Фрадкин Захарович - Белые пятна безбрежного океана
Самое известное и непознанное свойство воды
Перспективы грядущего использования воды все требовательнее ставят вопрос о точном познании ее внутренней структуры. И науке поневоле все снова и снова приходится возвращаться к старой, как мир, проблеме, которая волновала умы еще средневековых флорентийских академиков: почему течет вода?
Казалось бы, нелепо спрашивать такое. Вода течет потому, что она жидкая. Но тогда возникает новый вопрос: а, собственно, что такое жидкость? Твердое или газообразное состояние вещества мы представить себе более или менее ясно можем. В нашем воображении возникают картины пространственного расположения атомов в кристаллах металлического сплава. Мы "видим" хаотическое движение молекул в газовых смесях. Но как выглядят частицы воды, каково их взаимное расположение? Конечно, существуют гипотезы (и мы их еще приведем), но они расплывчаты и экспериментально не подтверждены. Вопрос "почему течет вода?" остается пока трудным для науки.
Многие теоретики предпочитают проводить аналогию между жидкостью и твердым телом (например, плохая сжимаемость)" А при гидродинамических расчетах проектировщики и ученые-экспериментаторы применяют к жидкостям (в том числе и к воде) те же математические зависимости, что и к газам. Весьма нелогично.
Необходимость решения этого вопроса становится все более острой. Ибо, раскрыв структурное строение воды, мы вместо сомнительных, весьма приближенных и не всегда применимых аналогий, вместо грубых и неточных эмпирических зависимостей получим истинную картину происходящего. Появится возможность раскрыть закономерности, присущие только воде. Физики чисто аналитически, без всяких приближений получат точные математические зависимости. И лишь тогда откроется путь к созданию сверхпрочной воды как машиностроительного материала, путь к полимеризации воды - основы будущего текстильного производства.
Рис. 9. Агрегатные состояния вещества
И очень хотелось бы, чтобы, наконец, был создан такой протонный или иной микроскоп, с помощью которого удалось заглянуть в воду, увидеть ее молекулы, их движение, возникновение и распад. Наблюдают же физики-атомщики поведение единичных элементарных частиц - протонов, нейтронов, мезонов, позитронов, размеры которых в сравнении с молекулой воды, как байдарка в сравнении с океанским лайнером, Да, очень важно визуально исследовать молекулы воды.
А пока... для воды мы довольствуемся тем положением, которое изображено на рис. 9. Твердое тело (например, лед) имеет кристаллическое строение. В глазах частицы находятся в состоянии хаотического движения. Агрегатное состояние жидкости - пока загадка.
Секреты аномальных свойств воды
"Кирпичики" воды
Секрет воды, конечно же, следует искать в специфическом строении ее молекулы и в особенностях тех "кирпичиков", из которых складывается эта молекула.
Действительно, оба элемента - водород и кислород - заметно выделяются из многочисленной семьи химических элементов, представленной в периодической системе Менделеева.
Водород как "горючий воздух" был известен еще в XVI в. немецкому врачу и естествоиспытателю Парацельсу. Но подлинная природа этого газа была установлена лишь в 1783 г. Антуаном Лавуазье. За способность, сгорая, производить воду, "горючий воздух" впоследствии переименовали в "гидрогениум", т. е. рождающий воду.
Водород - единственный элемент, не имеющий даже одной полностью заполненной электронной оболочки. Из-за исключительной простоты его строения - один протон (ядро) и один электрон - ему присущи совершенно особые свойства. Между молекулами, образованными водородом с другими элементами, возникают единственные в своем роде водородные связи, сила взаимного притяжения которых по величине совершенно несравнима с взаимодействием всех прочих, неводородных молекул.
Забегая вперед, скажем, что именно наличие водородных связей не только определяет аномальные свойства воды, но и играет решающую роль в образовании живой материи - нуклеиновых кислот, молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), белковых молекул.
Водород - один из наиболее распространенных элементов. Он обнаружен всюду: на других планетах Солнечной системы, на самом Солнце, в атмосферах всех доступных наблюдению звезд, в туманностях, межзвездной пыли.
Значение водорода во вселенной исключительно велико. Достаточно сказать, что он играет роль "космического топлива", дает жизнь, энергию звездам (в том числе и нашему Солнцу).
