Вода: фізичні та хімічні властивості

Чи не звертали ви увагу на те, що все або майже все, що відбувається в світі навколо нас, так чи інакше пов’язане з водою? Вода – це гідросфера Землі: її океани, річки, озера. Три відсотки всієї маси води на планеті міститься в атмосфері. При виверженнях із земних глибин вириваються водяні пари…

Вода є не тільки на Землі. Нещодавно в нашій галактиці виявили величезні скупчення водяної пари — справжні космічні хмари, розміри яких сягають сотень мільйонів кілометрів. Вода входить до складу комет. Сліди її знайдені в атмосфері Марсом і деяких зірок…

Однак найголовніше — це те, що вода пов’язана з існуванням життя. Колискою життя, її первинних форм, мабуть, був океан. Подальший хід біологічної еволюції тісно пов’язаний з перетвореннями, що йдуть у водному середовищі. Видалення води означає загибель або припинення процесів обміну. Висушені насіння рослин можуть зберігатися тисячоліттями, але в такому стані вони не виявляють ознак життя. Але варто їх змочити, і вогник життя робиться помітним — починається проростання, і життєві процеси поновлюються.

Планети, де, за всіма даними, немає води, — мертві. Якщо можна говорити про якісь форми життя на інших космічних тілах, то лише в тому випадку, якщо там буде виявлена вода, саме вода, а не кисень, так як нам відомі форми життя, що не потребують кисню, але не відомі його «сухі» форми. Чим чудова вода? Чому вона відіграє таку важливу роль у всьому на нашій планеті?

Хімічні властивості води

Після того, як Менделєєв сформулював свій періодичний закон, стало неможливим порізно розглядати властивості простих речовин. Таблиця Менделєєва зв’язала різні речовини однією загальною закономірністю. Ця закономірність проявляє себе в безлічі приватних зв’язків. Наприклад, властивості водневих сполук ряду металоїдних елементів, що утворюють вертикальні стовпці, в таблиці Менделєєва, змінюються з ростом маси атома. Можна чітко простежити ці зміни: міцність з’єднань убуває, щільність збільшується, підвищується температура кипіння і плавлення і т. д.

Вода — це водневе з’єднання кисню. Кисень – елемент шостої групи таблиці Менделєєва. У тій же групі (і підгрупі) знаходяться сірка, селен, телур. Якщо порівняти властивості їх сполук з воднем (гідридів), то побачимо, що температура кипіння знижується при переході від телуру до сірки. Сірководень кипить вже при мінус 60 градусах. Значить, з’єднання кисню з воднем при нормальних умовах — при нулі градусів — має бути газом. Вода — газ! Це і було б нормою, але, на щастя для нас, вода чомусь відхиляється від правила.

Така дивина води не єдина. Вода незвичайна і в інших відносинах. У неї дуже велика теплота випаровування, теплоємність, водяна пара при швидкому розширенні конденсується, замість того щоб переходити у стан ненасиченої пари, щільність води збільшується при зміні температури від 0° до +4°С, а потім знову падає; тверднучи, вода розширюється.

Перелік дивацтв води не вичерпаний, але для нас достатньо і цього. Подумаємо про те, що означають для життя дивовижні її властивості. Спробуємо уявити собі Землю і
життя на ній за умови, що вода — речовина «нормальна».

Немає морів і океанів, немає річок і озер, всі рослини і тварини зневоднені, а атмосфера насичена газом Н₂0.

Припустимо, що ненормально висока теплоємність води теж знизилася, наприклад, в 20-30 разів. Тоді води океанів і морів вже не зможуть накопичувати достатню кількість теплоти — вони стануть швидко нагріватися літом і сильно охолоджуються взимку. Різкі коливання температури викличуть розтріскування гірських порід, змінять рельєф земної поверхні. Але розтріскування порід – результат розширення води при замерзанні, це ж теж аномалія! Припустимо, що немає і її, — гірським породам від цього, звичайно, буде легше, але лід почне утворюватися на дні водойм, і вони стануть промерзати повністю. Наслідком виявиться загибель і риби, і всього життя в річках і озерах.

