Вода - найзагадковіше речовина в природі, що володіє унікальними властивостями, які не тільки ще повністю не пояснені, але далеко не всі відомі. Чим довше її вивчають, тим більше знаходять нових аномалій і загадок в ній. Більшість з цих аномалій, що забезпечують можливість життя на Землі, пояснюються наявністю між молекулами води водневих зв'язків, які багато сильніше вандерваальсовскіх сил тяжіння між молекулами інших речовин, але на порядок величини слабкіше іонних і ковалентних зв'язків між атомами в молекулах. До теперішнього часу більше вивчені лід і водяна пара, ніж вода, щодо якої у дослідників до сих пір немає навіть єдиної думки про її структурі, хоча кристалічна структура льоду давно добре вивчена.
Мал. Будова молекули води. Геометрична схема (а), плоска модель (б) і просторова електронна структура (в) мономера H2 O. Два з чотирьох електронів зовнішньої оболонки атома кисню беруть участь в створенні ковалентних зв'язків з атомами водню, а два інших утворюють сильно витягнуті електронні орбіти, площина яких перпендикулярна площині Н-О-Н.
Питома теплоємність води найбільша серед усіх речовин. Крім того, вона в 2 рази вище, ніж у льоду, в той час як у більшості простих речовин (наприклад, металів) в процесі плавлення теплоємність практично не змінюється, а у речовин з багатоатомних молекул вона, як правило, зменшується при плавленні.
Мал. Водневі зв'язки між молекулами води
Більшість дослідників пояснюють аномально високу теплоємність рідкої води тим, що при плавленні льоду його кристалічна структура руйнується не відразу. У рідкої воді зберігаються водневі зв'язки між молекулами. У ній залишаються як би уламки льоду - асоціати з великого чи меншого числа молекул води. Однак на відміну від льоду кожен ассоциат існує недовго. Постійно відбувається руйнування одних і утворення інших ассоциатов. При кожному значенні температури в воді встановлюється своє динамічна рівновага в цьому процесі. А при нагріванні води частина теплоти витрачається на розрив водневих зв'язків в асоціати. При цьому на розрив кожної зв'язку витрачається 0,26-0,5 еВ. Цим і пояснюється аномально висока теплоємність води в порівнянні з розплавами інших речовин, що не утворюють водневих зв'язків. При нагріванні таких розплавів енергія витрачається тільки на повідомлення теплових рухів їх атомам або молекулам. Водневі зв'язки між молекулами води повністю розриваються тільки при переході води в пару. На правильність такої точки зору вказує і та обставина, що питома теплоємність водяної пари при 100 ° С практично збігається з питомою теплоємністю льоду при 0 ° С.
Мал. Кристалічна структура льоду: молекули води з'єднані в правильні шестикутники
Але існує й інша точка зору на природу аномально високій теплоємності води. Професор Г. Н. Зацепіна в своїй помітила, що молярна теплоємність води, яка складає 18 кап / (моль o град), точно дорівнює теоретичної молярної теплоємності твердого тіла з трехатомного кристалами. А відповідно до закону Дюлонга і Пті атомні теплоємності всіх хімічно простих (одноатомних) кристалічних тіл при досить високій температурі однакові і рівні 6 калДмоль o град). А для трьохатомних, в граммоле яких міститься 3 NA вузлів кристалічної решітки, - в 3 рази більше. (Тут NA - число Авогадро).
Мал. Кристалічна решітка льоду. Молекули води H2 O (чорні кульки) в її вузлах розташовані так, що кожна має чотирьох "сусідок".
Звідси випливає, що вода є як би кристалічним тілом, що складається з трьохатомних молекул Н2 0. Це відповідає поширеному уявленню про воду як суміші кристалоподібні ассоциатов з невеликою домішкою вільних молекул H2 O води між ними, число яких зростає з підвищенням температури. З цієї точки зору викликає здивування невисока теплоємність рідкої води, а низька твердого льоду. Зменшення питомої теплоємності води при замерзанні пояснюється відсутністю поперечних теплових коливань атомів в жорсткій кристалічній решітці льоду, де у кожного протона, що обумовлює водневу зв'язок, залишається тільки одна ступінь свободи для теплових коливань замість трьох.
Мал. Окремий кластер води
Мал. Кластери з молекул води утворюють асоціати
Але за рахунок чого і як можуть відбуватися настільки великі зміни теплоємності води без відповідних змін тиску? Щоб відповісти на це питання, познайомимося з гіпотезою кандидата геолого-мінералогічних наук Ю. А. Коляснікова про структуру води.
