Вода: физические и химические свойства

Не обращали ли вы внимание на то, что все или почти все происходящее в мире вокруг нас, так или иначе связано с водой? Вода — это гидросфера Земли: ее океаны, реки, озера. Три процента всей массы воды на планете содержится в атмосфере. При извержениях из земных глубин вырываются водяные пары…

Вода есть не только на Земле. Недавно в нашей галактике обнаружили огромные скопления водяных паров — настоящие космические облака, размеры которых достигают сотен миллионов километров. Вода входит в состав комет. Следы ее найдены в атмосфере Марса и некоторых звезд…

Однако самое главное — это то, что вода связана с существованием жизни. Колыбелью жизни, ее первичных форм, по-видимому, был океан. Дальнейший ход биологической эволюции тесно связан с превращениями, идущими в водной среде. Удаление воды означает гибель либо прекращение процессов обмена. Высушенные семена растений могут сохраняться тысячелетиями, но в таком состоянии они не проявляют признаков жизни. Но стоит их смочить, и огонек жизни делается заметным — начинается прорастание, и жизненные процессы возобновляются.

Планеты, где, по всем данным, нет воды,— безжизненны. Если можно говорить о каких-то формах жизни на других космических телах, то лишь в том случае, если там будет обнаружена вода, именно вода, а не кислород, так как нам известны формы жизни, не требующие кислорода, но не известны ее «сухие» формы. Чем замечательна вода? Почему она играет такую важную роль во всем на нашей планете? (А еще вода обладает целительными свойствами для человеческого организма, такая к примеру минеральная вода, имеющая в своем составе некоторые полезные минералы).

Химические свойства воды

После, того, как Менделеев сформулировал свой периодический закон, стало невозможным порознь рассматривать свойства простых веществ. Таблица Менделеева связала различные вещества одной общей закономерностью. Эта закономерность проявляет себя во множестве частных связей. Например, свойства водородных соединений ряда металлоидных элементов, образующих вертикальные столбцы, в таблице Менделеева, изменяются с ростом массы атома. Можно четко проследить эти изменения: прочность соединений убывает, плотность увеличивается, повышается температура кипения и плавления и т. д.

Вода — это водородное соединение кислорода. Кислород — элемент шестой группы таблицы Менделеева. В той же группе (и подгруппе) находятся сера, селен, теллур. Если сравнить свойства их соединений с водородом (гидридов), то увидим, что температура кипения понижается при переходе от теллура к сере. Сероводород кипит уже при минус 60 градусах. Значит, соединение кислорода с водородом при нормальных условиях — при нуле градусов — должно быть газом. Вода — газ! Это и было бы нормой, но, к счастью для нас, вода почему-то отклоняется от правила.

Такая странность воды не единственна. Вода необычна и в других отношениях. У нее очень велика теплота испарения, теплоемкость, водяной пар при быстром расширении конденсируется, вместо того чтобы переходить в состояние ненасыщенного пара, плотность воды увеличивается при изменении температуры от 0° до +4°С, а затем снова падает; затвердевая, вода расширяется.

Перечень странностей воды не исчерпан, но для нас достаточно и этого. Подумаем о том, что значат для жизни удивительные ее свойства. Попробуем представить себе Землю и жизнь на ней при условии, что вода — вещество «нормальное».

Нет морей и океанов, нет рек и озер, все растения и животные обезвожены, а атмосфера насыщена газом Н₂0.

Предположим, что ненормально высокая теплоемкость воды тоже понизилась — например, в 20—30 раз. Тогда воды океанов и морей уже не смогут накапливать достаточное количество теплоты — они станут быстро нагреваться летом и сильно охлаждаться зимой. Резкие колебания температуры вызовут растрескивание горных пород, изменят рельеф земной поверхности. Но растрескивание пород — результат расширения воды при замерзании, это ведь тоже аномалия! Допустим, что нет и ее, — горным породам от этого, конечно, будет легче, но лед начнет образовываться на дне водоемов, и они станут промерзать полностью. Следствием окажется гибель и рыбы, и всей жизни в реках и озерах.

Невеселая получается картина, не правда ли? Но и это не все. Есть у воды еще одно удивительное качество: в ней резко ослабляется сила взаимодействия между электрическими зарядами. Например, если заряженные тела перенести из воздуха в воду, эта сила упадет в 80 раз!

А результат! Какие грандиозные последствия имеет такое, казалось бы, сугубо специальное обстоятельство.

Ослабляя взаимодействие электрических зарядов, вода поддерживает растворенные в ней соли, кислоты и основания в ионизированном состоянии. А быстро протекающие химические реакции чаще всего совершаются как раз между ионами.

Вот мы и добрались до самых глубин жизни; ведь ионы — это одна из главных сил в жизненных процессах. Ионы регулируют действие множества биологических катализаторов — ферментов, без которых немыслима жизнь; перемещение ионов через биологические мембраны обуславливает передачу нервного возбуждения; концентрация ионов в почве дает возможность нормального роста растений и т. д. Вывод: вода не могла бы стать средой для жизни, если бы она не вызывала образования ионов.

Жизнь зародилась в воде; вполне естественно, что вся химия жизни неразрывно связана с маленькими молекулами Н₂0; все формы, все типы реакций, направление развития и формирование функций живых систем так же, как и величественные картины неживой природы, несут на себе отпечаток свойств и деятельности молекул воды!

Молекула воды

Странности воды, сейчас изучены достаточно основательно. Главный секрет таится в конструкции молекулы воды. В этой молекуле атом кислорода двумя отдельными связями сцеплен с двумя атомами водорода. Связи мы можем изобразить в виде палочек, и можно представить себе много способов их взаимного расположения.

На самом же деле в молекуле воды реализован только один — палочки расположены в одной плоскости с углом между ними примерно в 105°. На скрещении палочек-связей находится атом кислорода, на противоположных концах палочек помещаются атомы водорода. Но палочки, хоть они и разведены друг от друга, все-таки направлены в одну сторону. И, значит, у молекулы воды одна сторона — кислородная, а другая — водородная. В этом все дело.

Но расскажем сначала о некоторых тонкостях в том, как возникает эта конструкция. Читатель, которого отпугивают сложности атомной физики, может пропустить следующую главу.

Электронные тонкости

Образуя молекулу воды, атомы кислорода и водорода схватываются, сцепляются своими электронными оболочками. У атома кислорода есть так называемые р-электроны — их четыре и распределение их плотности можно представить себе в виде фигур (объемных тел), напоминающих гантели. Кроме того, у кислорода есть еще два электрона, расположенных так, что распределение их заряда имеет сферическую симметрию (электроны э-типа).

Атомы водорода имеют электроны, плотность которых тоже распределена сферически. Для образования связи нужно, чтобы электронные облака атомов кислорода и водорода перекрылись, то есть их электроны стали общими, как на этом рисунке.

Перекрытие и происходит между гантелеобразными облаками р-электронов кислорода и сферическими облаками атомов водорода. На образование связи нужно два электрона — по одному, от каждого атома; эта пара электронов и образует общее зарядовое облако. После образования связей у кислорода остается два электрона р-типа и два э-типа, которые не были использованы. Какова роль этих неиспользованных электронов?

Две связи в молекуле воды, две палочки Н = 0 имеют на одном конце положительный, а на другом — кислородном конце — отрицательный заряд. Такая конструкция называется диполем. Если бы палочки-диполи были расположены на одной прямой — как продолжение друг друга с атомом кислорода посредине, они взаимно компенсировались бы, и общий дипольный момент молекулы был бы равен нулю.

Однако этого нет. Палочки-связи разведены на угол в 105°, и такая конструкция молекулы электрически активна. Два электрона в-типа влияют на величину угла между связями. Но дипольный момент молекулы воды очень велик и, чтобы создать его, одной изогнутости молекулы мало. В дело вступают два других неиспользованных для связей р-электрона атома кислорода. Вращаясь вокруг своего ядра, они на кислородном, «боку» молекулы создают дополнительный отрицательный заряд.