Невесела виходить картина, чи не правда? Але і це не все. Є у води ще одна дивовижна якість: в ній різко послаблюється сила взаємодії між електричними зарядами. Наприклад, якщо заряджені тіла перенести з повітря у воду, ця сила впаде у 80 разів!

А результат! Які грандіозні наслідки має така, здавалося б, суто спеціальна обставина.

Послаблюючи взаємодію електричних зарядів, вода підтримує розчинені в ній солі, кислоти і основи в іонізованому стані. А швидко протікаючі хімічні реакції найчастіше відбуваються якраз між іонами.

Ось ми і дісталися до самих глибин життя; адже іони – це одна з головних сил в життєвих процесах. Іони регулюють дію безлічі біологічних каталізаторів — ферментів, без яких немислиме життя; переміщення іонів через біологічні мембрани зумовлює передачу нервового збудження; концентрація іонів у ґрунті дає можливість нормального росту рослин і т. д. Висновок: вода не могла б стати середовищем для життя, якби вона не викликала утворення іонів.

Життя зародилося у воді; цілком природно, що вся хімія життя нерозривно пов’язана з маленькими молекулами Н₂0; всі форми, всі типи реакцій, напрямок розвитку і формування функцій живих систем так само, як і величні картини неживої природи, несуть на собі відбиток властивостей і діяльності молекул води!

Молекула води

Дивацтва води, зараз вивчені досить грунтовно. Головний секрет таїться в конструкції молекули води. У цій молекулі атом кисню двома окремими зв’язками зчеплений з двома атомами водню. Зв’язки ми можемо зобразити у вигляді паличок, і можна уявити собі багато способів їх взаємного розташування.

Насправді ж у молекулі води реалізований тільки один — палички розташовані в одній площині з кутом між ними приблизно в 105°. На схрещенні паличок-зв’язків знаходиться атом кисню, на протилежних кінцях паличок містяться атоми водню. Але палички, хоч вони і розведені одна від одної, все-таки спрямовані в одну сторону. І, значить, у молекули води одна сторона — киснева, а інша — воднева. У цьому вся справа.

Але розповімо спочатку про деякі тонкощі в тому, як виникає ця конструкція. Читач, якого відлякують складності атомної фізики, може пропустити наступну главу.

Електронні тонкощі

Утворюючи молекулу води, атоми кисню і водню схоплюються, зчіплюються своїми електронними оболонками. У атома кисню є так звані р-електрони — їх чотири і розподіл їх щільності можна уявити собі у вигляді фігур (об’ємних тіл), що нагадують гантелі. Крім того, у кисню є ще два електрона, розташованих так, що розподіл їх заряду має сферичну симетрію (електрони е-типу).

Атоми водню мають електрони, щільність яких теж розподілена сферично. Для утворення зв’язку треба, щоб електронні хмари атомів кисню і водню перекрилися, тобто їх електрони стали спільними, як на цьому малюнку.

Перекриття і відбувається між гантелеподібними хмарами р-електронів кисню і сферичними хмарами атомів водню. На утворення зв’язку потрібно два електрони – по одному, від кожного атома; ця пара електронів і утворює загальну зарядову хмару. Після утворення зв’язків у кисню залишається два електрони р-типу і два Е-типу, які не були використані. Яка роль цих невикористаних електронів?

Два зв’язки в молекулі води, дві палички Н=0 мають на одному кінці позитивний, а на іншому — кисневому кінці — негативний заряд. Така конструкція називається диполем. Якби палички-диполі були розташовані на одній прямій — як продовження одна одної з атомом кисню посередині, вони взаємно компенсувалися б, і загальний дипольний момент молекули був би рівний нулю.

Однак цього немає. Палички-зв’язки розведені на кут в 105°, і така конструкція молекули електрично активна. Два електрона в-типу впливають на величину кута між зв’язками. Але дипольний момент молекули води дуже великий і, щоб створити його, однієї зігнутості молекули мало. В справу вступають два інших невикористаних для зв’язків р-електрона атома кисню. Обертаючись навколо свого ядра, вони на кисневому, «боці» молекули створюють додатковий негативний заряд.

