Немає сенсу говорити про те, наскільки важлива це речовина для всіх і для кожного з нас зокрема. Тому не варто говорити, що ми знаємо про воду все; це зовсім не так, вода була і залишається найбільш незвичайною речовиною в світі. Щоб в деталях розглянути особливості води, потрібна ґрунтовний підхід.
Чи все вже відомо про воду
Ще зовсім недавно, в 30-х роках ХХ століття, хіміки були впевнені, що склад води їм добре відомий. Але одного разу одному з них довелося виміряти щільність залишку води після електролізу. Він був здивований: щільність виявилася на кілька стотисячних частки вище нормальної. У науці немає нічого незначного. Ця незначна різниця зажадала пояснення. В результаті вчені відкрили багато нових великих таємниць природи. Вони дізналися, що вода дуже складна. Були знайдені нові ізотопні форми води. Здобута зі звичайної важка вода, виявилося, що вона абсолютно необхідна для енергетики майбутнього: при термоядерній реакції дейтерій, виділений з літра води, дасть стільки ж енергії, як 120 кг вугілля. Тепер у всіх країнах світу фізики завзято і невтомно працюють над вирішенням цього величного завдання.
А почалося все з простого вимірювання звичайнісінької, буденної і нецікавої величини - щільність води була виміряна точніше на зайвий десятковий знак. Кожне нове, більш точне вимірювання, кожен новий вірний розрахунок, кожне нове спостереження не тільки підвищує впевненість в знанні і надійності вже добутого і відомого, але і розсуває кордони невідомого і ще не пізнаного і прокладає до них нові шляхи.
Що ж таке звичайна вода?
Такої води у світі немає. Ніде немає звичайної води. Вона завжди незвичайна. Навіть за ізотопним складом вода в природі завжди різна. Склад залежить від історії води - від того, що з нею відбувалося в нескінченному різноманітті її круговороту в природі. При випаровуванні вода збагачується протієм, і вода дощу тому відмінна від води озера. Вода річки не схожа на морську воду. У закритих озерах вода містить більше дейтерію, ніж вода гірських струмків. У кожному джерелі свій ізотопний склад води.
Коли взимку замерзає вода в озері, ніхто з тих, хто катається на ковзанах, і не підозрює, що ізотопний склад льоду змінився: в ньому зменшився вміст важкого водню, але підвищилася кількість важкого кисню.
Вода з талого льоду інша і відрізняється від води, з якої лід був отриманий.
Що таке легка вода?
Це та сама вода, формулу якої знають усі школярі - Н216О. Але такої води в природі немає. Таку воду з величезними труднощами приготували вчені. Вона їм знадобилася для точного вимірювання властивостей води, і в першу чергу для вимірювання її щільності. Поки така вода існує тільки в кількох найбільших лабораторіях світу, де вивчають властивості різних ізотопних з'єднань.
Що таке важка вода?
І цієї води в природі немає. Строго кажучи, потрібно було б називати важкою воду, що складається тільки з одних важких ізотопів водню і кисню, D218О, але такої води немає навіть і в лабораторіях вчених. Звичайно, якщо ця вода знадобиться науці чи техніці, вчені зможуть знайти спосіб, як її отримати: і дейтерію, і важкого кисню в природній воді скільки завгодно.
В науці та ядерній техніці прийнято умовно називати важкої водою важко-водневу воду. Вона містить тільки дейтерій, в ній зовсім немає звичайного, легкого ізотопу водню. Ізотопний склад по кисню в цій воді відповідає зазвичай складу кисню повітря.
Ще зовсім недавно ніхто в світі і не підозрював, що така вода існує, а тепер у багатьох країнах світу працюють гігантські заводи, переробні мільйони тонн води, щоб витягти з неї дейтерій і отримати чисту важку воду.
Чи багато різних вод міститься у воді?
У якій воді? У тій, що ллється з водопровідного крана, куди вона прийшла з річки, важкої води H216О близько 150 г на тонну, а важко-кисневої (Н217О і Н218О разом) майже 1800 г на тонну води. А в воді з Тихого океану важкої води майже 165 г на тонну.
У тонні льоду одного з великих льодовиків Кавказу важкої води на 7 г більше, ніж у річковій воді, а важко-кисневої води стільки ж. Але зате в воді потічків, що біжать з цього льодовика, Н216О виявилося менше на 7 г, а Н218О - на 23 г більше, ніж у річковій.
