Дивовижна вода - Унікальні властивості води
Вода - найдивовижніша і найзагадковіша речовина на Землі. Вона відіграє найважливішу роль у всіх життєвих процесах та явищ, що відбуваються на нашій планеті та за її межами. Саме тому, давні філософи розглядали воду як найважливішу складову матерії.
Сучасна наука утвердила роль води як універсального, планетарного компонента, що визначає структуру та властивості незліченної множини об'єктів живої та неживої природи.
Розвиток молекулярних і структурно-химических уявлень дозволило пояснити виняткову здатність молекул води утворювати зв'язки України із молекулами багатьох речовин.
Почала прояснюватися також роль пов'язаної води у формуванні найважливіших фізичних властивостей гідратованих органічних та неорганічних речовин. Великий і зростаючий науковий інтерес приваблює проблема біологічної ролі води.
Заселена живими організмами зовнішня оболонка нашої планети – біосфера є вмістилищем життя Землі. Її першоосновою, її незамінним компонентом є вода. Вода - це і будівельний матеріал, який використовується для створення всього живого, і середовище, в якому протікають всі життєві процеси, і розчинник, що виносить з організму шкідливі для нього речовини, і унікальний транспорт, що забезпечує біологічні структури всім необхідним для нормального перебігу в них найскладніших фізико-хімічних процесів. І цей всеосяжний вплив води на будь-яку живу структуру може бути не тільки позитивним, а й негативним. Залежно від свого стану вода може бути як творцем квітучого життя, так і її руйнівником - все залежить від її хімічного та ізотопного складу, структурних, біоенергетичних властивостей. Аномальні властивості води були відкритівченими внаслідок тривалих та трудомістких досліджень. Ці якості настільки звичні і природні в повсякденному нашому житті, що проста людина навіть не підозрює про їхнє існування. Водночас вода - вічна супутниця життя на Землі справді оригінальна і неповторна.
Аномальні властивості води свідчать про те, що молекули Н2О у воді досить міцно пов'язані між собою і утворюють характерну молекулярну конструкцію, яка чинить опір будь-яким руйнівним впливам, наприклад, тепловим, механічним, електричним. З цієї причини, наприклад, необхідно витратити багато тепла, щоб перетворити воду на пару. Ця особливість пояснює порівняно високу питому теплоту випаровування води. Стає зрозуміло, що структура води, характерні зв'язки між молекулами води, лежать в основі особливих властивостей води. Американські вчені У. Латімер і У. Родебуш запропонували 1920 р. ці особливі зв'язку називати водневими і з цього часу уявлення про цей тип зв'язку між молекулами назавжди увійшло теорію хімічного зв'язку. Не вдаючись до подробиць, відзначимо лише, що походження водневого зв'язку зумовлено квантово-механічними особливостями взаємодії протона з атомами.
Однак наявність водневого зв'язку у води - це лише необхідна, але не достатня умова для пояснення незвичайних властивостей води. Найважливішою обставиною, яка пояснює основні властивості води, є структура рідкої води як цілісної системи.
Ще 1916 р. було розроблено принципово нові ставлення до будову рідини. Вперше з допомогою рентгеноструктурного аналізу показано, що у рідинах спостерігається певна регулярність розташування молекул чи інакше - спостерігається ближній порядок розташування молекул. Перші ренгоноструктурнідослідження води провели нідерландські вчені у 1922 році В. Кеєз та Дж. де Смедт. Ними було показано, що з рідкої води характерна впорядковане розміщення молекул води, тобто. вода має певну регулярну структуру.
Справді, структура води у живому організмі багато в чому нагадує структуру кристалічних ґрат льоду. І саме цим пояснюються зараз унікальні властивості талої води, яка тривалий час зберігає структуру льоду. Тала вода набагато легша за звичайну вступає в реакцію з різними речовинами, і організму не треба витрачати додаткову енергію на перебудову її структури.
Кожна молекула води в кристалічній структурі льоду бере участь у 4 водневих зв'язках, спрямованих до вершин тетраедра. У центрі цього тетраедра знаходиться атом кисню, у двох вершинах - по атому водню, електрони яких задіяні у освіті ковалентного зв'язку з киснем. Дві вершини, що залишилися, займають пари валентних електронів кисню, які не беруть участь в утворенні внутрішньомолекулярних зв'язків. При взаємодії протона однієї молекули з парою неподілених електронів кисню іншої молекули виникає водневий зв'язок, менш сильний, ніж внутрішньомолекулярний зв'язок, але досить могутній, щоб утримувати поруч сусідні молекули води. Кожна молекула може одночасно утворювати чотири водневі зв'язки з іншими молекулами під строго певними кутами, рівними 109°28', спрямованих до вершин тетраедра, які не дозволяють при замерзанні створювати щільну структуру (при цьому в структурах льоду I, Ic, VII і VIII цей тетраедр правильний).
Відомо, що біологічні тканини на 70-90% складаються із води. Це дозволяє припускати, що багато фізіологічних явищ можуть відображати молекулярні особливості не тільки розчиненої речовини,але однаково і розчинника - води
Першу теорію про структуру води висунули англійські дослідники Дж. Бернал та Фаулер. Вони створили концепцію про тетраедричну структуру води.
У своїй науковій інтуїції Дж. Бернал і Р. Фаулер спиралися на великий матеріал накопичених експериментальних і теоретичних даних у галузі вивчення будови молекули води, структури льоду, будови простих рідин, дані ренгеноструктурного аналізу води і водних розчинів. Насамперед вони визначили роль водневих зв'язків у воді. Було відомо, що у воді є ковалентні та водневі зв'язки. Ковалентні зв'язки не рвуться при фазових переходах води: вода-пар-лід. Лише електроліз, нагрівання води на залізі тощо. розриває ковалентні зв'язки води. Водневі зв'язки в 24 рази слабші за ковалентні. При таненні льоду, снігу, водневі зв'язки у воді, що утворюється, частково зберігаються, в парі води вони всі розірвані.
Спроби подати воду як асоційовану рідину з щільною упаковкою молекул води, подібно до кульок будь-якої ємності, не відповідали елементарним фактичним даним. У цьому випадку питома щільність води мала б бути не 1 г/см3, а більше 1,8 г/см3.
Другий важливий доказ на користь особливої структури молекули води полягала в тому, що на відміну від інших рідин вода - це було вже відомо - має сильний електричний момент, що становить її дипольну структуру. Тому не можна було уявити наявність дуже сильного електричного моменту молекули води в симетричній конструкції двох атомів водню щодо атома кисню, розташувавши всі атоми, що входять до неї, по прямій лінії, тобто. Н-О-Н.
Експериментальні дані, а також математичні розрахунки остаточно переконали англійських учених у тому, що молекула води"однобока" і має "кутову" конструкцію, а обидва атоми водню повинні бути зміщені в один бік щодо атома кисню на кут 104,50:
Саме тому модель води Бернала-Фаулера – триструктурна, з наявністю кількох роздільних типів структур. Згідно з цією моделлю, структура води визначається структурою її окремих молекул.
Надалі була розвинена ідея вважати рідку воду псевдокристалом, згідно з якою вода в рідкому стані являє собою суміш трьох компонентів з різними структурами (структура льоду, кристалічного кварцу і щільно упакована структура звичайної води).