Метатеория жидкой воды, или ответ оппоненту. Ч. 6

                Метатеория жидкой воды
                или ответ Оппоненту

                Часть 6

                «Аномалии» жидкой воды.

После двухмесячного перерыва возвращаемся к метатеории жидкой воды. Вынужденный перерыв пошёл на пользу метатеории, поскольку КАА пришлось заново, уже с незамыленным взглядом, погружаться в проблему, изучать работы по теме, и знакомиться с экспериментальными данными по свойствам воды. Из этого погружения КАА пришёл к досадному выводу: оказывается представители официальной науки удивительно нелюбопытный народ!  Всякому непонятому им явлению они приклеивают ярлык «аномалия», и с чистой совестью продолжают работать над «Теорией полёта слонов».

Ребята, очнитесь! Ведь самое вкусное в мясе – это костный мозг, до которого добраться чрезвычайно сложно, но тем самым ты будешь вознаграждён! А самое интересное в науке – это аномалии, то, что недоступно пониманию в рамках существующих теорий! Поэтому аномалии – это не причуды Природы, а результат применения к ней несовершенных теорий. И первый шаг в преодолении аномалий – это постановка вопроса «Почему?»


Наиболее ярко аномалии воды проявляются на фоне сравнения её с другими водородными соединениями: гидридами серы Н2S, селена H2Se и теллура H2Te. Молекула воды является первым и самым легким представителем этого гомологического ряда, и, следовательно, при одинаковой температуре скорость движения и тепловая энергия молекул воды являются самыми высокими, а их поведение – самым неугомонным. Но наблюдаемое поведение воды не соответствует бурному нраву их молекул. Перечисленные гидриды с более высокой молекулярной массой, и, следовательно, с более низкими значениями скорости и энергии, при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии, а вода – в жидком. Если бы вода придерживалась принципов этого гомологического ряда, то в соответствии со своей молекулярной массой она должна была бы закипать при температуре –80 градусов, а превращаться в лед при температуре –100 градусов Цельсия. ПОЧЕМУ этого не происходит?


Как нетрудно догадаться, ответственность за «аномалию» несёт молекула воды, которая является электрически полярной. Причём, дипольный момент воды по величине уступает только дипольным моментам синильной кислоты и диметилсульфоксида и занимает в природе почётное третье место.

Но как этот самый дипольный момент помогает воде стать жидкостью?

Официальная наука в лице Я.И. Френкеля полагает, что благодаря высокому дипольному моменту молекулы воды «притягиваются» к друг другу, образуя некоторое подобие аморфной структуры. А почему бы так не думать, ведь вода – это жидкость!
А вот американские учёные Дж. Морган и Б. Е. Уоррен считают, что структура воды может быть лучше всего охарактеризована, как «сломанная структура льда». Их представления о структуре льда и воды представлены на рис.1. Эти структуры в дальнейшем мы будем использовать, как модели, отражающие логику реального поведения льда и воды, не настаивая, что они и есть реальная физическая структура.

 
У молекулы воды четыре точки сборки, то есть точки, в которых поляризационные заряды, а соответственно и связанные с ними кулоновские силы максимальны: два положительных на атомах водорода и два отрицательных на атоме кислорода. И расположены они почти перпендикулярно друг к другу. Поэтому в твердом состоянии, где задействованы все четыре точки сборки, образуется пространственная, наиболее прочная структура воды (лёд), которой соответствует логическая модель (1) на рис.1. Прочности водородных связей молекул воды здесь достаточно для того, чтобы вода оставалась льдом тогда, когда её аналоги из гомологического ряда находятся в газообразном состоянии.


 Но вот при нуле градусов эту прочную конструкцию неуёмные молекулы разрушают. Ещё бы, ведь скорость их движения соизмерима со скоростью снаряда, вылетающего из ствола пушки. Но тем не менее, они после этого каким-то удивительным образом умудряются образовать новую, «сломанную» структуру (логическая модель (2) на рис.1).

