Сама жизнь

Вода - образец аномальности. Еще в школе мы узнаем о том, что при нагревании она ведет себя необычно. Почти все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода же при охлаждении от +4 до 0 °С начинает расширяться. Таким образом, самой большой плотностью вода обладает при + 4 °С.

При температуре 0 °С вода переходит в твердое состояние - превращается в лед. При охлаждении ее объем резко увеличивается - почти на 10 %, а плотность уменьшается. Поэтому лед и не тонет. Редкие вещества обладают подобным свойством.

Если бы лед был тяжелее воды, то все водоемы зимой начали бы замерзать до дна: верхние слои воды, охлаждаясь, опускались вниз, а их заменяли бы более теплые слои, поднявшиеся наверх. Это длилось бы до тех пор, пока вся масса не приобрела нулевую температуру. В результате какой-то пруд превратился бы в гигантскую глыбу льда и жизнь в нем прекратилась. Возможно, что исчезли бы и сами водоемы, поскольку ледяные глыбы не смогли бы растаять за лето.

Другая особенность воды проявляется при изменении ее теплоемкости (количество тепла, необходимое для повышения температуры на один градус). Для большинства веществ это постоянная величина, которая при возрастании температуры увеличивается. Теплоемкость воды в интервале температур от 0 до +35 °С падает, а при нагревании до + 100 °С вновь возрастает.

В природе не существует абсолютно чистой воды. Капля дождя, издавна считавшаяся эталоном чистоты, содержит десятки минеральных веществ. Но если бы чистая вода существовала? Теоретические расчеты показывают, что цилиндрик из нее с поперечным сечением в 1 см² не разорвали бы на части два легковых автомобиля.

Надо заметить, что в лаборатории удалось получить довольно чистую воду с прочностью на разрыв 150 кг на 1 см². Эту величину можно встретить в справочнике о сталях.

"Нечистоплотность" воды объясняется ее фантастической способностью растворять любые вещества. Известно, что в водах Мирового океана можно встретить почти все элементы Периодической таблицы Д. И. Менделеева.

Снова школьный пример: лезвие безопасной бритвы плавает в воде. Известна и причина его плавучести: высокое поверхностное натяжение воды. Именно поэтому, а также благодаря сильной "прилипчивости" воды она может очень высоко подниматься по тончайшим капиллярам, диаметр которых в 10 раз меньше диаметра волоса. По капиллярным каналам в почве влага поднимается наверх - к корням растений. Капиллярные силы позволяют растениям перекачивать и впитывать тысячи тонн влаги. Соки растений, ток крови в кровеносных сосудах - все это примеры капиллярных явлений.

Физические свойства воды в капиллярах сильно отличаются от свойств, которыми они обладают в обычных ситуациях. Ученые посчитали их настолько необычными, что решили: вода в капиллярах находится в новом - четвертом состоянии.

В лаборатории члена-корреспондента АН СССР Б. Дерягина капиллярную трубочку заполнили водяным паром. Затем ее охладили, ожидая, что она замерзнет. Но этого не произошло даже при - 30 °С. Капиллярная вода стала вязкой, как вазелин, и тяжелой - ее плотность выросла чуть ли не в 1,5 раза. Другая неожиданность: наивысшей плотности эта вода достигала при минусовых температурах, нарушив таким образом, свое обычное "правило" - приобретать это состояние при + 4 °С. При - 70 °С в капиллярах образовался не лед, а некоторое стекловидное вещество.

Свойства воды в четвертом состоянии помогли ученым, в частности, объяснить необыкновенную морозостойкость ранних цветов - ведь животворные соки, не замерзая, поднимаются по капиллярам почвы, а затем и растений.

Некогда на экранах шел кинофильм "Горячий снег". С точки зрения физиков, исследующих воду, это название нисколько не противоречит природе: существует даже "горячий лед". Он получен из обычной воды, оказавшейся под давлением 2 тыс. МПа. Конечно, это лед не в обычном смысле, а вещество, обладающее характерной для льда кристаллической структурой. Чтобы растопить это вещество, необходимо нагреть его до 80 °С.

Чтобы выпарить один грамм воды, кипящей при 100 °C, необходимо затратить более полтысячи калорий (1 кал = 4,18 Дж). Это аномально много по сравнению с другими жидкостями. Но и хорошо! Иначе бы высохли все реки и водоемы, дождь не достигал бы земли, если бы вода вела себя в этом смысле нормально, иными словами, ее теплота преобразования была бы значительно ниже.

Чем же объясняются "чудачества" простой воды, список которых можно было бы продолжать довольно долго?

