Академик И. В. Петрянов-Соколов
Самое необычное вещество в мире

В этом (2007 — П. З.) году мы хотим рассказать вам, уважаемые читатели, о воде. Этот цикл статей так и будет называться: цикл воды. Наверное, нет смысла говорить о том, сколь важно это вещество для всех естественных наук и для каждого из нас. Не случайно многие пытаются спекулировать на интересе к воде, взять хотя бы нашумевший фильм „Великая тайна воды“, которые привлёк внимание миллионов людей. С другой стороны, нельзя упрощать ситуацию и говорить, что мы знаем о воде всё; это совсем не так, вода была и остаётся самым необычным веществом в мире. Чтобы в деталях рассмотреть особенности воды, нужен обстоятельный разговор. А начинаем мы его главами из замечательной книги основателя нашего журнала академика И.В. Петрянова-Соколова, которая вышла в издательстве „Педагогика“ в 1975 году. Эта книжка, кстати, вполне может служить образцом научно-популярного разговора крупного учёного с таким непростым читателем, как ученик средней школы.

Всё ли уже известно о воде?

Совсем ещё недавно, в 30-х годах нашего века, химики были уверены, что состав воды им хорошо известен. Но однажды одному из них пришлось измерить плотность остатка воды после электролиза. Он был удивлён: плотность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной. В науке нет ничего незначительного. Эта ничтожная разница потребовала объяснения. В результате учёные открыли много новых больших тайн природы. Они узнали, что вода очень сложна. Были найдены новые изотопные формы воды. Добыта из обычной тяжёлая вода; оказалось, что она совершенно необходима для энергетики будущего: при термоядерной реакции дейтерий, выделенный из литра воды, даст столько же энергии, как 120 кг угля. Теперь во всех странах мира физики упорно и неустанно работают над решением этой великой задачи. А началось всё с простого измерения самой обычной, будничной и неинтересной величины — плотность воды была измерена точнее на лишний десятичный знак. Каждое новое, более точное измерение, каждый новый верный расчёт, каждое новое наблюдение не только повышает уверенность в знании и надёжности уже добытого и известного, но и раздвигает границы неведомого и ещё не познанного и прокладывает к ним новые пути.

Что же такое обыкновенная вода?

Такой воды в мире нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она всегда необыкновенная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различна. Состав зависит от истории воды — от того, что с ней происходило в бесконечном многообразии её круговорота в природе. При испарении вода обогащается протием, и вода дождя поэтому отлична от воды озера. Вода реки не похожа на морскую воду. В закрытых озёрах вода содержит больше дейтерия, чем вода горных ручьёв. В каждом источнике свой изотопный состав воды. Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился: в нём уменьшилось содержание тяжёлого водорода, но повысилось количество тяжёлого кислорода. Вода из тающего льда другая и отличается от воды, из которой лёд был получен.

Что такое лёгкая вода?

Это та самая вода, формулу которой знают все школьники — H₂¹⁶O. Но такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили учёные. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды, и в первую очередь для измерения её плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений.

Что такое тяжёлая вода?

И этой воды в природе нет. Строго говоря, нужно было бы называть тяжёлой воду, состоящую только из одних тяжёлых изотопов водорода и кислорода, D₂¹⁸O, но такой воды нет даже и в лабораториях учёных. Конечно, если эта вода понадобится науке или технике, учёные сумеют найти способ, как её получить: и дейтерия, и тяжёлого кислорода в природной воде сколько угодно.

В науке и ядерной технике принято условно называть тяжёлой водой тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного, лёгкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха.

Ещё совсем недавно никто в мире и не подозревал, что такая вода существует, а теперь во многих странах мира работают гигантские заводы, перерабатывающие миллионы тонн воды, чтобы извлечь из неё дейтерий и получить чистую тяжёлую воду.

Много ли различных вод содержится в воде?

В какой воде? В той, что льётся из водопроводного крана, куда она пришла из реки, тяжёлой воды D₂¹⁶O около 150 г на тонну, а тяжелокислородной (H₂¹⁷O и H₂¹⁸O вместе) почти 1800 г на тонну воды. А в воде из Тихого океана тяжёлой воды почти 165 г на тонну.