Физические свойства воды

Итак, природа «согнула» молекулу воды и сделала ее активным диполем. Диполи же, как известно, энергично притягиваются друг к другу. Но чем отличается жидкость от газа? Прежде всего, именно силой взаимодействия между молекулами. Чем сильнее сцепляются друг с другом диполи-молекулы, тем большую надо затратить работу, чтобы их разделить,— тем выше теплота испарения…

При испарении вода должна поглощать огромную энергию. При испарении! А значит, в обычных условиях она должна быть именно жидкостью: ведь дополнительная гигантская энергия в обычных условиях отсутствует.

А у молекул сероводорода — для сравнения — дипольный момент вдвое меньше, сила притяжения между ними слабее, и в обычных условиях сероводород — газ.

Но дело не только в величине дипольного момента. Молекулы воды соединяются друг с другом еще и так называемыми водородными связями. Что это такое? Ядра водорода в молекуле воды «тянутся» не только к «своему» кислороду, но и к электронам кислорода у соседей. Конечно, к своему «хозяину» — кислороду протон притягивается сильнее, чем к «чужаку». Поэтому водородные связи не строго симметричны.

У других гидридов они тоже есть. Но они слабы, так как расстояния между молекулами, например, сероводорода больше (связи длиннее), чем у воды. Большое число электронных оболочек не позволяет молекулам других гидридов сблизиться, а значит, не позволяет водородным связям проявить себя. А в молекулах воды электронных оболочек немного, и водородные связи очень энергичны в своей совокупности.

Молекулы воды крепко сцеплены друг с другом; так крепко, что в ней рождается огромное внутреннее давление: приблизительно 20 000 атмосфер. С такой силой слои молекул воды прижаты друг к другу; не удивительно, что это практически несжимаемая жидкость.

Вода: порядок или хаос? Структура воды.

Но если диполи так крепко сцепляются друг с другом, то как же выглядит структура воды, да и можно ли вообще говорить о ней? Расположены ли диполи в воде беспорядочно или в их пространственном размещении есть какая-то правильность? На первый взгляд, ответ очевиден. Ведь молекулы движутся и притом хаотически, о каком же регулярном расположении вообще идет речь? Однако данные, полученные с помощью рентгенографического анализа, говорят о другом: в воде есть явные признаки упорядоченной структуры.

Предположим, что все движения молекул воды на мгновение прекратились, и допустим, что мы в состоянии видеть каждую молекулу. Тогда, взглянув на воду, мы обнаружим в ней так называемый ближний порядок. В непосредственной близости от выбранной нами молекулы воды другие молекулы расположены по определенному закону.

Особенность жидкостей не в том, что в них нет упорядоченности, а в том, что этот порядок не выдерживается строго во времени и в пространстве. Если отодвинуться подальше от избранной молекулы, то мы попадем в область, где порядок уже нарушен. А если подождать некоторое время, то окажется, что и ближние молекулы обмениваются местами. В воде нет хаоса, но порядок вновь и вновь нарушается, а затем восстанавливается. Огромные силы внутреннего давления, сжимающие воду, ограничивают возможности быстрых перемещений — одна молекула «топчется» около другой, пока ей удастся покинуть свое место и сделать более или менее значительный скачок в сторону. Правда, продолжительность «топтания» велика лишь по молекулярным масштабам.

Значит, и у воды есть внутренняя структура. Самое же поразительное в ней то, что она очень похожа на структуру льда. Лед построен так. Каждая молекула воды в нем окружена четырьмя соседними.

Молекула льда.

В этой кристаллической решетке есть полости — пустоты. Такие же пустоты сохраняются и в структуре воды. Как мы увидим далее, они играют важную роль — это молекулярные «ловушки», куда попадают молекулы различных веществ, ионы, а иногда и молекулы самой воды. В кристалле льда такая структура распространяется на весь кристалл. В жидкой воде, охлажденной до температуры, близкой к нулю, тоже есть подобие правильного расположения молекул, но уже с некоторыми нарушениями порядка, или, как говорят, с «дефектами»: то одна молекула попадет в полость, то обнаружится недостача молекулы в окружении этой полости и т. д.

