Свойства воды

До середины ХVIII века вода считалась неделимым веществом. И только в 1783 году французский химик Антуан Лоран Лавуазье пришел к выводу, что она имеет сложное строение: в ее состав входят водород и кислород. После этого свыше ста лет все считали, что вода — простейшее соединение, описываемое единственно возможной формулой H₂O. В Х1Х веке этим представлениям пришел конец, так как были открыты свойства воды, отличающие ее от всех прочих жидкостей.

1. При замерзании вода увеличивает почти на 10% свой объем. Поэтому лед на воде плавает, а водоемы даже самой суровой зимой не промерзают до самого дна, сохраняя в своих глубинах условия для поддержания жизни.

2. Зависимости плотности, сжимаемости и теплоемкости жидкой воды от температуры немонотонны. При нагревании воды от температуры плавления указанные характеристики вначале увеличиваются и лишь после достижения некоторой температуры начинают (как и у прочих жидкостей) уменьшаться. В результате, зимой, при замерзании водоемов в придонном слое вода имеет температуру максимальной плотности (которая существенно выше температуры замерзания). Последнее, делает условия выживания в придонном слое водоемов не просто «сносными», а и относительно «комфортными».

3. Вода имеет в самые высокие среди всех жидкостей (кроме жидкого аммиака) средние значения удельной теплоемкости, теплоты кристаллизации и теплоты парообразования.

4. Вода имеет неизвестные точно и непрерывно изменяющиеся значения своих теплофизических констант.

5. При температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается.

6. Вода способна хранить информацию об оказываемых на нее внешних воздействиях.

7. Вода имеет аномально высокое поверхностное натяжение, что не только позволяет некоторым насекомым спокойно ходить по её поверхности, но и благодаря капиллярным силам обеспечивает поступление питательных веществ к кронам гигантских деревьев, достигающих нескольких десятков метров в высоту.

Ученым давно были известны перечисленные и прочие 59 необъяснимых свойств воды, отличающие её от большинства других химических веществ, встречающихся в жидком состоянии. Объяснить эти свойства на основании лишь строения и химических параметров молекул воды ученые до последнего времени не могли, вследствие чего их называют аномальными.

Ныне установлено, что их наличию вода обязана особенностям своего молекулярного строения. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность.

Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. В результате этого молекула воды представляет собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов в молекуле воды , то получится объемная геометрическая фигура – почти правильный тетраэдр. Угол НОН в молекуле жидкой воды составляет 104^о27`, а не 109,5^о как в правильном тетраэдре. Расстояние между атомами водорода составляет 0.000000000015м. Расстояние между каждым из атомов водорода и атомом кислорода – в газообразном состоянии и жидкой фазе 0.0000000000096м (0.96А), во льду- 0.0000000000099 (0.99А). Расстояние между атомом кислорода и центром инерции молекулы 0.0000000000013м. (0.13А)

Рисунок 2. Строение молекулы воды

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

Уже в конце XIX века, после того как перечисленные аномальные свойства воды и строение ее молекулы были изучены, возникло предположение, что на самом деле она не единая жидкость, а смесь как минимум двух компонентов, с различными свойствами. Первым подобную идею выдвинул Уайтинг в 1884 году. В 1891 году В. Ренгтен ввёл представление о двух состояниях воды, которые различаются плотностью. После неё появилось множество работ, в которых воду рассматривали как смесь ассоциатов разного состава (“гидролей”).

Рисунок 3 Водородные связи между молекулами воды

Когда в 20-е годы определили структуру льда, оказалось, что молекулы воды в кристаллическом состоянии образуют трёхмерную непрерывную сетку, в которой каждая молекула имеет четырёх ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного тетраэдра.

В 1933 году Дж. Бернал и П. Фаулер предположили, что подобная сетка существует и в жидкой воде. Поскольку вода плотнее льда, они считали, что молекулы в ней расположены не так, как во льду, то есть подобно атомам кремния в минерале тридимите, а так, как атомы кремния в более плотной модификации кремнезёма — кварце. Увеличение плотности воды при нагревании от 0 до 4°C объяснялось присутствием при низкой температуре тридимитовой компоненты. Таким образом, модель Бернала — Фаулера сохранила элемент двухструктурности, но главное их достижение — идея непрерывной тетраэдрическои сетки. Тогда появился знаменитый афоризм И. Ленгмюра: „Океан — одна большая молекула“.

Только в 1951 году Дж. Попл создал модель структуры воды, как непрерывной случайной тетраэдрической сетки, связи между молекулами в которой искривлены и имеют различную длину. Модель Попла объясняет уплотнение воды при плавлении искривлением связей. В тоже время она не объясняет немонотонность зависимости свойств воды от температуры и давления так хорошо, как модели двух состояний.

В 60-70-е годы ХХ века возникли еще две группы „смешанных“ моделей структуры воды: кластерные и клатратные.

В кластерных моделях структура воды рассматривалась как совокупность не связанных между собой кластеров, молекулярных агрегатов, состоящих из молекул, связанных водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих. Среди подобных моделей наиболее яркой оказалась модель Г. Немети и Х. Шераги: предполагающие, что кластеры связанных молекул, плавают в море несвязанных молекул.

Клатратные модели рассматривали структуру воды как непрерывный каркас водородных связей, в котором содержатся пустоты, где размещаются молекулы, не связанные с молекулами каркаса. Первую такую модель в 1946 году предложил О.Я. Самойлов. В соответствии с ней структура каркаса воды подобна сетке водородных связей гексагонального льда, а полости в нем частично заполнены мономерными молекулами. Другой вариант клатратной модели в 1959 году предложил Л. Полинг. В его модели предполагается, что основой структуры воды может служить сетка связей, присущая некоторым кристаллогидратам.

В течение второй половины 60-х годов и начала 70-х появлялись компромисные варианты кластерных и клатратных моделей, допускающие связи между класьтерами и разрывы в каркасе. Было установлено также, что всегда можно подобрать такие свойства и концентрации двух микрофаз кластерных моделей или свойства каркаса и степень заполнения его пустот клатратных моделей, чтобы объяснить все свойства воды, в том числе и знаменитые ее аномалии.

Представлениям о воде как о водородно-связанных кластерах, плавающих в море лишённых связей молекул воды, был положен конец в конце 90-х годов ХХ века, когда появились первые экспериментальные исследования структуры воды. Было установлено, что в воде присутствуют взаимодействующие между собой молекулярные агрегаты различных размеров и форм, обладающие различным временем жизни.

В 1999 г. С.В. Зенин обосновал геометрическую модель основного стабильного структурного образования из молекул воды (структурированная вода), а также получил изображение подобного агрегата с помощью контрастно-фазового микроскопа этих структур.

Андерс Нильсон подтвердил выводы Зенина, изучив строение воды с использованием мощного рентгеновского микроскопа. Он установил, что в воде молекулы формируют не одну структуру, а одновременно два типа структур, сосуществующих в ней вне зависимости от температуры. Один тип структуры формируется в виде сгустков примерно по 100 молекул, структура которых напоминает структуру льда. Второй тип структуры, окружающей сгустки, гораздо менее упорядочен.

Увеличение температуры вплоть до точки кипения воды приводит к изменению соотношения между числом молекул, входящих в упомянутые сгустки и находящихся в неупорядоченном состоянии. Их доля в сгустках уменьшается.

"Этот процесс можно представить как танцевальный клуб, где часть людей сидит за столиками, отражая упорядоченную компоненту воды, а часть находясь в толпе, непрерывно перемещается в танце, отражая разупорядоченную. Увеличение температуры воды в этом случае можно сравнить с всеобщим поднятием настроения и ускорением музыки, когда люди начинают вставать из-за столов и присоединяться к танцующим, а часть пустующих столов и вовсе убирается для высвобождения места. Охлаждение - обратный процесс, когда танцпол заполняется столами, и за них присаживаются утомленные танцами гости клуба. При этом при одной и той же "температуре" танцующие и сидящие люди постоянно меняются местами - некоторые присаживаются отдохнуть а некоторые наоборот идут танцевать, тогда как общее соотношение танцующих и сидящих остается прежним" - пояснил результаты работы Нильсон.

Это, в частности, объясняет нелинейную зависимость плотности воды от температуры - упорядоченные скопления молекул имеют меньшую плотность, чем неупорядоченные, и она мало меняется с изменением температуры, которую можно сравнить с постоянным размером столов, не зависящим от настроения собравшихся или громкости музыки в ресторане.

Дэнфорд и Леви также провели рентгеноструктурное исследование жидкой воды. Они показали, что в воде может присутствовать льдоподобный каркас и неупорядоченные молекулы воды, как в модели Самойлова. Этот результат не позволяет полностью отвергнуть клатратные модели, допуская их продуктивность в ряде специальных случаев (вблизи поверхностей раздела фаз, макромолекул и т.п.), а также в комбинированных моделях (Марчи-Эиринг). Показано также, что тэтраэдрический порядок в расположении молекул воды по мере повышения ее температуры все более и более нарушается. Вследствие увеличения средней скорости движения ее молекул некоторые связи между ними разрываются. В результате начинается распад самых крупных молекулярных агрегатов на более мелкие.

Удивительным свойством водородных связей является их способность удерживать молекулы воды в молекулярных агрегатах не жестко - при различных их взаимных ориентациях. Благодаря этому вероятно молекулярным агрегатам свойственен относительный полиморфизм (геометрические конфигурации агрегатов, имеющих одинаковую молекулярную массу, могут быть различны).

Установлено, что вода жидкая содержит также молекулярные агрегаты, различающиеся между собой числом объединившихся молекул (а значит и молекулярной массой). Распределение молекул воды по агрегатам с той или иной молекулярной массой зависит от предыстории изменения ее температуры и других оказываемых на нее внешних воздействий.

При одной и той же температуре вода, которая ранее была талой и вода, которая ранее была кипяченой, обладают различными распределениями своих молекул по молекулярным агрегатам. У воды, которая ранее была холоднее, сохраняется больше молекулярных агрегатов высокого порядка (т.е. содержащих большое число молекул).

На изменение распределений молекулярных агрегатов жидкой воды по их молекулярным массам и конфигурациям способны оказывать влияние механические воздействия (перемешивание), внешние электрические и другие поля. Воздействующим объектом может быть и человек. Информация о подобных взаимодействиях надолго сохраняется в структуре воды, которая представляет собой множество молекулярных агрегатов различных типов.

К образованию очень правильных симметричных и красивых гексогональных структур приводит упоминание над водой , имени богини Аматерасу, а также , слово «спасибо». К иным последствиям приводит угроза. В этом нетрудно убедиться рассмотрев следующие фото:

Структуры, образующаяся в воде над которой произнесены фразы

Слева, - «Я тебя убью!». Справа, -«Спасибо!»

Структуры , образующиеся в воде под воздействием музыки:

Тяжёлый рок "Пастораль" Бетховена

Музыка Моцарта и Бетховена приводит к образованию неизменно веселой россыпи правильных кристаллов, тяжелый же рок –к образованию абсолютно разупорядоченной структуры.

Сравнивая структуру воды в клетках младенца и взрослого человека, Я. Катаяма обнаружил, что в организме младенца вся клеточная вода группируется исключительно в гексагональную структуру, в отличие от людей старшего возраста. Причем количество молекул воды, объединяющихся в гексагон, было минимальным из возможного – шесть. Именно при такой структуре с шестью молекулами в одном кластере, вода является биоактивной, максимально эффективно выполняя свои функции в организме. Уже у 30-летнего человека доля микрокластерной воды в клетках падала до 60 процентов. Чем старше человек, тем более разупорядоченной становится структура воды в его клетках и тем больше он нуждается в микро - кластерной воде. Клеточная вода в куске мертвой ткани животного, в испорченных овощах и фруктах идентична воде из- под крана, теряя свою гексогональную структуру.

Д. Шик установил что в организме больных раком людей микрокластеры меняют свою форму с гексагональной (шестигранной) на пентагональную (пятигранную). Более того, наиболее популярные в мире обратноосмотические системы очистки воды на выходе дают именно такие пентагонально структурированные микрокластеры воды. То есть, химически чистая вода, образующаяся в них, может представлять опасность для здоровья человека!

В природе имеет гексагональную микрокластерную структуру также талая вода, оживляющая по весне животных и растений от зимней спячки , вода с ледников, а также клеточная вода фруктов и овощей (сок), вода из очень немногих источников или скважин.

Кровь животных и человека может иметь микрокластерную структуру только в случае потребления ими единственно микрокластерной биоактивированной воды. Возможно, гексагональная сингония водяных кристаллов является необходимым строительным каркасом, обеспечивающим нормальное функционирование клетки. Так, Д. Шик в своей книге «Вода долгой жизни» пишет, что мельчайшая водяная частица, на которой природа основала жизнь, это не единичная молекула воды, а водяное кольцо, состоящее из шести молекул H₂O. При отсутствии микрокластерной воды или наличии ее ниже определенного предела клетка, судя по всему, просто перестает функционировать.

Многие источники указывают на то, что микрокластерная вода поддерживает и оздоравливает молекулу ДНК, группируясь вокруг нее. Молекула же ДНК является главным маркером при срабатывании механизма самоубийства - апоптоза. В принципе, это относится к любым белковым образованиям в наших клетках. Вокруг здоровых белковых молекул формируется каркас из гексагональных кластеров воды. Вокруг же больных, частично разрушенных – ничего нет. – Вода как бы расступается, уходит, оставляя без защиты дефектные молекулы белка. Таким образом, оптимизация содержания гексагональной микрокластерной воды в клетке может являться важным фактором долголетия.

Установлено, что вода является источником сверхслабого и слабого переменного электромагнитного излучения. Наименее хаотичное электромагнитное излучение создаёт структурированная вода. В таком случае может произойти индукция соответствующего электромагнитного поля, изменяющего структурно-информационные характеристики биологических объектов.

Свойства воды становятся еще сложнее, если вспомнить о том, что в природе каждый из элементов, образующих молекулу воды, может быть представлен тремя изотопами. Для кислорода это : О¹⁶ , О¹⁷ и О¹⁸. Водород также встречается в виде трех изотопов из которых два Н¹ (протий) и Н²(дейтерий, Д) являются стабильными, а один – Н³(тритий, Т) – радиоактивным. Ядро атома Д кроме протона содержит также один нейтрон. Ядро атома трития (Т), кроме протона содержит два нейтрона. Тритий – радионуклид с периодом полураспада 12,4 года, распадающийся с образованием гелия He³ и β-частицы, имеющей энергию 17,6 кэв .

Тритий содержится в атмосфере в концентрации 4* 10 ^–15 и образуется в результате ядерной реакции

N¹⁴+ n¹ = C¹² + H³.

Здесь:N¹⁴- ядро атома азота с массой 14;

n¹ - нейтрон с массой 1;

C¹²- ядро атома стабильного изотопа углерода с массой 12.

Поэтому фактически, встречающаяся в природе «вода» представляет собой смесь девяти стабильных, но различных по своему составу и свойствам жидкостей : Н¹₂О¹⁶, Н¹₂О¹⁷, Н¹₂О¹⁸, Н ¹Д² О¹⁶, Н¹ Д²О¹⁷, Н¹Д²О¹⁸,Д¹₂О¹⁶, Д¹₂О¹⁷, Д¹₂О¹⁸.

Дитрих установил количества, в которых встречаются на нашей планете различные по своему изотопному составу виды воды. Сведения об этих количествах представленны в таблице 1

Таблица 1. Компоненты воды по Дитриху и их содержание на Земле.

Молекула воды	Молекулярная масса	% от общего объема воды
Н12О16	18	99.73
Н12О17	19	0.04
Н12О18	20	0.2
Н 1Д2 О16	19	0.032
Н1 Д2О17	20	0.00001
Н1Д2О18	21	0.00006
Д22О16	20	0.000003
Д22О17	21	0.000000001
Д22О18	22	0.000000006

Кроме того, в незначительных количествах (всего около 800 г на весь Мировой океан) встречается радиоактивная т. н. «сверхтяжелая вода» Н³₂ О¹⁶.

Физико-химические свойства изотопов водорода и их оксидов существенно различаются. В этом нетрудно убедиться из таблицы 2.

Таблица 2. Физико-химические свойства изотопов водорода и их наиболее распространенных оксидов.

Изотопы водорода и их оксиды	Температура кипения, оС	Температура плавления, оС
Н2	-252,8	-259,2
Д2	-249,5	-254,4
Т2	-248,1	-252,5
Н2О	+100,0	0,00
Д2О	+101,43	+3.82
Т2О	+102,6	+4,49

Содержание тех или иных видов воды в различных водоемах, а также их частях различно и заранее непредсказуемо. Несмотря на значительные успехи в исследованиях структуры жидкой воды, проблема объяснения всех ее аномальных свойств в наши дни по прежнему далека от своего решения. Ни одна из существующих теорий объясняя те или иные ее физико-химические свойства, не объясняет их все в комплексе. Поэтому вполне удовлетворительными ни одна из них не является, а исследования в данном направлении продолжаются.