В тонне льда одного из больших ледников Кавказа тяжёлой воды на 7 г больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной воды столько же. Но зато в воде ручейков, бегущих по этому леднику, D₂¹⁶O оказалось меньше на 7 г, а H₂¹⁸O — на 23 г больше, чем в речной.

Тритиевая вода T₂¹⁶O выпадает на землю вместе с осадками, но её очень мало — всего лишь 1 г на миллион миллионов тонн дождевой воды. В океанской воде её ещё меньше.

Строго говоря, вода всегда и всюду разная. Даже в снеге, выпадающем в разные дни, разный изотопный состав. Конечно, отличие невелико, всего 1–2 г на тонну. Только, пожалуй, очень трудно сказать — мало это или много.

В чём же различие между лёгкой природной и тяжёлой водой?

Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому он задан. Каждый из нас не сомневается, что с водой-то он знаком хорошо. Если каждому из нас показать три стакана с обычной, тяжёлой и лёгкой водой, то каждый даст совершенно чёткий и определённый ответ: во всех трёх сосудах простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцветна. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти между ними никакой разницы. Это всё — вода. Химик на этот вопрос ответит почти так же: между ними нет почти никакой разницы. Все их химические свойства почти неразличимы: в каждой из этих вод натрий будет одинаково выделять водород, каждая из них при электролизе будет одинаково разлагаться, все их химические свойства будут почти совпадать. Оно и понятно: ведь химический состав у них одинаков. Это вода.

Физик не согласится. Он укажет на заметную разницу в их физических свойствах: и кипят и замерзают они при различных температурах, плотность у них разная, упругость их пара тоже немного различна. И при электролизе они разлагаются с разной скоростью. Лёгкая вода чуть быстрее, а тяжёлая — помедленнее. Разница в скоростях ничтожна, но остаток воды в электролизере оказывается немного обогащённым тяжёлой водой. Таким путём она и была открыта. Изменения в изотопном составе мало влияют на физические свойства вещества. Те из них, которые зависят от массы молекул, меняются заметнее, например скорости диффузии молекул пара.

Биолог, пожалуй, станет в тупик и не сразу сумеет найти ответ. Ему нужно будет над вопросом о различии между водой с разным изотопным составом ещё немало поработать. Совсем недавно все считали, что в тяжёлой воде живые существа не могут жить. Её даже мёртвой водой называли. Но оказалось, что если очень медленно, осторожно и постепенно заменять протий в воде, где живут некоторые микроорганизмы, на дейтерий, то можно их приучить к тяжёлой воде и они будут в ней неплохо жить и развиваться, а обычная вода для них станет вредной.

Сколько молекул воды в океане?

Одна. И этот ответ не совсем шутка. Конечно, каждый может, посмотрев в справочник и узнав, сколько в Мировом океане воды, легко сосчитать, сколько всего в нём содержится молекул H₂O. Но такой ответ будет не вполне верен. Вода — вещество особенное. Благодаря своеобразному строению отдельные молекулы взаимодействуют между собой. Возникает особая химическая связь вследствие того, что каждый из атомов водорода одной молекулы оттягивает к себе электроны атомов кислорода в соседних молекулах. За счёт такой водородной связи каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя соседними молекулами.

Как же всё-таки построены молекулы воды в воде?

К сожалению, этот очень важный вопрос изучен ещё недостаточно. Строение молекул в жидкой воде очень сложно. Когда лёд плавится, его сетчатая структура частично сохраняется в образующейся воде. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул — из агрегатов, сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распадается, их размеры становятся меньше.

Взаимное притяжение ведёт к тому, что средний размер сложной молекулы воды в жидкой воде значительно превышает размеры одной молекулы воды. Такое необычайное молекулярное строение воды обусловливает её необычайные физико-химические свойства.

Какова должна быть плотность воды?