В настоящее время известно пять изотопов атома водорода с атомными массами 1 (протий), 2 (дейтерий), 3 (тритий), 4 и 6 (названия пока не даны). Наиболее распространенные соединения водорода (по крайней мере, на Земле) - вода, в основе которой находится протий.
Дейтерий отличается от протия строением ядра. Оно состоит из протона и нейтрона, поэтому масса ядра дейтерия в 2 раза больше массы ядра протия. Такое резкое расхождение в массах изотопов является единственным случаем среди изотопов всех других элементов. В обычной (земной) воде один атом дейтерия приходится на 5500 атомов протия.
В ядре трития один протон и два нейтрона. Тритий радиоактивен. Он излучает бета-частицы и превращается в изотоп гелия с массовым числом 3. Период полураспада трития около 12,3 лет. В земной воде трития крайне мало: один атом на миллиард миллиардов (1/1018) атомов протия.
Недавно обнаружены изотопы водорода с атомными массами 4 и 5. Но физические и химические свойства обоих изотопов пока не изучены. Известно только, что время их существования ничтожно мало. Например, изотоп с атомной массой 4 "живет" всего лишь 10-11с.
Кислород открыт в 1774 г. английским химиком Джозев Пристли. Но свое крещение получил в лаборатории французского ученого А. Лавуазье; открытый Пристли газ назвали оксигеном - рождающим кислоту.
На нашей планете кислород - распространенный элемент. Земная кора до глубины 10-15 км почти на 50 % (по массе) состоит из кислорода. Песок содержит 53% кислорода, глина 56%, вода 89 %, в теле человека его 70 %.
Кислород - не менее своеобразный элемент, чем водород. Он занимает восьмое место в периодической системе Менделеева. Если его внутренняя электронная оболочка (слой k) укомплектована полностью (два электрона), то на внешней (слой h) вместо восьми положенных "по штату" электронов имеется только шесть. Два места остаются вакантными. Элемент с резко выраженными электроположительными свойствами, кислород атакует все атомы, отдающие электроны (к каковым, прежде всего, относится водород), и потому представляет собой один из наиболее агрессивных элементов в природе.
Известны три изотопа кислорода с атомными массами 16, 17 и 18. На Земле на каждые 3150 атомов 16О приходится по пять атомов 17О и по одному атому изотопа 18О. К сожалению, никаких данных о физико-химических свойствах изотопов 17О и 18О у нас нет, наукой они пока не изучены.
Вода - это не просто Н2О.
Вода представляет собой химическое соединение водорода с кислородом. В молекуле воды один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Химическая формула обыкновенной воды Н2О. Молекулярная масса ее 18,016. При нормальных атмосферных условиях температура кипения воды составляет +100°С (373 К), а температура замерзания 0°С (273 К). Вода является отличным растворителем, бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса. Таковы общеизвестные физические и химические свойства воды.
После того как в прошлом столетии были изучены и, казалось бы, вполне исчерпывающе физико-химические свойства воды, интерес к этой заурядной жидкости со стороны исследователей надолго угас.
Но вот в 1932 г. американский физик Гарольд Юри обнаружил в обычной чистой воде примесь, химический состав которой был тот же - атом кислорода на два атома водорода, но молекулярная масса составляла не 18, а 20. Это, как мы теперь знаем, была окись дейтерия, она получила название тяжелой воды. Ее формула Д2О. Она кипит при 101,4 °С (374,4 К) и замерзает при - 3,8 °С (269,2 К). В противоположность жизненной силе Н2О, тяжелая вода в физиологическом отношении инертна. Семена растений, политые тяжелой водой, не прорастают. Если тяжелой водой поить животных, они погибают от жажды. После открытия дейтерия интерес к воде резко повысился. В 1943 г. вокруг тяжелой воды разыгрались весьма драматические события.
Фашистская Германия форсировала создание атомной бомбы. В качестве замедлителя нейтронов в атомном реакторе немецкие исследователи намеревались использовать тяжелую воду. Однако ее получение в больших количествах представляло (да и сейчас представляет) значительные трудности. Организовать производство тяжелой воды гитлеровцам удалось в оккупированной ими Норвегии, где можно было использовать дешевую энергию гидростанций и в фиордах которой вода имела повышенное содержание окиси дейтерия.