Тритієва вода Т216О випадає на землю разом з опадами, але її дуже мало - всього лише 1 г на мільйон мільйонів тонн дощової води. В океанській воді її ще менше.
Строго кажучи, вода завжди і всюди різна. Навіть в снігу, що випадає в різні дні, різний ізотопний склад. Звичайно, відмінність невелика, всього 1-2 г на тонну. Тільки, мабуть, дуже важко сказати - мало це чи багато.
У чому ж відмінність між легкою природною і важкою водою?
Відповідь на це питання буде залежати від того, кому він заданий. Кожен з нас не сумнівається, що з водою-то він знайомий добре. Якщо кожному з нас показати три склянки зі звичайною, важкої і легкої водою, то кожен дасть абсолютно чітку і певну відповідь: у всіх трьох посудинах проста чиста вода. 0на однаково прозора і безбарвна. Ні на смак, ні на запах не можна знайти між ними ніякої різниці. Це все - вода.
Хімік на це питання відповість майже так само: між ними немає майже ніякої різниці. Всі їх хімічні властивості майже невиразні: в кожній з цих вод натрій буде однаково виділяти водень, кожна з них при електролізі буде однаково розкладатися, всі їх хімічні властивості будуть майже збігатися. Воно і зрозуміло: адже хімічний склад у них однаковий. Це вода.
Фізик не погодиться. Він вкаже на помітну різницю в їх фізичній властивості: і киплять і замерзають вони при різних температурах, щільність у них різна, пружність їх пара теж трохи різна. І при електролізі вони розкладаються з різною швидкістю. Легка вода трохи швидше, а важка - по-повільніше. Різниця в швидкостях незначна, але залишок води в електролізері виявляється трохи збагаченим важкою водою. Таким шляхом вона і була відкрита. Зміни в ізотопний склад мало впливають на фізичні властивості речовини. Ті з них, які залежать від маси молекул, змінюються помітніше, наприклад швидкості дифузії молекул пара.
Біолог, мабуть, стане в глухий кут і не відразу зуміє знайти відповідь. Йому потрібно буде над питанням про відмінність між водою з різним ізотопним складом ще чимало попрацювати. Зовсім недавно всі вважали, що у важкій воді живі істоти не можуть жити. Її навіть мертвою водою називали. Але виявилося, що якщо дуже повільно, обережно і поступово замінювати протій в воді, де живуть деякі мікроорганізми, на дейтерій, то можна їх привчити до важкої води і вони будуть в ній непогано жити і розвиватися, а звичайна вода для них стане шкідливою.
Скільки молекул води в океані?
0дна. І ця відповідь не зовсім жарт. Звичайно, кожен може, подивившись в довідник і дізнавшись, скільки в Світовому океані води, легко порахувати, скільки всього в ньому міститься молекул Н2О. Але така відповідь буде не цілком вірна. Вода - речовина особлива. Завдяки своєрідної будови окремі молекули взаємодіють між собою. Виникає особливий хімічний зв'язок внаслідок того, що кожен з атомів водню однієї молекули відтягує до себе електрони атомів кисню в сусідніх молекулах. За рахунок такого водневої зв'язку кожна молекула води виявляється досить міцно пов'язаної з чотирма сусідніми молекулами.
Як же все-таки побудовані молекули води в воді?
На жаль, це дуже важливе питання вивчене ще недостатньо. Будова молекул в рідкій воді дуже складна. Коли лід плавиться, його сітчаста структура частково зберігається в утвореній воді. Молекули в талій воді складаються з багатьох простих молекул - з агрегатів, які зберігали властивості льоду. При підвищенні температури частина їх розпадається, їх розміри стають менше.
Взаємне тяжіння веде до того, що середній розмір складної молекули води в рідкій воді значно перевищує розміри однієї молекули води. Така надзвичайна молекулярна будова води обумовлює її надзвичайні фізико-хімічні властивості.
Яка повинна бути щільність води?
Правда, дуже дивне запитання? Згадайте, як було встановлено одиниця маси - один грам. Це маса одного кубічного сантиметра води. Значить, не може бути ніякого сумніву в тому, що щільність води повинна бути тільки такою, яка вона є. Чи можна в цьому сумніватися? Можна, можливо.