Правда, очень странный вопрос? Вспомните, как была установлена единица массы — один грамм. Это масса одного кубического сантиметра воды. Значит, не может быть никакого сомнения в том, что плотность воды должна быть только такой, какая она есть. Можно ли в этом сомневаться? Можно. Теоретики подсчитали, что если бы вода не сохраняла рыхлую, льдоподобную структуру в жидком состоянии и её молекулы были бы упакованы плотно, то и плотность воды была бы гораздо выше. При 25°C она была бы равна не 1,0, а 1,8 г/см³.

При какой температуре вода должна кипеть?

Этот вопрос тоже, конечно, странен. Верно, при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, именно температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении и выбрана в качестве одной из опорных точек температурной шкалы, условно обозначенной 100°C. Однако вопрос поставлен иначе: при какой температуре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева.

Если сравнивать между собой одинаковые по составу химические соединения различных элементов, принадлежащих к одной и той же группе таблицы Менделеева, то легко заметить, что чем меньше атомный номер элемента, чем меньше его атомный вес, тем ниже температура кипения его соединений. Вода по химическому составу может быть названа гидридом кислорода. H₂Te, H₂Se и H₂S — химические аналоги воды. Если определить температуру кипения гидрида кислорода по положению его в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при –80°C. Следовательно, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения воды — это наиболее обычное её свойство — оказывается необычайным и удивительным.

При какой температуре вода замерзает?

Не правда ли, вопрос не менее странен, чем предыдущие? Ну кто же не знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить: при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей химической природой? Оказывается, гидрид кислорода на основании его положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.

Из того, что температура плавления и кипения гидрида кислорода — его аномальные свойства, следует, что в условиях нашей Земли жидкое и твёрдое состояния его также аномальны. Нормальным должно было бы быть только газообразное состояние воды.

Сколько существует газообразных состояний воды?

Только одно — пар. А пар тоже только один? Конечно нет, паров воды столько же, сколько существует различных вод. Водяные пары, различные по изотопному составу, обладают хотя и очень близкими, но всё же различными свойствами: у них разная плотность, при одной и той же температуре они немного отличаются по упругости в насыщенном состоянии, у них чуть-чуть разные критические давления, разная скорость диффузии.

Может ли вода помнить?

Такой вопрос звучит, надо признать, очень необычно, но он вполне серьёзен и очень важен. Он касается большой физико-химической проблемы, которая в своей наиболее важной части ещё не исследована. Этот вопрос только поставлен в науке, но ответа на него она ещё не нашла.

Вопрос в том, влияет или нет предыдущая история воды на её физико-химические свойства и возможно ли, исследуя свойства воды, узнать, что происходило с ней ранее, — заставить саму воду „вспомнить“ и рассказать нам об этом. Да, возможно, как это ни кажется удивительным. Проще всего это можно понять на простом, но очень интересном и необычайном примере — на памяти льда.

Лёд — это ведь вода. Когда вода испаряется — меняется изотопный состав воды и пара. Лёгкая вода испаряется хотя и в ничтожной степени, но быстрее тяжёлой.

При испарении природной воды состав изменяется по изотопному содержанию не только дейтерия, но и тяжёлого кислорода. Эти изменения изотопного состава пара очень хорошо изучены, и так же хорошо исследована их зависимость от температуры.

Недавно учёные поставили замечательный опыт. В Арктике, в толще огромного ледника на севере Гренландии, была заложена буровая скважина и высверлен и извлечён гигантский ледяной керн длиной почти полтора километра. На нём были отчётливо различимы годичные слои нараставшего льда. По всей длине керна эти слои были подвергнуты изотопному анализу, и по относительному содержанию тяжёлых изотопов водорода и кислорода — дейтерия и ¹⁸O были определены температуры образования годичных слоёв льда на каждом участке керна. Дата образования годичного слоя определялась прямым отсчётом. Таким образом была восстановлена климатическая обстановка на Земле на протяжении тысячелетия. Вода всё это сумела запомнить и записать в глубинных слоях гренландского ледника.

В результате изотопных анализов слоёв льда была построена учёными кривая изменения климата на Земле. Оказалось, средняя температура у нас подвержена вековым колебаниям. Было очень холодно в XV веке, в конце XVII века и в начале XIX. Самые жаркие годы были 1550 и 1930.