Если точки сборки сместились, или контакты сохранили три из четырёх точек, то новая структура будет менее прочной, чем лёд. Спрашивается, а как тогда должен измениться удельный объем воды, величина обратная плотности? Ответ напрашивается сам собой – если такая структура существует, то она должна быть более рыхлой, а её объём должен увеличиться. Но именно здесь и наступает логический облом.


                АНОМАЛИЯ №1.


Рассмотрим рис.2, позицию (2), которая называется «Область малых температур». Здесь обнаруживается, что удельный объем воды при фазовом переходе уменьшается почти на 9%. Более того, он продолжает уменьшаться, пусть и ненамного, всего на 0,01%, при повышении температуры до +4 градусов Цельсия! Как такое возможно: связи стали менее прочными, а структура воды уплотнилась? Что же их заставило скукожиться?


Из опыта известно, что газ можно превратить в жидкость двумя способами: (1) – охладить ниже температуры кипения; (2) – сжать высоким давлением.


Рассмотрим пропан, молекулярная масса которого составляет 44 г/моль, то есть почти в 2,5 раза выше молекулярной массы воды. Так он при нормальных условиях является газом, а в жидкость превращается при температурах ниже - 43 градуса.
В жидкость пропан может превратиться и при комнатной температуре. Для этого его помещают в баллоны красного цвета под давлением 16 атмосфер.


Очевидно, и вода может превратиться в жидкость при нормальной температуре только за счёт воздействия внешнего давления, и никак иначе! Причём, для неё давление, должно быть более высоким, чем для пропана. В таком случае вода не будет выбиваться из гомологического ряда, и поведёт себя так, как ей и полагается.
 

 И мы с вами, в отличии от официальной науки, знаем, что отличительной особенностью воды является то, что абсолютное большинство её молекул ампулизировано, то есть заключено в микросферы диаметром от 80 до 25 нанометров под давлением от 39 до 87 атмосфер. Эти микросферы образованы плоскокристаллической самосборкой наиболее «холодных» молекул воды. Устройство микроампул, толщиною в один слой, абсолютно аналогично устройству поверхностного слоя воды и пузырей на поверхности воды. Природа, в этом плане, «проста и не роскошествует излишними причинами вещей» (Ньютон). Поэтому, как и на поверхности воды, на поверхности микросфер образуется небольшой отрицательный потенциал, (см. рис.3, позиция 2). Благодаря этому потенциалу, микросферы отталкиваются друг от друга, не слипаясь и стабилизируя, таким образом, своё пространственное положение.


Карл Фридрих Гаусс доказал, что самая высокая плотность упаковки равных сфер в трёхмерном пространстве, которая может быть достигнута регулярной упаковкой, например, в виде гранецентрированной кубической решётки (ГЦК), равна 0,74048 (см. рис.3, позиция 1).

А это значит, что, во-первых, объемная доля пара в общем объеме жидкой воды не может быть меньше, чем 1 – 0,74048 = 0,26. И это совершенно не зависит от размеров микросфер.

 И, во-вторых, плотность упаковки молекул воды в микросферах не на 9% выше плотности их упаковки в решётке льда, а на 35%, то есть выше, чем на треть! И в этом смысле сжимаемая структура воды в виде логическая модели (2) на рис.1 становится вполне очевидной.


В этой связи хочется спеть осанну микросферам, как удивительно простому и чрезвычайно эффективному решению, найденного Природой.
 

Мы установили, что сопротивление льда воздействию высоких температур основано на максимально прочных водородных связях. Но при высокой прочности связей, их поведение хромает в организационном плане: каждая молекула отвечает сама за себя.  Распределение молекул по скоростям, или, здесь лучше сказать, по тепловой энергии, имеет такой характер, что в горячих хвостах всегда найдутся молекулы, способные разрубить самые прочные связи. Пока доля таких молекул невелика, идёт медленный процесс сублимации. Но как только средняя температура приближается к нулю градусов, процесс разрушения водородных связей лавинообразно нарастает и становится необратимым. И, казалось бы, что у жидкой воды нет никаких шансов вновь обуздать буянов.