Начнем с того, что вода состоит из водорода и кислорода. Оба элемента очень "странные", и мы можем определенно сказать, что "яблоко от яблони недалеко падает".

Водород - единственный в своем роде элемент. Он не имеет ни одной электронной оболочки, которая была бы полностью заполнена. Устроен он просто: один протон и один электрон, что и делает его необычным. Атом водорода, присоединив к себе другой атом, скажем фтора, обладает способностью дополнительного притяжения. Он создает так называемые "водородные связи". Это свойство водорода очень важно для образования структур больших белковых молекул и нуклеиновых кислот - именно того, что составляет основу "живого вещества".

Кислород также ведет себя необычно. Он один из наиболее активных элементов в природе: атакует все атомы, способные отдавать электроны.

Соединение двух "чудаков" - кислорода и водорода - в молекулу Н₂O и приводит к "чудачествам" воды.

Оригинальное объяснение аномалиям воды дали сотрудники лаборатории бионики Казанского университета. Начать исследования их побудили эксперименты с талой водой. Если поить ею сельскохозяйственных животных, то они быстро растут.

Какие физические свойства присущи талой воде? Было известно, что она находится в неравновесном состоянии - в ней заключено больше энергии, нежели в обычной. Это все равно, что сравнить, грубо конечно, кусок антрацита с куском бурого угля - при сжигании первый выделит больше тепла.

Ученые объяснили это двумя различными состояниями воды.

Здесь нам придется сделать небольшое отступление, чтобы объяснить, что такое "спин". Это слово происходит от английского "вращаться, вертеться" - имеется в виду, что элементарные частицы или ядра атомов вращаются. В качестве сравнения можно выбрать вращающийся шарик. Каждая частица этого шарика имеет определенную скорость v и какую-то массу m. Произведение mv дает нам количество движения частиц - понятие, известное старшеклассникам. Но умножив mv на r - расстояние частицы от центра шарика, мы получим новую величину - момент количества движения. Суммировав эти величины для всех частиц, узнаем момент количества всего шарика. Уподобив его ядру водорода - протону, мы условно представим себе, что такое спин - момент количества движения протона.

Под влиянием каких-то посторонних сил ядро водорода может начать вращаться в обратную сторону. Оно, конечно, не способно остановиться, а потом вновь завертеться - в природе подобных остановок не бывает. Просто ось, вокруг которой вращается "шарик", меняет свою ориентировку в пространстве - перевертывается. Это явление называется переориентировкой спина, если речь идет об элементарных частицах или ядрах атомов. Спины протонов, которые входят в состав молекул воды, могут быть направлены в сторону (это так называемая ортовода) и в противоположные стороны (это паравода).

Так вот, обычная вода примерно на три четверти состоит из первой и на четверть из второй. При замораживании соотношение меняется - параводы становится больше. И талая вода уже заметно отличается от той, которую предварительно не замораживали.

Потом разновесие начинает восстанавливаться. Считалось, что мгновенно - во всяком случае, к этому склонялись большинство ученых. Не может ведь вода долго находиться в таком неустойчивом состоянии, говорили они. В лаборатории решили, что может, и даже на протяжении многих часов. Сразу же после размораживания различие между неравновесной (талой) и равновесной водой выражается в 150 Дж/моль. Через сутки эта величина уменьшается вдвое, еще через сутки - снова вдвое и т. д., пока вода не станет равновесной. Таким образом, вода действительно приобретает обычные свойства не вдруг, не быстро, а постепенно. В этом, вероятно, и скрыта загадка талой воды. Она энергетически более активна, чем обычная.

То же объяснение выдвигается и для эффекта магнитной воды. Ведь известно, как она удивила в свое время и продолжает Удивлять ученый мир. Вода, прошедшая через магнитное поле, не дает накипи в котлах. Осадок в виде рыхлой массы падает на дно и выносится наружу. Не нужно строить очистительных сооружений, использовать химикаты, фильтры. Тем же способом можно улучшить обогащение руд. А бетон благодаря магнитной воде становится прочнее.

Гипотеза казанских ученых подтверждает, что и в данном случае происходит смещение равновесия воды - только не так далеко, как в талой. После магнитной обработки лишь на несколько процентов становится больше одной из разновидностей. Остроумные эксперименты подтвердили и это предположение.

Развивая свою идею, ученые пришли к мысли о том, что механизм мышления человека также можно объяснить уникальными свойствами молекулы Н₂O. Так что слова А. де Сент-Экзюпери о воде: "Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты - сама жизнь... Ты самое большое богатство в мире", сегодня получают дополнительные подтверждения.

К этому можно добавить; вода - самое распространенное на Земле полезное ископаемое, самое загадочное.