То, что сохранила в памяти вода, полностью совпало с записями в исторических хрониках. Обнаруженная по изотопному составу льда периодичность изменения климата позволяет предсказывать среднюю температуру в будущем на нашей планете.

Это всё совершенно понятно и ясно. Хотя и очень удивительна тысячелетняя хронология погоды на Земле, записанная в толще полярного ледника, но изотопное равновесие достаточно хорошо изучено и никаких загадочных проблем в этом пока нет.

Тогда в чём же состоит загадка «памяти» воды?

Дело в том, что за последние годы в науке постепенно накопилось много поразительных и совершенно непонятных фактов. Одни из них установлены твёрдо, другие требуют количественного надёжного подтверждения, и все они ещё ждут своего объяснения.

Например, ещё никто не знает, что происходит с водой, протекающей сквозь сильное магнитное поле. Физики-теоретики совершенно уверены, что ничего с ней при этом происходить не может и не происходит, подкрепляя свою убеждённость вполне достоверными теоретическими расчётами, из которых следует, что после прекращения действия магнитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была. А опыт показывает, что она изменяется и становится другой.

Из обычной воды в паровом котле растворённые соли, выделяясь, отлагаются плотным и твёрдым, как камень, слоем на стенках котельных труб, а из омагниченной воды (так её теперь стали называть в технике) выпадают в виде рыхлого осадка, взвешенного в воде. Вроде разница невелика. Но это зависит от точки зрения. По мнению работников тепловых электростанций, эта разница исключительно важна, так как омагниченная вода обеспечивает нормальную и бесперебойную работу гигантских электростанций: не зарастают стены труб паровых котлов, выше теплопередача, больше выработка электроэнергии. На многих тепловых станциях давно установлена магнитная подготовка воды, а как и почему она работает, не знают ни инженеры, ни учёные. Кроме того, на опыте подмечено, что после магнитной обработки воды в ней ускоряются процессы кристаллизации, растворения, адсорбции, изменяется смачивание… правда, во всех случаях эффекты невелики и трудно воспроизводимы. Но каким образом в науке можно оценить, что такое мало и что — много? Кто возьмётся это сделать? Действие магнитного поля на воду (обязательно быстротекущую) длится малые доли секунды, а „помнит“ вода об этом десятки часов. Почему — неизвестно. В этом вопросе практика далеко опередила науку. Ведь даже неизвестно, на что именно действует магнитная обработка — на воду или на содержащиеся в ней примеси. Чистой-то воды ведь не бывает.

„Память“ воды не ограничивается только сохранением последствий магнитного воздействия. В науке существуют и постепенно накапливаются многие факты и наблюдения, показывающие, что вода как будто бы „помнит“ и о том, что она раньше была заморожена. Талая вода, недавно получившаяся при таянии куска льда, как будто бы тоже отличается от той воды, из которой этот кусок льда образовался. В талой воде быстрее и лучше прорастают семена, быстрее развиваются ростки; даже как будто бы быстрее растут и развиваются цыплята, которые получают талую воду. Кроме удивительных свойств талой воды, установленных биологами, известны и чисто физико-химические отличия, например талая вода отличается по вязкости, по значению диэлектрической проницаемости. Вязкость талой воды принимает своё обычное для воды значение только через 3–6 суток после плавления. Почему это так (если это так), тоже никто не знает. Большинство исследователей называют эту область явлений „структурной памятью“ воды, считая, что все эти странные проявления влияния предыдущей истории воды на её свойства объясняются изменением тонкой структуры её молекулярного состояния. Может быть, это и так, но… назвать — это ещё не значит объяснить. По-прежнему в науке существует важная проблема: почему и как вода „помнит“, что с нею было.

Знает ли вода, что происходит в космосе?

Этот вопрос затрагивает область столь необыкновенных, столь таинственных, до сих пор совершенно непонятных, наблюдений, что они вполне оправдывают образную формулировку вопроса. Экспериментальные факты как будто бы установлены твёрдо, но объяснения для них пока ещё не найдено.