Теоретики підрахували, що якби вода не зберігала пухку, льоду-подібну структуру в рідкому стані і її молекули були б упаковані щільно, то і щільність води була б набагато вище. При 25°С вона була б не 1,0, а 1,8 г/см3.
При якій температурі вода повинна кипіти?
Це питання теж, звичайно, дивне. Вірно, при ста градусах. Це знає кожен. Більше того, саме температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску і обрана в якості однієї з опорних точок температурної шкали, умовно позначеної 100°С.
0днако питання поставлене інакше: при? якій температурі вода повинна кипіти? Адже температури кипіння різних речовин невипадкові. Вони залежать від положення елементів, що входять до складу їх молекул, в періодичній системі Менделєєва.
Якщо порівнювати між собою однакові за складом хімічні сполуки різних елементів, що належать до однієї і тієї ж групи таблиці Менделєєва, то легко помітити, що чим менше атомний номер елемента, чим менше його атомна вага, тим нижче температура кипіння його сполук. Вода за хімічним складом може бути названа гідридом кисню. Н2Те, Н2Sе і Н2S - хімічні аналоги води. Якщо визначити температуру кипіння гідриду кисню по положенню його в періодичній таблиці, то виявиться, що вода повинна кипіти при -80°С. Отже, вода кипить приблизно на сто вісімдесят градусів вище, ніж повинна кипіти.
Температура кипіння води - це найбільш звичайна її властивість - виявляється надзвичайним і дивним.
При якій температурі вода замерзає?
Чи не правда, питання не менш дивне, ніж попередні? Ну хто ж не знає, що вода замерзає при нулі градусів? Це друга опорна точка термометра. Це звичайнісінькі властивість води. Але ж і в цьому випадку можна запитати: при якій температурі вода повинна замерзати відповідно до своєї хімічної природи? Виявляється, гідрид кисню на підставі його положення в таблиці Менделєєва мав би твердіти при ста градусах нижче нуля.
З того, що температура плавлення і кипіння гідриду кисню - його аномальні властивості, слідує, що в умовах нашої Землі рідкий і твердий стан його також аномальні. Нормальним мав би бути тільки газоподібний стан води.
Скільки існує газоподібних станів води?
Тільки один - пара. А пара теж тільки одна? Звичайно ні, парів води стільки ж, скільки існує різних вод. Водяні пари, різна за ізотопним складом, володіють хоча і дуже близькими, але все ж різними властивостями: у них різна щільність, при одній і тій же температурі вони трохи відрізняються по пружності в насиченому стані, у них трохи різні критичні тиску, різна швидкість дифузії.
Чи може вода пам'ятати?
Таке питання звучить, треба визнати, дуже незвично, але воно цілком серйозне і дуже важливе. Воно стосується великої фізико-хімічної проблеми, яка в своїй найбільш важливій частини ще не досліджена. Це питання тільки поставлений в науці, але відповіді на нього вона ще не знайшла.
Питання в тому, впливає чи ні попередня історія води на її фізико-хімічні властивості і чи можливо, досліджуючи властивості води, дізнатися, що відбувалося з нею раніше, - змусити саму воду «згадати» і розповісти нам про це. Так, можливо, хоч і здається дивним. Найпростіше це можна зрозуміти на простому, але дуже цікавому і незвичайному прикладі - на пам'яті льоду.
Лід - це ж вода. Коли вода випаровується - змінюється ізотопний склад води і пари. Легка вода випаровується хоча і в незначній мірі, але швидше важкої.
При випаровуванні природної води склад змінюється з ізотопного змістом не тільки дейтерію, а й важкого кисню. Ці зміни ізотопного складу пара дуже добре вивчені, і так само добре досліджена їх залежність від температури.
Dчені поставили чудовий дослід. В Арктиці, в товщі величезного льодовика на півночі Гренландії, була закладена свердловина і висвердлили і витягли гігантський крижаний керн довжиною майже півтора кілометри. На ньому були чітко помітні річні шари наростаючого льоду. По всій довжині керна ці шари були піддані ізотопному аналізу, і за відносним вмістом важких ізотопів водню і кисню - дейтерію і 18О були визначені температури утворення річних шарів льоду на кожній дільниці керна. Дата утворення річного шару визначалася прямим відліком. Таким чином була відновлена кліматична обстановка на Землі протягом тисячоліть. Вода все це зуміла запам'ятати і записати в глибинних шарах гренландського льодовика.
