Вода - характеристики та можливості
Вода – дивовижна речовина. Ми і жити без нього не можемо і ховаємося від води, купуючи парасольки http://giftmart.com.ua/zonty/. Скільки таємниць ще зберігає вода, не знають навіть і вчені. Багато років фізико-хіміки вивчали воду переважно як розчинник електролітів. Вони отримали багато відомостей про електроліти, але дуже мало про саму воду. Як не дивно, в останні роки ми значно більше дізналися про воду, вивчаючи її ставлення до речовин, які в ній практично нерозчинні. У природі є чимало разючих явищ. Одне з них полягає в тому, що змочене зерно при температурі 4-5 градусів іноді подає ознаки замерзання. В іншому випадку труба, якою йшов природний газ при 19 градусах тепла, виявилася забитою мокрим снігом з водою. Зрозуміло, що справа тут не в температурі, а в якихось особливостях води. Постала ціла низка цікавих питань: чому вода замерзла за такої високої температури? Як вода могла з'єднатися або зв'язатися з речовинами, які в ній нерозчинні? Ця таємниця ще не була розкрита, коли виявилося, що навіть такі шляхетні гази, як аргон і ксенон, які не вступають у жодні хімічні реакції, можуть зв'язуватися з водою, утворюючи якусь подібність сполук. Десять років тому в Іллінойсі ми почали вивчати розчинність у воді деяких вуглеводнів, зокрема метану. Його молекули не утворюють іонів у воді і не сприймають водневих зв'я-,зен;. тяжіння між ними та молекулами води дуже слабке. Проте виявилося, що метан все ж таки, хоча й дуже погано, розчиняється у воді і його дисоціновані молекули утворюють з нею сполуки — гідрати, в яких кілька молекул води приєднано до однієї молекули метану. При цій реакції вивільняється вдесятеро більше тепла, ніж при розчиненні метану в гексані (метан розчиняється вгексані набагато краще, ніж у воді).
При близькому розгляді цей факт виявляється ще дивовижнішим. Адже за обсягом молекула метану вдвічі більша за молекулу води. Щоб метан розчинився у воді, між її молекулами повинні утворитися чималі «дірки». Для цього ж потрібна значна витрата енергії, більша, ніж для випаровування води,— приблизно 10 тисяч калорій на кожен моль. Звідки ж може виникнути стільки енергії? Сили тяжіння між молекулами метану і води занадто слабкі, вони можуть дати скільки-небудь значної частини цієї кількості энергии. По є інша можливість: сама структура води змінюється у присутності метану. Припустимо, що молекула розчиненого метану оточена оболонкою із 10—20 молекул води. При утворенні такого роду асоціації молекул виділяється теплота. У просторі, зайнятому молекулою метану, зникають сили взаємного тяжіння між молекулами води, отже, і внутрішній тиск. У таких умовах, як ми бачили, вода: замерзає при температурі вище за нуль. Ось чому молекули, що знаходяться в проміжку між метаном і водою, можуть кристалізуватися у вигляді льоду. Заморожені гідрати можуть поглинатися розчином і виділятися з нього. Ця гіпотеза відома як теорія айсбергів. На її користь свідчить той факт, що практично всі непровідні речовини, які випробувалися, утворюють стійкі кристалічні гідрати. Навпаки, у електролітів така тенденція виражена дуже слабко. Все це веде до зовсім нового розуміння розчинності. Хімікі довгий час вважали, що розчинення відбувається завдяки дії сил тяжіння. Тепер виявляється, що розчинення неелектролітів відбувається не завдяки тяжінню між цією речовиною і водою, а завдяки. нестачі тяжіння. Речовини, нерозпадаються на іони, з'єднуються з водою, тому що вони усувають внутрішній тиск і тим самим сприяють появі кристалічних утворень. Щоб зрозуміти освіту таких гідратів, треба в деталях розглянути їх молекулярну структуру. Фон Штакельбсргом у Німеччині 10 років тому. Він показав, що гідрати мають кубічну структуру на відміну гексагональної структури льоду. В. Ф. Клауссен із нашої лабораторії нещодавно з'ясував питання про те, як будуються такі кубічні структури. Виявилося, що можливі дві кубічні «грати». В одній з них, відкритій Лайнусом Полінгом з Каліфорнійського технологічного інституту, проміжки між молекулами дорівнюють 12 ангстремам, в іншій-17 ангстремам. У менших ґратах -16 молекул води, у більшій-136. «Дірки» для молекул газу в менших ґратах мають 12—14 граней, а більшої —12—16, причому вони різняться за своїми розмірами і заповнюються молекулами різної величини, причому можуть бути заповнені в повному обсязі «дірки». Така модель з великим ступенем точності пояснює дійсну будову гідратів. Роль такого типу гідратів у життєвих процесах важко переоцінити. Ці процеси відбуваються переважно у проміжках між молекулами води та протеїну. Вода при цьому має сильну тенденцію до кристалізації, тому що в протеїновій молекулі міститься багато неіонних чи неполярних груп. Всякий гідрат утворюється при меншій щільності, ніж лід, тому його утворення може вести до значного руйнівного розширення. Тепер зрозуміло, чому замерзає зерно при температурі в 4 градуси. Навпаки, озима пшениця утворює гідрати повільно, у міру опускання температури. У таких умовах гідрат грає роль антиобледенителя, захищаючи клітини від ушкодження.холодильної промисловості застосовують швидке заморожування у тому, щоб уникнути утворення великих кристалів, які можуть пошкодити живі клітини. Але добре випробувати протилежний метод: дуже повільне охолодження харчових продуктів. При цьому можуть утворитися гідрати, які захистять клітини від руйнування крижаними кристалами. Отже, вода — це своєрідна і складна речовина з певними та різноманітними хімічними властивостями. Вона має струнку і водночас змінну фізичну структуру. Розвиток всієї живої та значної частини неживої природи нерозривно пов'язане з характерними рисами води. Ось чому це вивчення може сказати нам багато важливого про світ, у якому ми живемо.