Самая невероятная жидкость

Юрий Николаев
6 марта 2020

Она обладает памятью, не подчиняется законам термодинамики, имеет не менее 19 агрегатных состояний, служит универсальным растворителем и имеет ещё множество удивительных свойств. Именно благодаря этим свойствам она является основой жизни на Земле. Она — это вода, которая стала объектом исследования Викитории.

Начнем с прописных истин. Организм человека на 60-90% состоит из воды. Если доля воды — это функция, то аргументом будет возраст. У новорожденного младенца тело состоит из воды более, чем на 90%, у старика — всего на 60. Таким образом связь содержания воды в организме с процессами старения очевидна. Не случайно оздоровительные системы Востока предписывают потреблять большое количество жидкости. Живая клетка состоит из воды на 70%. Благодаря этому клетка работает как химический комбинат: ведь вода — не только сильнейший реагент, но практически идеальная среда для химических реакций.

Само существование жизни стало возможным исключительно благодаря необычному свойству воды сжиматься в процессе охлаждения, достигать наименьшего объема при +4° C, но расширяться в момент замерзания. Благодаря этому лед в водоемах располагается сверху, образуя теплоизоляционный слой, не позволяющий воде промерзать до дна. На дне водоема скапливается самая тяжелая вода температурой +4° C, в верхнем тонком слое зимой температура около 0° C. В соответствии с этим градиентом распределяется температура воды в слое от поверхности до дна.

Но это свойство воды, радикально отличающееся от других жидкостей не самое удивительное. Например, вода опровергает теоретические выкладки в области химии. Сочетание водорода и кислорода в ее составе, согласно периодической таблицы элементов Менделеева, наделяет воду следующими физическими свойствами: точка замерзания –90° C, точка кипения –70° C. Если бы вода в действительности обладала подобными свойствами, то в жидком виде мы видели бы ее только в Антарктиде, да и то не круглый год и не везде. Вся существующая на Земле вода находилась бы в атмосфере в виде пара.

Эти аномалии, вкупе с невероятной теплоемкостью, физики и химики договорились объяснять водородными связями между молекулами: молекулы воды являются диполями, поэтому в жидком агрегатном состоянии электрически ориентированы — атомы водорода заряжены положительно, атомы кислорода — отрицательно. Это заставляет молекулы воды выстраиваться относительно друг друга как бы в цепочку, хватаясь краями. Таким образом, связи между молекулами оказываются весьма сильными и для перехода в газообразное состояние нужно разорвать их. Такая своеобразная «кристаллическая решетка» делает весьма энергозатратным, например, процесс испарения воды.

И еще о теплоемкости. Именно благодаря действительно невероятной способности воды накапливать тепло, Европа и Америка в Северном полушарии, а Австралия в Южном не замерзают зимой как полярные области: их обогревает вода океанов, накапливающих тепло летом.

Постепенно мы приближаемся к самым невероятным свойствам H2O, о которых известно немногим. Вот одно из них: горячая вода замерзает быстрее холодной, хотя ей приходится по мере остывания пройти термодинамическую точку, в которой холодная находится изначально. Это невероятное свойство, нарушающее первый закон термодинамики, в 1963 году обнаружил… студент по фамилии Мпемба. Он замораживал в морозильнике две порции мороженого, при этом одна смесь была горячей, а другая холодной. Горячая замерзла раньше. Мпемба обратился за разъяснениями к своему учителю физики, но тот посмеялся над ним. Однако профессора физики Денниса Осборна сообщение заинтересовало. Он провёл эксперимент и убедился в правоте Мпембы — вода, нагретая до 90° C, замерзла в морозильной камере раньше, чем такой же объем температурой 25° C. Убедительного объяснения этому феномену до сих пор никто не дал. Однако выяснилось, что это необычное свойство воды было известно еще во времена Аристотеля, который упоминал о нем в своих работах. Писали об этом и Рене Декарт, и Френсис Бэкон.

Кроме этого, вода имеет память, которая позволяет ей запоминать физические и химические свойства веществ, которые в ней были растворены. Это свойство воды активно используют гомеопаты, которые утверждают, что если лекарственное средство растворить в воде до незначимой концентрации, то раствор будет действовать аналогично лекарству. Профессор Мадлен Эннис из Королевского университета в Белфасте была последовательным критиком гомеопатии до тех пор, пока не решила лично вбить последний гвоздь в крышку гроба гомеопатии, проведя соответствующий эксперимент. В четырех разных лабораториях она наблюдала, как сверхразбавленный раствор гистамина, вероятно, не содержавший ни одной молекулы препарата, действовал на пациентов точно так же, как сам гистамин. В своем отчете об этом эксперименте Эннис признала правоту гомеопатов. «Объяснить это явление мы не способны,— сообщает Мадлен Эннис,— однако признаем, что факт имеет место и призываем ученых исследовать это необычное явление.».

Вода может находиться в паре десятков агрегатных состояний

Напоследок Викитория расскажет еще об одном свойстве воды: ее агрегатной полиморфии. Если спросить у первых попавшихся 100 человек, сколько агрегатных состояний может иметь вода, то все 100 (возможно 99) ответят: «Три! Газообразное, жидкое и твердое.». Однако это далеко от истины. В настоящее время ученым, кроме газообразного, известно 19 агрегатных состояний воды, в которые она переходит в зависимости от температуры и давления. 5 из них жидкие, 14 — замерзшие. Намеренно избегаю термина «твердые», так как далеко не все они таковы. Например, при —120° C вода приобретает аморфные свойства и начинает течь, как мед или густая патока. А после охлаждения еще на 15° C, она становится «стеклянной» — твердой без образования кристаллической структуры.

В последние два десятилетия в науке обострился интерес к структурным формам воды, на одну из них Викитория уже указала выше — дипольная организация молекул. В ходе исследований были обнаружены другие структуры, образуемые водородными связями, которые ученые назвали водными кластерами. Выявилось их значительное влияние на протекание биологических процессов. В чистой воде кластеры не образуются — они формируются в растворах, атмосфере и в биологических молекулах. Порождаемые кластерами свойства воды особенно выражены в талой воде, а также в овощах и фруктах. Изучение свойств водных кластеров перспективно с точки зрения применения в медицине и наноустройствах.

Свойства воды настолько неисчерпаемы, что советский химик и физик, академик АН СССР, столкнувшись с ее загадками, заявил: «Почти все физико-химические свойства воды – исключение в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете. Ученые уже немало узнали о воде, разгадали многие ее тайны. Но чем больше они изучают воду, тем больше убеждаются в неисчерпаемости ее свойств, некоторые из которых настолько любопытны, что порой все еще не поддаются объяснению.».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *