Глава 2. Вода и ее физико-химические свойства

Большое практическое значение воды является одной из основных причин пристального изучения ее многими науками. Совершенно очевидно, что тому или иному времени соответствовали свои представления о роли и свойствах воды в биосфере. Так, у мыслителей древности они носили отвлеченный и философский характер. Позже, в средние века, в связи с возникновением у алхимиков учения о химической природе организмов и происхождения болезней эти представления несколько конкретизировались. При этом неоднократно предпринимались по­пытки свести воедино известные эмпирические данные о физико-хи­мических свойствах и биологических особенностях воды. На рубеже XVIII—XIX вв. сложились представления о свойствах воды, которые в основных чертах дошли до настоящего времени. Уже в наше время при изучении процессов ядерных распадов стали известны различные изотопы водорода: протий, дейтерий и тритий; и изотопы кислорода с массовыми числами 16, 17 и 18.

Интерес к воде связан, по мнению В.И. Вернадского, еще и с тем, что именно «вода определяет основные черты строения биосферы, с которой все живое неразрывно и закономерно связано». Действительно, в свое время вода стала прародительницей жизни на Земле: в океанической воде под действием жестких ультрафиолетовых и космических лучей, легко проникающих на поверхность нашей планеты, шел абиогенный синтез органических соединений.

Обладая относительно высокой диэлектрической проницаемостью (при 18⁰ С равной 81,0), вода оказывается хорошим растворителем, обладает сравнительно малой вязкостью и поэтому, постоянно перемешиваясь, способствовала образованию огромного числа комбинаций молекул, чтобы в итоге отобрать те, которые явились основой жизни. Вместе с тем, поверхностный слой воды, задерживая ультрафиолетовые лучи, способствовал защите вновь образовавшихся организмов от их губительного воздействия.

Другое аномальное свойство воды — уменьшение объема при нагревании от 0 до 4⁰ С, вследствие чего ее максимальная плотность достигается не в точке замерзания (0⁰ С), а при 3,98⁰ С, также способствовало и способствует сохранению условий жизни гидробионтов, обуславливая подъем и опускание вод в водоемах.

Следующее свойство ~ высокая удельная теплоемкость воды. В зимнее время она медленно остывает, а летом — медленно нагревается, что делает воду естественным регулятором температуры на нашей планете.

Вода обладает также самым большим поверхностным натяжением, ' равным 75 эрг/см². Для сравнения можно отметить, что у глицерина поверхностное натяжение — 65 эрг/см², аммиака — 42 эрг/см², а у всех остальных жидкостей — менее 30 эрг/см². Именно это свойство воды и ее плотность определяют высоту поднятия воды в капиллярной системе при фильтрации в пористых породах дна, почве и т.д.

Другие аномальные свойства воды: при замерзании она расширяется, а не сжимается, как другие тела, и при этом плотность ее уменьшается. Далее, с увеличением давления у воды понижается температура замерзания, а не наоборот, как этого следовало ожидать. Эти свойства делают воду ~ простейшее из известных устойчивых соединений с кислородом — уникальной.

Аномальные свойства воды связаны, как известно, с особенностями строения ее молекул и со способностью образовывать ассоциированные молекулы (Н₂О) х n. В самом деле, вода с химической формулой Н₂О существует только в виде водяного пара при высоких температурах, а в жидком состоянии наряду с одиночными молекулами имеются ассоциированные агрегаты. Такая ассоциация молекул воды обусловлена их полярностью, в результате чего молекулы притягиваются разноименными полюсами, образуя удвоенные и/или утроенные частицы.

Известно, что в молекуле воды имеется 5 электронных пар: одна пара электронов образует замкнутую конфигурацию у ядра кислорода, две другие образуют ковалентную связь между кислородом и двумя атомами водорода, а еще две пары, оставаясь неразделенными, направлены в противоположную сторону.

Таким образом, в молекуле воды образуется четыре полюса зарядов в форме тетраэдра, из которых два отрицательных созданы избытком электронной плотности вблизи атома кислорода, и два положительных — недостатком электронной плотности в местах расположения атомов водорода. Отсюда и возникает дипольный момент, в результате которого молекулы воды объединяются в цепочки по две, три и т.д. Все же наибольшей устойчивостью обладают удвоенные молекулы воды.

Существуют два стабильных изотопа водорода — протий ¹Н и дейтерий ²Н, и три стабильных изотопа кислорода — О¹⁶, О¹⁷ и О¹⁸. Поэтому в природной воде возможно образование 9-ти изотопных разновидностей воды, хотя справедливости ради, следует подчеркнуть, что вода на 99,73% состоит из разновидности Н₂О¹⁶.

Изотопная разновидность воды, в которой протий замещен дейтерием, как известно, называется «тяжелой» водой, которая, в свою очередь, получается при длительном электролизе природной воды. Ее свойства заметно отличаются от обычной воды. Например, максимальной плотности она достигает при +11⁰ С. Тяжелая вода применяется в урановых котлах в качестве замедлителя ядерного распада. Кроме того, известно, что она тормозит развитие живых организмов.

Существует также и «сверхтяжелая» вода, содержащая тритий, которая образуется при ядерных распадах.