Значит, чем больше порядка в расположении молекул воды, тем больше «пустот» и меньше плотность. Когда же молекулы расположены беспорядочно, плотность увеличивается — ведь все большее число молекул попадает в «пустоты». Понятно, почему при плавлении льда наблюдается сжатие, а замерзание жидкой воды, наоборот, сопровождается расширением.

Сокращается объем воды и при нагревании ее от 0° до +4°: в этом температурном интервале молекулы воды интенсивнее всего внедряются в пустоты решетки, и плотность возрастает.

Чем выше температура воды, тем, конечно, меньше порядка в расположении молекул, и тем менее структура жидкой воды похожа на структуру льда. Но есть условия, в которых жидкая вода особенно похожа на лед, — условия, когда молекулы воды снова приобретают упорядоченное расположение. Как ни странно, но, по-видимому, этот эффект вполне четко выражен в биологических системах — около белковых молекул, на поверхности клеточных мембран и т. д.

Наше тело на 70 процентов состоит из воды; неужели мы на 70 процентов состоим изо льда? Не совсем так, но все-таки очень похоже на это…

Чисто физические исследования показали: тонкие слои воды, зажатые между двумя пластинками из слюды, проявляют свойства, характерные не для жидкой воды, а для льда! На поверхности различных твердых тел вода, по последним данным, тоже структурно упорядочена и имеет сходство со льдом.

Во-вторых. Активность молекул воды и их стремление «организоваться» находит своеобразное выражение во взаимодействиях между водой и различными веществами. Когда в воду попадает кристалл соли, молекулы воды немедленно притягиваются к ионам на поверхности кристалла. Энергия их взаимодействия так велика, что ионы покидают свои места в кристаллической решетке и уходят в водную среду, окруженные оболочками из молекул воды: соль начинает растворяться.

Водяная «шуба» состоит не из одного слоя, но чем дальше от иона, тем слабее связь, и ее границы довольно «пушисты» и расплывчаты — по-видимому, лишь 4—6 молекул воды вполне связаны с ионом.

Так же, как и вокруг ионов, молекулы воды могут ориентироваться, например, около молекулы метана — тогда возникает гидрат этого газа. Грозди молекул воды в гидрате получили название «айсбергов» — состояние воды в них напоминает строение кристаллов льда.

В трубопроводах газовых сетей не раз находили скопления снега и льда, причем они оставались твердыми и при температуре +20°. Это и были «айсберги», выросшие вокруг молекул метана.

Затравкой для таких соединений может быть не только метан: этан, этилен, хлор, двуокись серы и даже инертные газы (аргон, криптон) образуют подобные гидраты. Загадка «айсбергов» разъясняется неожиданно просто. Молекулы газов попадают в пустоты между молекулами воды. Застряв в них, они упорядочивают окружающие молекулы воды. Предполагают, что в гидратах молекулы воды расположены по углам пятиугольников, а из пятиугольников строятся сложные многогранники — пространство внутри них заполнено газом. Если газ удалить, устойчивость всего каркаса уменьшается, и он начинает разрушаться и перестраиваться. Некоторые исследователи считают, что точно так же, окружая углеводородные группы, входящие в состав белков, вода стабилизует молекулы белка. А это означает, что формы, в которых белковые молекулы находятся и действуют в организмах, в значительной степени связаны с влиянием воды.

Вода в тканях животных и растений не представляет собой хаоса; молекулы ее расположены относительно упорядоченно, и действительно можно сказать, что у воды в нашем организме есть определенное сходство со льдом.

Активность и холод

Оледенение, замерзание, застывание — слова, с которыми у нас прочно связано представление о понижении активности; жизнь замирает при понижении температуры, скорость химических реакций как будто тоже уменьшается. Но дело не так просто. Вода и лед и здесь обнаруживают своеобразие.