Фізичні властивості води

Отже, природа «зігнула» молекулу води і зробила її активним диполем. Диполі ж, як відомо, енергійно притягуються один до одного. Але чим відрізняється рідина від газу? Перш за все, саме силою взаємодії між молекулами. Чим сильніше зчіплюються один з одним диполі-молекули, тим більшу треба затратити роботу, щоб їх розділити,— тим вища теплота випаровування…

При випаровуванні вода повинна поглинати величезну енергію. При випаровуванні! А значить, в звичайних умовах вона повинна бути саме рідиною: адже додаткова гігантська енергія в звичайних умовах відсутня.

А у молекул сірководню — для порівняння — дипольний момент вдвічі менше, сила тяжіння між ними слабкіше, і в звичайних умовах сірководень — газ.

Але справа не тільки у величині дипольного моменту. Молекули води з’єднуються одна з одною ще й так званими водневими зв’язками. Що це таке? Ядра водню в молекулі води “тягнуться” не тільки до “свого” кисню, але і до електронів кисню у сусідів. Звичайно, до свого «господаря» – кисню протон притягується сильніше, ніж до «чужинця». Тому водневі зв’язки не строго симетричні.

У інших гідридів вони теж є. Але вони слабкі, так як відстані між молекулами, наприклад, сірководню більші (зв’язки довше), ніж у води. Велике число електронних оболонок не дозволяє молекулам інших гідридів зблизитися, а значить, не дозволяє водневим зв’язкам проявити себе. А в молекулах води електронних оболонок небагато, і водневі зв’язки дуже енергійні в своїй сукупності.

Молекули води міцно зчеплені одна з одною; так міцно, що в ній народжується величезний внутрішній тиск: приблизно 20 000 атмосфер. З такою силою шари молекул води притиснуті одна до одної; не дивно, що це практично нестислива рідина.

Вода: порядок або хаос? Структура води.

Але якщо диполі так міцно зчіплюються один з одним, то як же виглядає структура води, та й чи можна взагалі говорити про неї? Чи розташовані диполі у воді безладно або в їх просторовому розміщенні є якась правильність? На перший погляд, відповідь очевидна. Адже молекули рухаються і притому хаотично, про яке ж регулярне розташування взагалі йде мова? Однак дані, отримані за допомогою рентгенографічного аналізу, говорять про інше: у воді є явні ознаки впорядкованої структури.

Припустимо, що всі рухи молекул води на мить припинилися, і припустимо, що ми в стані бачити кожну молекулу. Тоді, глянувши на воду, ми виявимо в ній так званий ближній порядок. У безпосередній близькості від обраної нами молекули води інші молекули розташовані за певним законом.

Особливість рідин не в тому, що в них немає впорядкованості, а в тому, що цей порядок не строго витримується в часі і в просторі. Якщо відсунутися подалі від обраної молекули, то ми потрапимо в область, де порядок вже порушений. А якщо почекати деякий час, то виявиться, що і ближні молекули обмінюються місцями. У воді немає хаосу, але порядок знову і знову порушується, а потім відновлюється. Величезні сили внутрішнього тиску, стискаючи воду, обмежують можливості швидких переміщень — одна молекула «топчеться» близько іншої, поки їй вдасться покинути своє місце і зробити більш або менш значний стрибок в сторону. Правда, тривалість “топтання” велика лише за молекулярними масштабами.

Значить, і у води є внутрішня структура. Саме ж вражаюче в ній те, що вона дуже схожа на структуру льоду. Лід побудований так. Кожна молекула води в ньому оточена чотирма сусідніми.

Молекула льоду.

У цій кристалічній решітці є порожнини — порожнечі. Такі ж порожнечі зберігаються і в структурі води. Як ми побачимо далі, вони грають важливу роль — це молекулярні «пастки», куди потрапляють молекули різних речовин, іони, а іноді і молекули самої води. В кристалі льоду така структура поширюється на весь кристал. В рідкій воді, охолодженій до температури, близької до нуля, теж є подібність правильного розташування молекул, але вже з деякими порушеннями порядку, або, як кажуть, з «дефектами»: то одна молекула потрапить в порожнину, то виявиться недостача молекули в оточенні цієї порожнини і т. д.

