Гиперзвуковая вода, современные сведения 1

Внимание - ресурс не поддерживает верхний и нижний регистры, поэтому цифры все стандартные, и химические формулы выглядят не так, как мы привыкли.

В начале 20-го века знания о воде стабилизировались, и ничего не предвещало новых достижений.

В 1909 году датский биохимик Сёрен Сёренсен (1868-1939), возглавлявший лабораторию в пивной компании «Карлсберг» в Копенгагене, разработал методы определения концентрации ионов водорода в растворах, и ввел водородный показатель Рн (который называют и кислотностью) и шкалу Рн. Рн-метры,- приборы, работающие по шкале Сёренсена, используются и в настоящее время для контроля воды и пищевых продуктов на ее основе.

Прошло 10 лет и свою огромную лепту в изучение воды стали вносить физики-ядерщики.

В 1920 г. британский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) и независимого от него американский физик Уильям Харкинс (1873-1951) предсказали существование стабильного изотопа водорода, имеющего атомную массу 2 -  2Н.

В 1929 г. американские физики Херрик Джонстон (1898-1965) и Уильям Джиок (1895-1982) экспериментами доказали существование стабильных изотопов кислорода с атомными массами 17 и 18 – 17О, 18О. До этого открытия химики считали, что кислород существует только в виде стабильного изотопа с массой 16 – 16О. От массы изотопа 16О были рассчитаны массы всех известных к 1929 г. химических элементов. И неожиданно оказалось, что масса кислорода О в «Таблице Менделеева» не 16,0, а 16,0035. Открытие Джонстона и Джиока было очень значительным, оно заставило пересчитать все атомные массы. Кроме того, пошатнулась сама идея вписать все изотопы химического элемента в одну «клеточку» таблицы Менделеева. Особенно ярко это проявилось в 1932 г.

Сегодня за опорную массу принята масса изотопа углерода 12С. А «табличная» масса кислорода О = 15,9994 рассчитана с учетом распространенности его стабильных изотопов на Земле: 16О - 99,759 %, 17О - 0,037%, 18О - 0,204%. Химия, казавшаяся в 19-м веке точной наукой, превратилась в оценочную науку, где масса элемента зависит от статистики нахождения тех или иных изотопов элемента на Земле, а «Таблица Менделеева», которую в будущем создадут, к примеру, для Марса будет отличаться от нашей «земной» таблицы.

В 1931 г. американский физик Гарольд Юри (1893-1981) теоретически обосновал существование стабильного изотопа водорода 2Н и назвал его дейтерием, а в 1932 г. практически получил его окись – тяжелую воду, ее формула имела такой вид: (2Н)216О. Параллельно с Юри существование дейтерия в 1931 г. доказал американский физик Фрэд Аллисон (1882-1974) и предсказал американский физик Раймонд Бёрдж (1887-1980).

В 1933 г. американский физик Гилберт Льюис (1875-1946) методом многократного электролиза первым получил тяжелую воду из обычной воды и выделил из нее дейтерий 2Н. Он же обнаружил, что существует полутяжелая вода, имеющая в своем составе два разных изотопа водорода, т.е. такую формулу – (2Н)(1Н)16О.

Американские физики несколько лет изучали тяжелую воду (2Н)216О и обнаружили, что она химически существенно отличается от обычной воды – имеет другую массу, другие температуры замерзания и кипения, сладковатый вкус. Тяжелая вода стабильна  и присутствует повсеместно – в речной воде на тонну воды приходится около 150 мл. тяжелой воды, в морской воде около 165 мл. тяжелой воды.  Радиоактивной опасности тяжелая вода не представляет.

В 1934 году австралийский физик Маркус Олифант (1901-2000), работавший в Англии с Резерфордом, при проведении ядерной реакции получил полустабильный (период полураспада до 14 дней) изотоп водорода 3Н, названный тритием. Тритий может образовывать супертяжелую воду (3Н)216О, которая радиационно опасна, но накопиться в водоемах не может, ввиду быстрого распада трития.

В настоящее время известны три изотопа водорода Н и три стабильных изотопа кислорода О (всего у кислорода 14 изотопов). Считается, что тонна речной воды может содержать: 2 литра воды (1Н)218О, 300 мл. воды (1Н)217О, 300 мл. полутяжелой воды (2Н)(1Н)16О, 150 мл. тяжелой воды (2Н)216О, и остальное это обычная вода (1Н)216О. Следовательно в 500 мл. воды в вашем чайнике может быть около 2,5 мл. «другой» воды, в которой около 0,4 мл. тяжелой и полутяжелой воды.

Изотопный состав воды зависит от ее происхождения, возраста, этапов «жизни». В тонком плане явно отличаются изотопные составы речной воды, морской воды, колодезной воды, ключевой воды, воды полученной таянием снега, воды полученной таяньем льда, горной воды, воды текущей с ледников, воды из айсбергов и т.п. Нужно ли это все учитывать? Наука и практика однозначного ответа не дает, а дешевых и надежных методов исправления изотопного состава воды не существует. Следствием этого явилось то, что практически все эксперименты с водой проведены не с обычной водой (1Н)216О, а с этой водой с некоторым набором ее изотопных «братьев».

Сложной оказалась структура молекулы воды – здесь и далее под этим термином мы понимаем обычную воду (1Н)216О – и взаимное расположение молекул жидкой воды в занимаемом объеме.