В результаті ізотопних аналізів шарів льоду була побудована вченими крива зміни клімату на Землі. Виявилося, середня температура у нас схильна до вікових коливань. Було дуже холодно в XV столітті, в кінці XVII століття і на початку XIX. Самі спекотні роки були 1550 і 1930.
Те, що зберегла в пам'яті вода, повністю співпало з записами в історичних хроніках. Виявлена за ізотопним складом льоду періодичність зміни клімату дозволяє прогнозувати середню температуру в майбутньому на нашій планеті.
Це все абсолютно зрозуміло і ясно. Хоча і дуже дивна тисячолітня хронологія погоди на Землі, записана в товщі полярного льодовика, але ізотопну рівновагу досить добре вивчено і ніяких загадкових проблем в цьому поки немає.
Тоді в чому ж полягає загадка «пам'яті» води?
Справа в тому, що за останні роки в науці поступово накопичилося багато вражаючих і абсолютно незрозумілих фактів. Одні з них встановлені твердо, інші вимагають кількісного надійного підтвердження, і всі вони ще чекають свого пояснення.
Наприклад, ще ніхто не знає, що відбувається з водою, що протікає крізь сильне магнітне поле. Фізики-теоретики зовсім впевнені, що нічого з нею при цьому відбуватися не може і не відбувається, підкріплюючи свою переконаність цілком достовірними теоретичними розрахунками, з яких випливає, що після припинення дії магнітного поля вода повинна миттєво повернутися до свого попереднього стану і залишитися такою, якою була . А досвід показує, що вона змінюється і стає іншою.
Зі звичайної води в паровому котлі розчинені солі, виділяючись, відкладаються щільним і твердим, як камінь, шаром на стінках котельних труб, а з омагніченої води (так її тепер стали називати в техніці) випадають у вигляді пухкого осаду, зваженого у воді. Начебто різниця невелика. Але це залежить від точки зору. На думку працівників теплових електростанцій, ця різниця виключно важлива, так як омагніченна вода забезпечує нормальну і безперебійну роботу гігантських електростанцій: не заростають стіни труб парових котлів, вище теплопередача, більше вироблення електроенергії. На багатьох теплових станціях давно встановлена магнітна підготовка води, а як і чому вона працює, не знають ні інженери, ні вчені. Крім того, на досліді помічено, що після магнітної обробки води в ній прискорюються процеси кристалізації, розчинення, адсорбції, змінюється змочування... правда, у всіх випадках ефекти невеликі і важко відтворювані. Але яким чином в науці можна оцінити, що таке мало і що - багато? Хто візьметься це зробити? Дія магнітного поля на воду (обов'язково швидкоплинну) триває малі частки секунди, а «пам'ятає» вода про це десятки годин. Чому - невідомо. У цьому питанні практика далеко випередила науку. Адже навіть невідомо, на що саме діє магнітна обробка - на воду або на вмістні в ній домішки. Чистої-то води не буває.
«Пам'ять» води не обмежується тільки збереженням наслідків магнітного впливу. У науці існують і поступово накопичуються багато фактів і спостереження, які показують, що вода нібито «пам'ятає» і про те, що вона раніше була заморожена. Тала вода, що недавно вийшла при таненні шматка льоду, як нібито теж відрізняється від тієї води, з якої цей шматок льоду утворився. У талій воді швидше і краще проростають насіння, швидше розвиваються паростки; навіть начебто б швидше ростуть і розвиваються курчата, які отримують талу воду. Крім дивовижних властивостей талої води, встановлених біологами, відомі і чисто фізико-хімічні відмінності, наприклад тала вода відрізняється по в'язкості, за значенням діелектричної проникності. В'язкість талої води приймає своє звичайне для води значення тільки через 3-6 діб після плавлення.
Чому це так (якщо це так), теж ніхто не знає. Більшість дослідників називають цю область явищ «структурною пам'яттю» води, вважаючи, що всі ці дивні прояви впливу попередньої історії води на її властивості пояснюються зміною тонкої структури її молекулярного стану. Може бути, це і так, але ... назвати - це ще не означає пояснити. Як і раніше в науці існує важлива проблема: чому і як вода «пам'ятає», що з нею було.
Чи знає вода, що відбувається в космосі?