Він вказує, що ще першовідкривачі водневих зв'язків Дж. Бернал і Р. Фаулер в 1932 р порівнювали структуру рідкої води з кристалічною структурою кварцу, і стверджує, що ті асоціати, про які говорилося вище, - це в основному тетрамери 4Н2 0, в яких чотири молекули води з'єднані в компактний тетраедр з дванадцятьма внутрішніми водневими зв'язками. В результаті утворюється чотиригранна піраміда - тетраедр.
Водневі зв'язки в цих тетрамера, стверджує Колясніков, можуть утворювати як правотак і левовінтовую послідовності, подібно до того, як кристали широко розповсюдженого кварцу (Si02), теж мають тетраедричних структуру, бувають правоі ліво-обертальної кристалічної форм. Оскільки кожен такий тетрамер води має ще й чотири незадіяні зовнішні водневі зв'язку (як у однієї молекули води), то тетрамери можуть з'єднуватися цими зовнішніми зв'язками в свого роду полімерні ланцюжки. А оскільки зовнішніх зв'язків всього чотири, а внутрішніх - в 3 рази більше, то це дозволяє важким і міцним тетрамера в рідкій воді згинати, повертати і навіть надломлювати ці ослаблені тепловими коливаннями зовнішні водневі зв'язку. Це і обумовлює плинність води.
Таку структуру вода, на думку Коляснікова, має тільки в рідкому стані і, можливо, частково в пароподібному. А ось в льоду, кристалічна структура, якого добре вивчена, тетрагідролі з'єднані між собою негнучкими равнопрочность прямими водневими зв'язками в ажурний каркас з великими порожнечами в ньому, що робить щільність льоду менше щільності води.
Коли ж лід тане, частина водневих зв'язків в ньому слабшає і згинається, що веде до перебудови структури в вищеописані тетрамери і робить рідку воду більш щільною, ніж лід. При 4 ° С настає стан, коли все водневі зв'язку між тетрамерами максимально зігнуті, ніж і обумовлюється максимум щільності води при цій температурі. Далі зв'язків гнутися нікуди.
При температурі вище 4 ° С, стверджує Колясніков, починається розривання окремих зв'язків між тетрамерами, і при 36-37 ° С виявляється розірвана половина зовнішніх водневих зв'язків. Це і визначає мінімум на кривій залежності питомої теплоємності води від температури. При температурі ж 70 ° С розірвані вже майже все межтетрамерние зв'язку, і поряд з вільними тетрамерами в воді залишаються тільки короткі уривки "полімерних" ланцюжків з них. Нарешті при кипінні води відбувається остаточний розрив тепер уже одиночних тетрамеров на окремі молекули Н20. І та обставина, що питома теплота випаровування води рівно в 3 рази більше суми питомих теплот плавлення льоду і подальшого нагрівання води до 100 ° С, є підтвердженням припущення Коляснікова про те. що число внутрішніх зв'язків в тетрамере в 3 рази більше числа зовнішніх.
Колясніков вважає, що така тетраедрально-гвинтова структура води обумовлена її давньої реологічні зв'язком з кварцом і іншими кремнекислородних мінералами, переважаючими в земній корі, з надр якої колись з'явилася вода на Землі. Як маленький кристалик солі змушує навколишній розчин кристалізуватися в подібні йому кристали, а не в інші, так кварц змусив молекули води вибудовуватися в тетраедричних структури, які, енергетично найвигідніші. А в нашу епоху в земній атмосфері водяна пара, конденсуючись в краплі, утворюють таку структуру тому, що в атмосфері завжди присутні дрібні крапельки аерозольної води, яка вже має цю структуру. Вони і є центрами конденсації водяної пари в атмосфері.
Мал. Елементарний правильний кремені-кисневий тетраедр SiO4 4.
Мал. Елементарні кремнекіслородние одиниці-ортогруппи SiO4 4 в структурі Mg-пироксена енстатіт (а) і діортогруппи Si2 O7 6 в Са-піроксеноіде Волластона (б).
Мал. Найважливіші типи кремнекислородних цепочечних аніонних угруповань (по Бєлову). а-метагерманатная, б - піроксенових, в - батісітовая, г-волластонітовая, д-власовітовая, е-мелілітовая, ж-Родонітовой, з-піроксмангітовая, і-метафосфатная, к-фтороберіллатная, л - барілітовая.
Мал. Конденсація піроксенових кремнекислородних аніонів в стрічкові дворядні амфіболові (а), трьохрядні амфіболоподобние (б), шаруваті тальку і близькі їм аніони (в).
