отрицательных температурах только до тех пор, пока ее равновесия ничто не тревожит. Но стоит появиться малейшему очагу кристаллизации, как она мгновенно превращается в лед. Это дает возможность показывать крайне зрелищные фокусы: в миску или бутылку с водой бросают маленький кусочек льда (опускают руку, наливают немного кипятка) – и вся вода тут же превращается в лед!
Дистиллированная вода способна переохлаждаться до -33°C, а если добавить в воду немного ацетона, то она может оставаться жидкой даже при -72°С.
И еще одно удивительное свойство переохлажденной воды: чем меньше объем, тем легче происходит переохлаждение. Так, водяные капли диаметром в 1 мм и меньше превращаются в лед только при температуре -24–28°С. Поэтому облака даже при низких температурах состоят обычно не из частиц льда, а из капелек воды.
Надо отметить, что вода способна не только переохлаждаться, но и перегреваться! Но для этого она должна быть очень чистой (в идеале – дистиллированной) и без пузырьков газа. В таком случае воду в неподвижном сосуде можно нагреть – без превращения в пар! – до 200°С. Но это состояние тоже метастабильно. Стоит появиться центру кристаллизации (например, можно кинуть в воду несколько крупинок соли), как вся вода начинает интенсивно кипеть и бурлить.

Screenshot_38.png
Screenshot_39.png
Список исп. литературыСкрыть список
Количество просмотров: 173
Предыдущая статьяПремия Ласкера присуждена ученым за создание передового метода лечения рака

Поделиться ссылкой на выделенное

Прямой эфир