Поразительная загадка, к которой относится вопрос, была установлена не сразу. Она относится к малозаметному и как будто бы пустяковому явлению, не имеющему серьёзного значения. Это явление связано с самыми тонкими и пока непонятными свойствами воды, трудно доступными количественному определению, — со скоростью химических реакций в водных растворах и главным образом со скоростью образования и выпадения в осадок труднорастворимых продуктов реакции. Это тоже одно из бесчисленных свойств воды.

Так вот, у одной и той же реакции, проводимой в одних и тех же условиях, время появления первых следов осадка непостоянно. Хотя этот факт был давным-давно известен, химики на него внимания не обращали, удовлетворяясь, как это ещё часто бывает, объяснением „случайными причинами“. Но постепенно, по мере развития теории скоростей реакции и усовершенствования методики исследования, этот странный факт стал вызывать недоумение.

Несмотря на самые тщательные предосторожности в проведении опыта в совершенно постоянных условиях, результат всё равно не воспроизводится: то осадок выпадает сразу, то приходится довольно долго ждать его появления.

Казалось бы, не всё ли равно — выпадает осадок в пробирке за одну, две или через двадцать секунд? Какое это может иметь значение? Но в науке, как и в природе, нет ничего не имеющего значения.

Странная невоспроизводимость всё более и более занимала учёных. И наконец был организован и осуществлён совершенно небывалый эксперимент. Сотни добровольных исследователей-химиков во всех частях земного шара по единой, заранее разработанной программе одновременно, в один и тот же момент по мировому времени снова и снова повторяли один и тот же простой опыт: определяли скорость появления первых следов осадка твёрдой фазы, образующейся в результате реакции в водном растворе. Опыт продолжался почти пятнадцать лет, было проведено более трёхсот тысяч повторений.

Постепенно стала вырисовываться удивительная картина, необъяснимая и загадочная. Оказалось, что свойства воды, определяющие протекание в водной среде химической реакции, зависят от времени.

Сегодня реакция протекает совсем иначе, чем в тот же момент она шла вчера, и завтра она будет идти снова по-другому.

Различия были невелики, но они существовали и требовали внимания, исследования и научного объяснения.

Результаты статистической обработки материалов этих наблюдений привели учёных к поразительному выводу: оказалось, что зависимость скорости реакции от времени для разных частей земного шара совершенно одинаковая.

Это означает, что существуют какие-то таинственные условия, изменяющиеся одновременно на всей нашей планете и влияющие на свойства воды.

Дальнейшая обработка материалов привела учёных к ещё более неожиданному следствию. Оказалось, что события, протекающие на Солнце, каким-то образом отражаются на воде. Характер реакции в воде следует ритму солнечной активности — появления пятен и вспышек на Солнце.

Но и этого мало. Было обнаружено ещё более невероятное явление. Вода каким-то необъяснимым путём отзывается на то, что происходит в космосе. Была установлена чёткая зависимость от изменения относительной скорости Земли в её движении в космическом пространстве.

Таинственная связь воды и событий, происходящих во Вселенной, пока необъяснима. А какое значение может иметь связь между водой и космосом? Никто ещё не может знать, насколько оно велико. В нашем теле около 75% воды; на нашей планете нет жизни без воды; в каждом живом организме, в каждой его клеточке протекают бесчисленные химические реакции. Если на примере простой и грубой реакции подмечено влияние событий в космосе, то пока даже и представить себе нельзя, как велико может быть значение этого влияния на глобальные процессы развития жизни на Земле. Наверное, будет очень важной и интересной наука будущего — космобиология. Одним из её главных разделов станет изучение поведения и свойств воды в живом организме.

Все ли свойства воды понятны учёным?

Конечно нет! Вода — загадочное вещество. До сих пор учёные не могут ещё понять и объяснить очень многие её свойства.

Можно ли сомневаться, что все подобные загадки будут успешно разрешены наукой. Но будет открыто немало новых, ещё более удивительных, загадочных свойств воды — самого необыкновенного вещества в мире.

„Химия и жизнь — XXI век“

http://wsyachina.narod.ru/physics/aqua_1.html