Мал. Найважливіші типи стрічкових кремнекислородних угруповань (по Бєлову): а - сілліманітовая, амфіболового, ксонотлітовая; б-епідідімітовая; в-ортоклазовая; г-нарсарсукітовая; д-фенакітовая призматическая; е-евклазовая інкрустована.
Мал. Фрагмент (елементарний пакет) шаруватою кристалічною структури мусковита KAl2 (AlSi3 O10 XOH) 2, який ілюструє переслаивание алюмокремне-кисневих сіток з поліедріческіх шарами великих катіонів алюмінію і калію.
У гіпотезі Коляснікова цікаво ще й те, що з неї випливає рівноймовірно існування право - і левовінтовой води. Але біологами давно помічено, що в біологічних тканинах і структурах спостерігаються тільки або ліво -, або правовінтовую освіти. Приклад тому - білкові молекули, побудовані тільки з ліво-гвинтових амінокислот і закручені тільки по левовінтовой спіралі. А ось цукру в живій природі - все тільки правовінтовую. Ніхто поки не зміг пояснити, чому в живій природі виявляється таке перевагу до лівого в одних випадках і до правого - в інших. Адже в неживій природі з однаковою ймовірністю зустрічаються як право-, так і левовінтовие молекули.
Розчини цукрів у воді поводяться дуже цікаво. Їх концентрацію визначають, вимірюючи кут повороту площини поляризації світла при проходженні його через розчин. Вона повертається тому, що молекули цукру, як і більшість молекул інших органічних сполук, є в просторі спіральні або квазіспіральние структури, групи атомів в яких розташовані по вершинах тетраедра. У цукрі, що отримується з буряка або очерету, молекули закручені чомусь тільки по правовінтовую спіралі. Тому-то площину поляризації світла, що проходить через розчин такого цукру, повертається вправо, і кут повороту залежить від концентрації цукру в розчині. Цей метод, відкритий французьким фізиком Ж. Біо ще в 1815 р виявився абсолютно непридатним для вимірювання концентрації розчинів штучного цукру, отриманого синтетичним шляхом, бо в тому правоі левовінтовие молекули містяться в рівній мірі.
Як ще в 1848 р довів став потім знаменитим французький бактеріолог Луї Пастер, кристали цих двох типів в штучному цукрі можна відрізнити один від одного під мікроскопом і розділити, обережно відбираючи їх пінцетом. Інший експеримент з цукром полягав в тому, що його розчином годували бактерії. Цукор, отриманий з буряка, бактерії з'їдали повністю. А при харчуванні штучним цукром вони з'їдали тільки половинку. Розчин залишилася половини повертав площину поляризації світла вже в лівому напрямку. Бактерії не споживали левовінтовой цукор! Але як вони розрізняють правовінтовую від левовінтового? Відповіді у біологів до сих пір немає, як немає і відповіді на питання, чому живим структурам властива тільки певна спіральність.
Гіпотеза про структуру води підказує, що ті уривки ланцюжків з тетрамеров, які завжди є в рідкій воді, при її швидкому і нерівномірному в просторі протягом повинні вибудовуватися і витягуватися вздовж ліній струму води, як витягуються водорості в річці вздовж її течії. Тобто їх хаотичне розташування змінюється на впорядковане. При цьому ймовірність того, що кінці ланцюжків тетрамеров випадково зіткнуться один з одним і з'єднаються вільними водневими зв'язками, зростає втричі в порівнянні з неврегульованим розташуванням. Це випливає з законів геометрії. А кожна новостворена воднева зв'язок - це 0,26-0,5 еВ енергії, що виділяється з води.
Треба сказати, що вода - не єдине речовина, здатне утворювати міжмолекулярні водневі зв'язки. Вони характерні і для багатьох органічних сполук. А тому описаний процес полімеризації в вихровому потоці повинен відбуватися і при використанні замість води розчинів органічних сполук.
Це вказує на те, що вода - не єдина рідина, яка може успішно працювати в вихрових теплогенераторах. І дійсно, експерименти показали, що і масла, і дизельне паливо теж придатні для використання в якості робочого тіла вихрового теплогенератора. Але вода і дешевше, і доступніше, і безпечніше в пожежному відношенні. Та й результати, отримані при роботі з нею, поки багато краще, ніж при роботі з іншими рідинами.
Отже, теорія руху вимагає, щоб вода, що приводиться в обертання в вихорі, знайшла можливість виділити у вигляді випромінювань частину свого внутрішньої енергії, а ця вода, утворюючи в вихровому потоці нові міжмолекулярні зв'язки, сама шукає можливість виділити частину своєї внутрішньої енергії, щоб з'явилася необхідна негативна енергія зв'язку!
См.продолженіе в наступній статті сайту.