Вода - характеристики и возможности

Вода - удивительное вещество. Мы и жить без него не можем, и прячемся от воды, покупая зонты http://giftmart.com.ua/zonty/. Сколько тайн еще хранит вода не знают даже и ученые. Много лет физико-химики изучали воду в основном как растворитель электролитов. Они получили много сведений об электролитах, но весьма мало о самой воде. Как ни странно, в последние годы мы значительно больше узнали о воде, изучая ее отношение к веществам, которые в ней практически нерастворимы.
В природе имеется немало поразительных явлений. Одно из них состоит в том, что смоченное зерно при температуре в 4—5 градусов иногда подает признаки замерзания. В другом случае труба, по которой шел природный газ при 19 градусах тепла, оказалась забитой мокрым снегом с водой. Ясно, что дело здесь не в темпе-' ратуре, а в каких-то особенностях воды. Встал целый ряд интересных вопросов: почему вода замерзла при столь высокой температуре? Как вода могла соединиться или связаться с веществами, которые в пей нерастворимы? Эта тайна еще не была раскрыта, когда обнаружилось, что даже такие благородные газы, как аргон и ксенон, которые не вступают ни в какие химические реакции, могут связываться с водой, образуя некое подобие соединений.
Десять лет назад в Иллинойсе мы начали изучать растворимость в воде некоторых углеводородов, в частности метана. Его молекулы не образуют ионов в воде и не воспринимают водородных свя-,зен;. притяжение между ними и молекулами воды очень слабо. Однако оказалось, что метан все же, хотя и очень плохо, растворяется в воде и его диссоцинрованные молекулы образуют с ней соединения — гидраты, в которых несколько молекул воды присоединены к одной молекуле метана. При этой реакции высвобождается в десять раз больше тепла, чем при растворении метана в гексане (метан растворяется в гексане гораздо лучше, чем в воде).

При близком рассмотрении этот факт оказывается еще более удивительным. Ведь по объему молекула метана вдвое больше молекулы воды. Чтобы метан растворился в воде, между ее молекулами должны образоваться довольно большие «дырки». Для этого же требуется значительная затрат» энергии, большая, чем для испарения воды,— примерно 10 тысяч калорий на каждый моль. Откуда же может появиться столько энергии? Силы притяжения между молекулами метана и воды слишком слабы, они не могут дать сколько-нибудь значительной части этого количества энергии.
По есть другая возможность: сама структура воды изменяется в присутствии метана. Предположим, что молекула растворенного метана окружена оболочкой из 10—20 молекул воды. При образовании такого рода ассоциации молекул выделяется теплота. В пространстве, занятом молекулой метана, исчезают силы взаимного притяжения между молекулами воды, а значит, и внутреннее давление. В таких условиях, как мы видели, вода: замерзает при температуре выше -нуля. Вот почему молекулы, находящиеся в промежутке м-ежду метаном и водой, могут кристаллизоваться в виде льда. Замороженные гидраты могут поглощаться раствором и выделяться из него.
Эта гипотеза известна как теория айсбергов. В ее пользу говорит тот факт, что практически все непроводящие вещества, которые подвергались испытанию, образуют устойчивые кристаллические гидраты. Напротив, у электролитов такая тенденция выражена очень слабо. Все это ведет к совершенно новому пониманию растворимости.
Химики долгое время полагали, что растворение происходит благодаря действию сил притяжения. Теперь же оказывается, что растворение неэлектролитов происходит не благодаря притяжению между этим веществом и водой, а благодаря... недостатку притяжения. Вещества, не распадающиеся на ионы, соединяются с водой, потому что они устраняют внутреннее давление и тем самым способствуют появлению кристаллических образований.
Чтобы понять образование таких гидратов, надо в деталях рассмотреть их молекулярную структуру.
Основные исследования по изучению таких гидратов были проделаны Фон Штакельбсргом в Германии 10 лет назад. Он показал, что гидраты имеют кубическую структуру в отличие от гексагональной структуры льда. В. Ф. Клауссен из нашей лаборатории недавно выяснил вопрос о том, как строятся такие кубические структуры. Оказапось, что возможны две кубические «решетки». В одной «з них, открытой Лайнусом Полингом «з Калифорнийского технологического института, промежутки между молекулами равны 12 ангстремам, в другой—17 ангстремам. В меньшей решетке -16 молекул воды, в большей—136. «Дырки» для молекул газа в меньшей решетке имеют 12—14 граней, а в большей —12—16, к тому же они разнятся по своим размерам и заполняются молекулами различной величины, причем могут быть заполнены не все «дырки». Такая модель с большой степенью точности объясняет действительное строение гидратов.
Роль такого типа гидратов в жизненных процессах трудно переоценить. Эти процессы происходят в основном в промежутках между молекулами воды и протеина. Вода при этом имеет сильную тенденцию к кристаллизации, так как в протеиновой молекуле содержится много неионных, или неполярных, групп. Всякий гидрат образуется при меньшей плотности, чем лед, поэтому его образование может вести к значительному разрушительному расширению.
Теперь понятно, почему замерзает зерно при температуре в 4 градуса. Напротив, озимая пшеница образует гидраты медленно, по мере опускания температуры. В таких условиях гидрат играет роль антиобледенителя, защищая клетки от повреждения.
В холодильной промышленности применяют быстрое замораживание для того, чтобы избежать образования больших кристаллов, могущих повредить живые клетки. Но хорошо бы испробовать противоположный метод: очень медленное охлаждение пищевых продуктов. При этом могут образоваться гидраты, которые предохранят клетки от разрушения ледяными кристаллами.
Итак, вода — это своеобразное и сложное вещество с определенными и разнообразными химическими свойствами. Она имеет стройную и в то же время меняющуюся физическую структуру. Развитие всей живой и значительной части неживой природы неразрывно связано с характерными особенностями воды. Вот почему се изучение может сказать нам много важного о мире, в котором мы живем.

Поделитесь статьей с друзьями

Adsense

Яндекс.Метрика Индекс цитирования