Значить, чим більше порядку в розташуванні молекул води, тим більше “пустот” і менше щільність. Коли ж молекули розташовані безладно, щільність збільшується — адже все більше число молекул потрапляє в «порожнечі». Зрозуміло, чому при плавленні льоду спостерігається стиснення, а замерзання рідкої води, навпаки, супроводжується розширенням.

Скорочується обсяг води і при нагріванні її від 0° до + 4°: в цьому температурному інтервалі молекули води найінтенсивніше впроваджуються в порожнечі решітки, і щільність зростає.

Чим вище температура води, тим, звичайно, менше порядку в розташуванні молекул, і тим менш структура рідкої води схожа на структуру льоду. Але є умови, в яких рідка вода дуже схожа на лід, — умови, коли молекули води знову набувають впорядковане розташування. Як не дивно, але, мабуть, цей ефект цілком чітко виражений в біологічних системах — близько білкових молекул, на поверхні клітинних мембран і т. д.

Наше тіло на 70 відсотків складається з води; невже ми на 70 відсотків складаємося з льоду? Не зовсім так, але все-таки дуже схоже на це…

Чисто фізичні дослідження показали: тонкі шари води, затиснуті між двома пластинками із слюди, виявляють властивості, характерні не для рідкої води, а для льоду! На поверхні різних твердих тіл вода, за останніми даними, теж структурно впорядкована і має схожість з льодом.

По-друге. Активність молекул води і їх прагнення «організуватися» знаходить своєрідне вираження у взаємодіях між водою і різними речовинами. Коли у воду потрапляє кристал солі, молекули води негайно притягуються до іонів на поверхні кристала. Енергія їх взаємодії така велика, що іони покидають свої місця в кристалічній решітці і йдуть у водне середовище, оточені оболонками з молекул води: сіль починає розчинятися.

Водяна «шуба» складається не з одного шару, але чим далі від іона, тим слабший зв’язок, і її межі досить «пухнасті» і розпливчасті — мабуть, лише 4-6 молекул води цілком пов’язані з іоном.

Так само, як і навколо іонів, молекули води можуть орієнтуватися, наприклад, близько молекули метану — тоді виникає гідрат цього газу. Грона молекул води в гідраті отримали назву «айсбергів» — стан води в них нагадує будову кристалів льоду.

В трубопроводах газових мереж не раз знаходили скупчення снігу і льоду, причому вони залишалися твердими і при температурі +20°. Це і були «айсберги», що виросли навколо молекул метану.

Затравкою для таких з’єднань може бути не тільки метан: етан, етилен, хлор, двоокис сірки і навіть інертні гази (аргон, криптон) утворюють подібні гідрати. Загадка «айсбергів» роз’яснюється несподівано просто. Молекули газів потрапляють в порожнечі між молекулами води. Застрягши в них, вони впорядковують навколишні молекули води. Припускають, що в гідратах молекули води розташовані по кутах п’ятикутників, а з п’ятикутників будуються складні багатогранники – простір всередині них заповнений газом. Якщо газ видалити, стійкість всього каркаса зменшується, і він починає руйнуватися і перебудовуватися. Деякі дослідники вважають, що точно так само, оточуючи вуглеводневі групи, що входять до складу білків, вода стабілізує молекули білка. А це означає, що форми, в яких білкові молекули знаходяться і діють в організмах, в значній мірі пов’язані з впливом води.

Вода в тканинах тварин і рослин не являє собою хаосу; її молекули розташовані відносно впорядковано, і справді можна сказати, що у води в нашому організмі є певна схожість з льодом.

Активність і холод

Заледеніння, замерзання, застигання — слова, з якими у нас міцно пов’язано уявлення про зниження активності; життя завмирає при зниженні температури швидкість хімічних реакцій ніби теж зменшується. Але справа не така проста. Вода і лід і тут виявляють своєрідність.

