Живая и мертвая, тяжелая и легкая

Вода – самое распространенное и в то же время самое ценное «ископаемое минеральное вещество» на нашей планете со столь на первый взгляд простым химическим строением и столь непростыми свойствами. В отличие от других аналогичных соединений вода имеет много аномалий. К ним относятся необычно высокая температура кипения и теплота парообразования. Вода характеризуется высокой теплоемкостью, которая позволяет использовать ее в качестве теплоносителя в теплоэнергетических установках. В природе это свойство проявляется в смягчении климата вблизи больших водоемов. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, т. е. способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению.

Вспомним, какую большую роль играет гидросфера в формировании поверхности нашей планеты. Но кроме всесокрушающих водных потоков здесь действует еще и «физика фазовых превращений», ведь именно свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании ведет к разрушению горных пород. Попадая в мельчайшие трещины скал и там замерзая, вода действует подобно взрывчатому веществу: образующемуся льду тесно в небольших трещинах и он разрушает камень.

Почему вода жидкая? Почему она может течь, литься, капать? Все дело в ее структуре. Жидкость – промежуточное состояние, в котором вещество уже лишено строгой упорядоченности твердого кристалла, но полного хаоса, присущего газообразному состоянию, в его структуре еще нет. В жидкостях соблюдается лишь ближний порядок: на небольших расстояниях частицы расположены более или менее «стройно», но по мере их удаления друг от друга этот порядок исчезает. Средние расстояния между частицами этого ближнего порядка задаются силами межатомного или межмолекулярного взаимодействия. В воде, например, атомы водорода одной молекулы притягиваются к атомам кислорода другой и т. д. Именно эта чрезвычайно развитая сеть водородных связей и придает воде многие поистине уникальные свойства, позволяя, в частности, говорить, что структура этой жидкости в чем-то сродни структуре кристалла.

Ученые выяснили, что если в свободном объеме вода как бы сама себе задает структуру, то при соприкосновении с твердой поверхностью структура последней начинает «навязываться» граничащему с ней слою жидкости толщиной от 10 до 100 ангстрем (ангстрем равен одной десятимиллионной доле сантиметра). Коль скоро структура этого граничного слоя воды оказывается измененной, иными становятся и его физико-химические свойства, в частности вязкость и способность растворять вещества.

Граничный слой воды с измененными свойствами существует, естественно, лишь в зоне, близкой к твердой поверхности. Однако представим, что вода находится в очень тонком капилляре – тоньше самого граничного слоя. И тогда окажется, что вся жидкость в капилляре уже не та, какой она была в свободном объеме. То же самое произойдет, если жидкостью пропитать какое-либо пористое вещество. Но ведь пористые вещества, пропитанные жидкостями, встречаются буквально на каждом шагу. Это и почва, и различные строительные материалы. И во всех этих пористых материалах вода, как выяснилось, имеет вовсе не те свойства, каких от нее следовало бы ожидать.

Газовая камера для опреснения морской воды

Одна из серьезнейших проблем, стоящих перед человечеством, – дефицит пресной воды. В разработке экономических методов опреснения морской воды российские специалисты достигли значительных успехов. В частности, среди этих методов весьма перспективным оказалось использование так называемых мембранных фильтров. Суть проста: морская вода продавливается сквозь мембрану, не пропускающую растворенные соли. И в этом «сите», способном отделять ионы от молекул воды, главную роль играют как раз особые свойства граничного слоя.

Французские гидрофизики предложили оригинальный способ за несколько минут перевести воду в твердое состояние, не меняя ее химического состава. С помощью открытого ими полимера можно получить воду, напоминающую по структуре затвердевшее желе.

Такое желе, названное акваблок, не испаряется даже при сравнительно высокой температуре воздуха. Его можно использовать для водоснабжения в засушливых и пустынных районах Африки. Срок хранения акваблока не ограничен. Достаточно добавить немного воды – и желе сразу перейдет в жидкое состояние. Перевозить же акваблоки можно даже самосвалами.

Для получения желе не требуется специального оборудования, нужно только достаточно дешевое пылеобразное вещество, представляющее собой пока еще ноу-хау изобретателей. Одного килограмма подобного акваконсерванта хватает для превращения в желе около 500 лит ров воды.

Сейчас гидрофизики работают над сгущением жидкого топлива, например нефти, бензина и керосина. Очень интересно и предложение «сгущать» загрязненную промышленную воду с высоким содержанием токсичных веществ.

Тяжелая вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная, но вместо атомов обычного легкого изотопа водорода протия она содержит два атома тяжелого изотопа водорода – дейтерия

Следующей по распространению и популярности в природе следует тяжелая вода, также имеющая несколько названий: дейтериевая или тяжеловодородная вода, а также оксид дейтерия. Внешне тяжелая вода выглядит совершенно так же, как и обычная, представляя собой бесцветную жидкость без вкуса и запаха.

Еще выделяют полутяжелую воду, известную также под названиями монодейтериевая вода, гидроксид дейтерия, у которой только один атом водорода замещен дейтерием.

Существует еще и сверхтяжелая вода, в молекулах которой атомы водорода замещены атомами трития. Тритий является радиоактивным изотопом водорода, возникающим в ядерных реакциях, иногда его называют сверхтяжелым водородом. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. В природе этот элемент образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами воздушной среды. В чистой форме тритиевая вода называется окисью трития или супертяжелой водой. Тритиевая вода содержится в обычной воде, однако распределяется неравномерно. Например, в водоемах материков ее больше, чем в океанах, а в океанских водах возле полюсов больше, чем возле экватора.

Тритиевую воду часто используют как меченое соединение для исследования водного обмена.

Различается вода и по изотопному составу кислорода. Всего же насчитывается не менее 18 ее изотопных разновидностей. Тяжелая вода – обязательный спутник воды обыкновенной, но содержание ее в природных водах определяется таким соотношением: 1 часть тяжелой воды на 6800 частей нормальной. Это очень и очень немного, так что нам нечего опасаться. Впрочем, некоторые опытные данные, требующие, правда, дальнейшей проверки, говорят, что было бы еще лучше для нас и для всего живого, если бы тяжелой воды в обыкновенной содержалось еще меньше. Сейчас уже надежно установлено, что тяжелая вода в больших дозах вызывает гибель организмов, в меньших – действует угнетающе. Тут уж перед нами действительно мертвая вода – без всяких кавычек.

Если мы откроем водопроводный кран и наполним чайник, то там будет не однородная вода, а ее смесь. При этом дейтериевых вкраплений окажется очень немного – примерно 150 граммов