Це питання зачіпає область настільки незвичайних, настільки таємничих, до сих пір абсолютно незрозумілих, спостережень, що вони цілком виправдовують подібне формулювання питання. Експериментальні факти нібито встановлені твердо, але пояснення для них поки що не знайдено.
Вражаюча загадка, до якої відноситься питання, була встановлена не відразу. Вона відноситься до малопомітним і начебто б дріб'язкового явищу, що не має серйозного значення. Це явище пов'язане з найтоншими і поки незрозумілими властивостями води, важко доступними кількісному визначенню, - зі швидкістю хімічних реакцій у водних розчинах і головним чином зі швидкістю утворення і випадання в осад важкорозчинних продуктів реакції. Це теж одне з незліченних властивостей води.
Так ось, в однієї і тієї ж реакції, що проводиться в одних і тих же умовах, час появи перших слідів осаду не постійно. Хоча цей факт був давним-давно відомий, хіміки на нього уваги не звертали, задовольняючись, як це ще часто буває, поясненням «випадковими причинами». Але поступово, у міру розвитку теорії швидкостей реакції і вдосконалення методики дослідження, цей дивний факт став викликати подив.
Незважаючи на самі ретельні заходи в проведенні досліду в абсолютно постійних умовах, результат все одно не відтворюється: то осад випадає одразу, то доводиться досить довго чекати його появи.
Здавалося б, чи не все одно - випадає осад у пробірці за одну, дві або через двадцять секунд? Яке це може мати значення? Але в науці, як і в природі, немає нічого що не має значення.
Дивне невідтворення все більш і більш займала вчених. І нарешті був організований і здійснений зовсім небувалий експеримент. Сотні добровільних дослідників-хіміків у всіх частинах земної кулі за єдиною, заздалегідь розробленою програмою одночасно, в один і той же момент за світовим часом знову і знову повторювали один і той же простий дослід: визначали швидкість появи перших слідів осаду твердої фази, що утворюється в результаті реакції у водному розчині. Дослід тривав майже п'ятнадцять років, було проведено більше трьохсот тисяч повторень.
Поступово стала вимальовуватися дивовижна картина, незрозуміла і загадкова. Виявилося, що властивості води, що визначають перебіг в водному середовищі хімічної реакції, залежать від часу.
Сьогодні реакція протікає зовсім інакше, ніж в той же момент вона йшла вчора, і завтра вона буде йти знову по-іншому.
Відмінності були невеликі, але вони існували і вимагали уваги, дослідження і наукового пояснення.
Результати статистичної обробки матеріалів цих спостережень привели вчених до вражаючого висновку: виявилося, що залежність швидкості реакції від часу для різних частин земної кулі абсолютно однакова.
Це означає, що існують якісь тo таємничі умови, що змінюються одночасно на всій нашій планеті і впливають на властивості води.
Подальша обробка матеріалів привела вчених до ще більш несподіваного наслідку. Виявилося, що події, які відбуваються на Сонці, якимось чином відображаються на воді. Характер реакції у воді слід ритму сонячної активності - появи плям і спалахів на Сонці.
Але і цього мало. Було виявлено ще більш неймовірне явище. Вода якимось незбагненним шляхом відгукується на те, що відбувається в космосі. Була встановлена чітка залежність від зміни відносної швидкості Землі в її русі в космічному просторі.
Таємничий зв'язок води і подій, що відбуваються у Всесвіті, поки не піддається поясненню. А яке значення може мати зв'язок між водою і космосом? Ніхто ще не може знати, наскільки воно велике. У нашому тілі близько 75% води; на нашій планеті немає життя без води; в кожному живому організмі, в кожній його клітинці протікають незліченні хімічні реакції. Якщо на прикладі простої і грубої реакції помічено вплив подій в космосі, то поки навіть і уявити собі не можна, як велике може бути значення цього впливу на глобальні процеси розвитку життя на Землі. Напевно, буде дуже важливою і цікавою наука майбутнього - космобіологія. Одним з її головних розділів стане вивчення поведінки і властивостей води в живому організмі.
Чи всі властивості води зрозумілі вченим?
Звичайно, ні! Вода - загадкове речовина. До сих пір вчені не можуть ще зрозуміти і пояснити дуже багато її властивостей.
Чи можна сумніватися, що всі подібні загадки будуть успішно вирішені наукою. Але буде відкрито чимало нових, ще більш дивних, загадкових властивостей води - самої незвичайної речовини в світі.