Но здесь Природа поступила мудро. Она в полной мере воспользовалась возможностями закона распределения молекул по скоростям.

Для этого она и из «холодных» молекул создала самое совершенное геометрическое тело – сферу, точнее микросферу. Здесь прочность их связей ничуть не меньше, чем у льда, а возможно даже больше, поскольку в «холодных» хвостах всегда найдётся пару процентов молекул, температура которых ниже средней температуры льда. 
А внутри них разместила среднетемпературные (средне буйные) молекулы. Причём разместила их не хаотично, а в форме кристалла. За хаос приходится платить очень высокую цену. Хаотичное размещение молекул при высокой плотности их упаковки, потребовало бы для их удержания давлений сжатия в тысячи атмосфер. А Природа, за счёт предварительного поджатия молекул стенками микросфер всего лишь в десятки атмосфер, образовала из них регулярную кристаллическую структуру, заставив их работать на общий результат. Для этого она подключила, пусть и в ослабленном виде, их водородные связи.


 Ну а наиболее буйных молекул, она выдворила за пределы микросфер, образовав таким образом паровую подушку. И что интересно, находясь вне микросфер, буйные молекулы не способны нанести им какой-либо ущерб. Это происходит от того, что плоский кристалл абсолютно гибок в поперечном направлении и не держит поперечный удар. Поэтому, если таковой наносится из вне, то оболочка немедленно его переадресовывает внутренним молекулам. А вот изнутри буйные молекулы удаляются также легко, как вылупившийся цыплёнок из яйца. Таким образом, за счёт организации коллективной работы всего спектра молекул, и определения им обязанностей в соответствие со степенью их «буйности», достигается такой удивительный результат.

Теперь мы знаем, что уменьшение удельного объема воды при фазовом переходе «лёд- жидкость» связано с гениальным решением Природы, в виде ампулизации микрообъемов воды в микросферах, и поджатием их давлением в десятки атмосфер. В результате плотность упаковки молекул воды увеличивается по сравнению с плотностью их упаковки в кристаллах льда.


                АНОМАЛИЯ №2


Другая аномалия воды – это необычное поведение ее сжимаемости, величины, обратной механической жесткости. Для обычных жидкостей сжимаемость растет с температурой, поскольку при высоких температурах жидкости становятся более рыхлыми. Вода же ведет себя так, как показано на рис.4: её сжимаемость, наоборот, уменьшается с ростом температуры до 50 градусов, и только после этого начинает увеличиваться. Естественно, что официальная гипотеза об аморфной структуре воды не в курсе дела, почему это происходит.


Метатеоретическая схема структуры жидкой воды, которая приведена в части 3, на первый взгляд тоже не даёт ответа на этот вопрос. Рост объема паровой подушки с ростом температуры предполагает увеличение сжимаемости воды. Но в действительности это не так.

Чтобы разобраться, что же происходит на самом деле, вернёмся к рассмотрению паровой подушки.
 

 Что такое объемная доля пара, равная 0,26? Плотность пара при нормальных условиях равна 0,000804 плотности жидкой воды. То есть для заполнения пустот требуется всего 0,26 * 0,000804 = 0,000209 = 0,021% от массы воды. Это совсем немного, поэтому необходимая доля «горячих» молекул находится сразу же после фазового перехода при давлении 1 атмосфера и температуре 0 градусов по Цельсию.
Для того, чтобы определить фактический объем паровой подушки в диапазоне температур от 0 до 100 градусов Цельсия, не надо ничего сочинять.

