Аномальные свойства воды

Аномальные свойства воды

Огромная роль воды в жизни  человека и природы послужила  причиной того, что она была одним  из первых соединений, привлекших внимание ученых. Глубокие философские обобщения  привели человечество к необходимости  познания физической и химической природы  воды. Тем не менее, изучение воды еще  далеко не закончено.

Исследование химического  состава воды привело к открытию Генри Кавендишем водорода «горячего  воздуха», рождающего воду, к созданию Джонам Дальтонам атомной теории вещества.

Открытие химического  состава молекулы воды послужило  началом бурному росту науки  о биологической роли воды, об ее лечебно-профилактическом использовании.

Вода выступала катализаторам  развития многих фундаментальных научных  дисциплин. Вспомним также о ее причастности к ядерной физике в виде тяжелой  и сверхтяжелой воды. В настоящее  время наступила эра всеобщего  изучения роли воды в нормальных и  патологических процессах жизни, которую  можно назвать эрой водной биологии и медицины.

Современному представлению  о строении молекулы воды и водных растворов предшествовал бурный период научных и экспериментальных  изысканий, подчас противоречивых и  трудно воспроизводимых.

Это и химическая теория Д.И. Менделеева, и теория непрерывности  газового и жидкого состояния  Ван-дер-Ваальса, и гидрольная теория У. Рамзая и Дж. Шильдса, и рентгенографический метод исследования Лауэ, и постулат Дебая о близости структуры жидкого состояния воды к твердой фазе на границе температурного раздела лед-вода и ряд других теорий. Однако в конце концов основные черты строения молекулы воды были расшифрованы. Как же сейчас мы представляем себе строение воды?

Начнем с элементарного  — со строения молекулы воды, состоящей  из двух атомов водорода (Н1) и одного атома кислорода (О18). Оказывается, все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельно рассматриваемой молекуле воды ядра водорода и кислорода так расположены друг относительно друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник — со сравнительно крупным ядром кислорода в вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания (рис. 1, а).

Puc. 1. Строение молекулы воды:

а) — угол между связями  О-Н, б) — структура электронного облака молекулы, в) — расположение полюсов заряда.

Электронное облако молекулы, образованное пятью парами электронов, схематически распределено так (рис. 1, б), что внутренняя пара окружает ядро кислорода, две внешние пары неравномерно поделены между ядрами кислорода  и водорода, тяготея больше к кислороду, а остальные две пары кислород не делит с водородом, и их заряды остаются частично нескомпенсированными. Таким образом, в молекуле воды оказывается четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных — вследствие недостатка электронной плотности у несколько оголенных ядер водорода — протонов.

Эти заряды можно условно  представить расположенными в вершинах частично искаженного тетраэдра (рис. 1, в). Вследствие такой асимметричности  распределения электрических зарядов  молекула воды обладает ярко выраженными  полярными свойствами: она является диполем с высоким дипольным  моментом — 1,87 Дебая. На рис. 2 показана схема образования молекулы воды.

Рис. 2. Образование молекулы воды.

Как видно на рис. 2, у одного атома кислорода и двух атомов водорода (а) появляются общие электроны, образующие прочную ковалентную  связь (б). Если два протона водорода молекулы воды вращаются в одну сторону, то вода называется параводой, в разные стороны — ортоводой.

В обыкновенной воде 3/4 ортоводы. Ряд ученых предполагает, что соотношение орто- и параводы в клетке имеет регуляторное значение. Если строение молекулы воды в общих чертах установлено, то структура воды по-прежнему остается загадкой.

Исследуя воду и, особенно ее водные растворы, ученые раз за разом  убеждались, что вода обладает ненормальными  — аномальными свойствами, присущими  только ей, ее Величеству — Воде, подарившей нам Жизнь и возможность мыслить. Мы даже и не подозреваем, что столь  привычные и естественные свойства воды в природе, в различных технологиях, наконец, в обыденной жизни нашей  являются уникальными и неповторимыми.

Ученые согласны в том, что вода является одним из самых  трудных объектов исследования, так  как прежде всего в воде всегда есть примеси и что она обладает кооперативным характером взаимодействия ее молекул.