Вода, как известно из школьного курса химии, плохой электролит. Лишь небольшая доля ее молекул диссоциирует на ионы Н+ и ОН-. Лед диссоциирован еще менее, и, если литр воды замерзнет, в нем останется только тысячная доля от того количества ионов, которое было в жидкой воде.

Но поразительно: резкое уменьшение концентрации ионов очень слабо отражается на электропроводности. У льда она всего в три раза меньше, чем у воды, — в три, а не в тысячу! Между тем электрические заряды переносятся именно ионами Н+ и ОН-, и следовало бы ожидать, что уменьшение их числа скажется на способности проводить ток.

Однако электропроводность зависит не только от числа ионов, но и от их подвижности. В кристаллической решетке льда ионы становятся «стремительными» — и эта стремительность возмещает резкое падение их числа.

Впрочем, «стремительность» — это грубо метафорическое выражение. Дело не только в том, что ионы ускоряют свой бег — дело в том, что во льду возникает особый механизм, который организует движение ионов. Механизм этот называют цепным, или эстафетным. Вот как он действует. Ион водорода приближается к молекуле воды, возникает водородная связь. Затем эта связь переходит в обычную химическую, а другой ион водорода, ранее принадлежавший молекуле, отщепляется. Он присоединяется к следующей молекуле, от которой так же одновременно отделится новый ион водорода, и, двигаясь по цепи, процесс будет продолжаться.

Быстрота, с которой он совершится, зависит не от индивидуальной скорости ионов, а от быстроты обмена ими между молекулами воды. В кристалле льда царит внутренний порядок, и обмен идет легко. А в жидкой воде, то и дело, натыкаясь на зоны нарушений или на пустоты, ионы будут терять скорость своего бега вдоль по цепочке молекул. Итак, во льду на самом деле, оказывается, «двигаться» легче, чем в воде, поэтому лед и ускоряет многие реакции. Лед — настоящий катализатор!

Но ведь похожие на лед «айсберги» есть и в организмах, и в них, значит, тоже легче протекают различные реакции. Перенос ионов играет важную роль в действии ферментов и в работе белковых мембран различного типа — и в оболочке клетки, и в оболочке ее ядра, и в митохондриях (энергетических станциях клетки), и в рибосомах, где строятся новые молекулы белков, словом, повсюду. Поэтому вода не просто среда, это, по Сьент- Дьерди, — неотъемлемая часть живой машины.

Мы подошли к концу рассказа… Каков итог? Что же, вода и впрямь какое-то «ненормальное» вещество, на «ненормальных» свойствах которого (как физических, так и химических) держится привычная картина природы?

Нет, конечно. «Необычность» воды более чем обычна, она естественна. Она — свидетельство того, что при переходе от одного атома к другому в подгруппе периодической системы происходят изменения. Накапливаясь, эти изменения становятся все более ощутимыми, и вдруг резкий скачок.

Вернемся снова к диполям воды. Их тесно сцепляют друг с другом мощная электрическая активность и действие водородной связи.

У других элементов шестой группы очень велико экранирующее действие электронных облаков — водородная связь не может «пробиться» сквозь них. У теллура, и у селена, серы слишком много свободных, незанятых электронов. Окутанные ими, тяжелые молекулы гидридов слабо связаны друг с другом. И все они при нормальных условиях — газы.

Однако при движении от одного элемента группы к другому электронов в атомах становится все меньше, и у кислорода их уже так мало, что водородная связь начинает пробиваться, активно проявляя себя.

Так, порой медленно и постепенно, рассеиваются тучи, пока не разорвется серый пласт. И тут же блеснет луч солнца. И неожиданный скачок — из пасмурной погода стала ясной, все засияло другими красками.

Электронное «небо» при переходе к кислороду на самом деле проясняется, и в мире гидридов неожиданно наступает другая погода. Во всем блеске своих необычных свойств на сцене мира появляется Вода.

Автор: Л. Николаев.