С этой целью можно воспользоваться экспериментальной зависимостью удельного объема воды от температуры (рис. 2, позиция 1). Полагаем, что плотность упаковки молекул в микросферах, равная 1,35 от общей плотности воды, достигнутая при температурах t = 0…4 градусов, не изменяется во всем диапазоне температур. Тогда объёмную долю паровой подушки dV`п при температуре t находим простым вычитанием из относительной удельной плотности воды V`в(t) = Vв(t)/ Vв(0)  объемную долю микросфер, составляющую 0,74


                dV`п = V`в(t) – 0,74,


где Vв(t) – удельный объём воды при температуре t;

      Vв(0) – удельный объём воды при температуре ноль градусов.


Результаты расчётов представлены на графике рис.2, позиция 1, со шкалой, расположенной справа от графика. Объемная доля паровой подушки увеличивается от 0,260 при температуре 0 градусов, до 0,303 при температуре 100 градусов. То есть доля внутреннего пара при кипении воды достигает чуть меньше трети общего объема воды.


Этих данных теперь достаточно, чтобы определить расстояние 2b между микросферами (рис. 3, позиция 2). Это сделать несложно, учитывая, что плотность упаковки равных сфер в трёхмерном пространстве не зависит от их размера. Поэтому мы возьмем микросферы диаметром не dмс(t), а dмс(t) + 2b(t). В этом случае незаполненный объем по-прежнему остаётся равным 0,26, а дополнительный объем Vдоп(t) = Vв(t) - Vв(0)  определяется из выражения:


                Vдоп = Sмс(t) * Nсф(t) * b(t) = Sсв(t) * b(t),


где Sмс(t) – поверхность одной микросферы при температуре t;

      Nсф(t) – количество микросфер в одном моле воды при температуре t;

       b(t) – минимальный полузазор между микросферами;

       Sсв(t) – внутренняя свободная поверхность одного моля воды, образованная микросферами в количестве Nсф(t).

Тогда толщина минимального зазора между микросферами будет равна


                2b(t) = 2*Vдоп / Sсв(t),


где параметры Sмс(t), Nсф(t) и Sсв(t) были определены ещё во 2 части работы из условия прочности микросфер, а Vдоп(t) = Vв(t) - Vв(0)  берётся из экспериментальной зависимости на рис 2, позиция 1, путём его приведения к одному молю воды, то есть путём умножения показаний левой шкалы на коэффициент 0,000018.


 Результаты расчёта показаны на рис.3, позиция 2 в виде диапазона изменения 2b(t) = 0,5…6 ангстрем (10^-10 м). А эти расстояния как раз связаны с действием кулоновских сил.  При изменении температуры от нуля до 50 градусов Цельсия расстояния между микросферами меняются от 0,5 до 2, 8 ангстрем. Это та самая область, в которой действуют силы электростатического отталкивания. Причём, чем больше расстояние, тем меньше сопротивляемость сжатию. Спрашивается, а почему тогда сжимаемость продолжает падать?


На этот вопрос не трудно ответить, если учесть, что основное сопротивление сжатию оказывают микросферы (смотри логическую модель воды на рис. 4), в которых с ростом температуры увеличиваться внутреннее давление вплоть до температуры кипения. И в этом смысле, их поведение аналогично поведению футбольного мяча: чем больше в нём давление, тем выше его жёсткость, и тем меньше, соответственно, его сжимаемость. То есть до температуры 50 градусов определяющим было увеличение жёсткости микросфер. А вот дальше расстояния между микросферами продолжает увеличиваются, и силы электростатического отталкивания уже не дотягиваются до соседних сфер. Тогда в бой вступают динамические силы отталкивания, которые возникают тогда, когда в результате колебаний микросферы входят в зону электростатического отталкивания. Но при этом эффект отталкивания за период колебания будет уменьшаться с ростом расстояний между микросферами. И вот на этом то участке и наблюдается повышение сжимаемости воды.


Таким образом, наличие минимума сжимаемости воды объясняется действием двух разнонаправленных механизмов:


1. Повышением жесткости микросфер;

2. Уменьшением сопротивления сжатию кулоновских сил в следствие увеличения расстояний между микросферами.


                (Продолжение следует)