Вода, як відомо зі шкільного курсу хімії, поганий електроліт. Лише невелика частка її молекул дисоціює на іони Н+ і ОН-. Лід дисоційований ще менш, і, якщо літр води замерзне, в ньому залишиться тільки тисячна частка від тієї кількості іонів, яка була в рідкій воді.

Але разюче: різке зменшення концентрації іонів дуже слабо відбивається на електропровідності. У льоду вона всього в три рази менше, ніж у води, – в три, а не в тисячу! Між тим електричні заряди переносяться саме іонами Н+ і ОН-, і слід було б очікувати, що зменшення їх числа позначиться на здатності проводити струм.

Однак електропровідність залежить не тільки від числа іонів, але і від їх рухливості. У кристалічній решітці льоду іони стають «стрімкими» — і ця стрімкість відшкодовує різке падіння їх числа.

Втім “стрімкість” – це грубо метафоричний вираз. Справа не тільки в тому, що іони прискорюють свій біг — справа в тому, що в льоду виникає особливий механізм, який організує рух іонів. Механізм цей називають ланцюговим, або естафетним. Ось як він діє. Іон водню наближається до молекули води, виникає водневий зв’язок. Потім цей зв’язок переходить в звичайний хімічний, а інший іон водню, що раніше належав молекулі, відщеплюється. Він приєднується до наступної молекули, від якої так само одночасно відокремиться новий іон водню, і, рухаючись по ланцюгу, процес буде тривати.

Швидкість, з якою він відбудеться, залежить не від індивідуальної швидкості іонів, а від швидкості обміну ними між молекулами води. В кристалі льоду панує внутрішній порядок, і обмін йде легко. А в рідкій воді, раз у раз, натикаючись на зони порушень або на порожнечі, іони будуть втрачати швидкість свого бігу уздовж по ланцюжку молекул. Отже, в льоду насправді, виявляється, “рухатися” легше, ніж у воді, тому лід і прискорює багато реакцій. Лід — справжній каталізатор!

Але ж схожі на лід «айсберги» є і в організмах, і в них, значить, теж легше протікають різні реакції. Перенесення іонів відіграє важливу роль у дії ферментів і в роботі білкових мембран різного типу — оболонці клітини, і в оболонці її ядра, і в мітохондріях (енергетичних станціях клітин), і в рибосомах, де будуються нові молекули білків, словом, всюди. Тому вода не просто середовище, це, по Сьєнт-Дьєрді — невід’ємна частина живої машини.

Ми підійшли до кінця розповіді… який підсумок? Що ж, вода і справді якась «ненормальна» речовина, на «ненормальних» властивостях якої (як фізичних, так і хімічних) тримається звична картина природи?

Ні, звичайно. «Незвичайність» води більш ніж звичайна, вона природна. Вона — свідчення того, що при переході від одного атома до іншого в підгрупі періодичної системи відбуваються зміни. Накопичуючись, ці зміни стають все більш відчутними, і раптом різкий стрибок.

Повернімося знову до диполів води. Їх тісно зчіплюють один з одним потужна електрична активність і дія водневого зв’язку.

В інших елементів шостої групи дуже велика екрануюча дія електронних хмар – водневий зв’язок не може «пробитися» крізь них. У телуру, і у селену, сірки занадто багато вільних, незайнятих електронів. Повиті ними, важкі молекули гідридів слабо пов’язані одна з одною. І всі вони при нормальних умовах – гази.

Однак при русі від одного члена групи до іншого електронів в атомах стає все менше, і у кисню їх вже так мало, що водневий зв’язок починає пробиватися, активно проявляючи себе.

Так, часом повільно і поступово, розсіюються хмари, поки не розірветься сірий пласт. І тут же блисне промінь сонця. І несподіваний стрибок – з похмурої погода стала ясною, все засяяло іншими фарбами.

Електронне «небо» при переході до кисню насправді прояснюється, і в світі гідридів несподівано настає інша погода. У всьому блиску своїх незвичайних властивостей на сцені світу з’являється Вода.

Автор: Л. Миколаїв.