В молекуле воды атомы водорода относительно атома кислорода образуют равнобедренный треугольник, расположение атомов в молекуле воды, в состоянии жидкости,  показано на рис 1. Размеры на рисунке приведены в ангстремах ;, как это принято в ядерной физике. Связано это с тем, что один ангстрем приблизительно равен диаметру орбиты электрона в атоме водорода. С другой стороны 1;=10-10м. Отсюда следует, что по диаметру блюдца с водой (15 см) могут поместиться около  миллиарда молекул воды.
Размеры молекулы, при изменении водой своего агрегатного состояния, меняются незначительно: молекула пара сжимается на 1%, молекула льда расширяется на 4%. Последнее свойство приводит к тому, что лед плавает в обычной воде, и водоем замерзает не всем своим объемом, а последовательно сверху - вниз.

Однако молекулы воды далеко не стабильны. Даже самая чистая вода обладает способностью к химической диссоциации – распаду некоторой части пар молекул Н2О в объеме жидкости на отрицательный ион гидроксила (ОН_) и положительный ион гидроксония (Н3О+). Этот процесс носит обратимый характер и может быть охарактеризован такой формулой:

2Н2О ; (ОН_) + (Н3О+); 2Н2О

Свойство диссоциации у воды приводит к тому, что даже чистая вода не имеющая никаких посторонних примесей, например дистиллированная по ГОСТ 6709-72, может иметь при температуре +180С проводимость около 0,75 микросименс.


Конфигурация молекулы простой воды  (1Н)216О представляет собой полярное соединение, как показано на  рис 2.

Полярное соединение, или, по химической терминологии, ковалентное соединение характеризуется том, что электронный заряд в нем распределен не однородно. На поз. а рис. 2 показано положение атома кислорода 16О и двух атомов водорода 1Н, у которых электроны как бы захвачены ядром кислорода. В результате кислородный угол молекулы воды несет отрицательный заряд, а два водородных угла – положительные заряды, это схематически показано на поз. б рис. 2.

Полярность воды приводит к тому, что ее молекулы притягивают ионы электровалентных соединений, при этом разрушая их кристаллическую структуру. Такой процесс происходит, например, с кристаллами поваренной соли NaCl, как показано на  рис. 3.

В 1951 г. датский химик Нильс Бьеррум (1879-1958) предложил свою модель структуры льда, в которой молекула воды  представляла собой четырехугольную пирамиду-тетраэдр, у которой широкую сторону занимали атомы водорода, а узкую – атом кислорода. Поэтому на рис 3. «треугольники» молекул воды – это тетраэдры Бьеррума – вид сверху.
 
Если твердые кристаллы поваренной соли поместить в воду (поз. а рис. 3), то полярные молекулы воды окружают молекулу поваренной соли (поз. б рис. 3), при этом  силы удерживающие вместе ионы натрия и хлорид-ионы, оказываются слабее, чем силы притяжения этих ионов молекулами воды. В результате происходит растворение кристаллов поваренной соли в воде, и ионы натрия и хлорид-ионы «плавают» отдельно, окруженные молекулами воды (поз. в рис. 3). Такое свойство молекул воды делает воду одним из самых сильных растворителей из всех жидкостей.

Процесс, показанный на рис. 3, несколько упрощен, т.к. небольшое количество воды непрерывно распадается на  ионы гидроксила (ОН_) и гидроксония (Н3О+), а непрерывно указанные ионы образуют молекулу воды. Но при этом разрыва кислородно-водородных связей в молекуле воды не происходит. Это связано с тем, что на это требуется большая энергия – в среднем 111 ккал/моль на одну такую связь. В молекуле воды две кислородно-водородные связи, следовательно, для их разрыва  нужна энергия 222 ккал/моль = 12,3 ккал/г = 12300 ккал/л. Много это или мало?

Приведем два примера:
- для того, чтобы нагреть 1 л воды от 20 град. С до 100 град. С необходимо 80 ккал; 
- при взрыве гремучего газа (см. опыт Кавендиша в 1781 г.) с образованием 1 л воды выделяется 3172 ккал.

Приведенные цифры свидетельствуют – для разрыва кислородно-водородных связей в одном литре воды требуется очень большая энергия, в 4 раза превосходящая энергию взрыва гремучего газа, при котором образуется литр воды, и в 154 раза превосходящая энергию, необходимую для кипячения этой воды. Если нагревать воду в специальном закрытом сосуде, то даже при температуре 1400 град. С будет разрушено не более 0,1%  молекул воды от их общего нагреваемого количества.

Однако взаимное расположение молекул воды относительно друг друга существенно отличается от показанного на поз. а рис. 3. Воде свойственна особая структура – это принципиальное открытие сделано в 1932 г. английскими физиками Джоном Берналом (1901-1971) и Ральфом Фаулером (1889-1944) на основе данных рентгеноструктурного анализа. Бернал и Фаулер установили, что молекулы воды связаны между собой водородными связями, что приводит к образованию в жидкой воде групп молекул – ассоциатов. Причина возможности образования водородной связи состоит в смещении единственного электрона водорода в своей молекуле к атому кислорода, что позволяет положительному ядру водорода притягиваться к электронной оболочке кислорода к другой  молекуле воды. Кластер из трех молекул воды показан на рис. 4.