+7 (3519) 20 29 23
+7 (3519) 20 40 82

главная

контакты
Яндекс.Метрика

Алхимия жизни: вода

Молекула Н2О электрически активна: с одной стороны у нее- положительно заряженные атомы водорода, с другой - отрицательно заряженные облака электронов.

Можно углубиться в дебри описания этого удивительного соединения, как это делает квантовая механика. Но лучше взять игровой вариант, представив себе молекулу воды в виде человечка. Его кисти рук - это атомы водорода, лодыжки - свободные пары электронов кислорода. Если расставить ноги (так, чтобы угол между ними равнялся 1090) и повернуться в бедрах на 900 , потом вытянуть руки в стороны - получится как раз Н2О. Теперь надо дотронуться руками до лодыжек других участников игры - и перед вами водородные мосты.

Однако молекулы Н2О остаются на своих местах только в замороженном состоянии. В жидкой форме они исполняют дикий танец: если перевести на предложенный игровой язык - все время носятся в сумасшедшем темпе, отпускают лодыжки и хватают новые.

По этому принципу в капле воды мириады частиц образуют бесконечную сеть из тетраэдров. Водородные мосты организуют порядок. При этом они гибки и податливы. Это обеспечивает вариативность воды. Особая водородномостовая клейковина - причина того, почему Н2О в сравнении с другими химически родственными веществами имеет необыкновенно высокую точку кипения - и таяния. И почему эта субстанция способна аккумулировать так много тепла: огромное количество энергии попадает на водородные мосты и разрушает их. При охлаждении соединения снова восстанавливаются.

В результате много месячных подсчетов суперкомпьютеру удалась симуляция того, как при замерзании из хаоса образуется порядок. Поначалу частички Н2О носятся друг за другом как ошпаренные. Затем возникает кристаллическое ядро. Оно растет. В конце концов, почти все молекулы воды находят свое место в регулярной сетке.

Необыкновенная легкость льда связана с тем, что водородные мосты сплетают молекулы воды в кристалле в объемные сети, так что между частицами остается много места. Если "водные акробаты" сгрудятся слишком тесно, им уже будет неудобно хватать друг друга за лодыжки, им придется сгибаться и вертеться. При таянии регулярная сеть частично разрывается, промежутки соединяются. Превращаясь в жидкость, вода становится плотнее.

Объяснение ненормальной вязкости - уменьшение при росте давления - ученые нашли, когда пристально рассмотрели сеть водородных мостов в компьютерной модели. Было установлено, что молекулы воды, у которых ровно четыре соседа, то есть ненарушенное тетраэдрное окружение, двигаются чрезвычайно медленно, так как их связи очень прочны. Давление сжимает молекулы и придвигает пятого соседа. Может возникнуть вилка водородного моста, который будет перекинут к новому соседу так, будто одна рука водяного танцора захватила сразу две лодыжки. Кроме того, понижается тормозной порог в освобождении от старых партнеров и поиске новых. Присутствие пятого соседа делает молекулу воды более подвижной, а жидкость менее вязкой.

Ну наконец все понятно, вздохнем с облегчением. Отнюдь нет. Все более или менее определено в общих чертах, детали совершенно не ясны. Физики и химики пока не умеют производить точные измерения необыкновенных свойств воды. Может быть, это связано с тем, что бытует ложное представление о базовой структуре Н2О.

Мы привыкли к детальным фотографиям микромира, четким снимкам молекул ДНК и даже отдельных атомов. Но почему такие изображения нельзя получить для обыкновенной воды? Потому что в жидком состоянии она необыкновенно динамична, отдельные молекулы подвижны, как ртуть, и стремительно меняют свои мосты к соседям. А еще легкие атомы водорода очень трудно "сфотографировать".

В 2004 году в научном сообществе разгорелась жаркая дискуссия о том, каким образом организованы молекулы в жидкости. Традиционно считалось, что в среднем они образуют три с половиной водородных моста - потому, что целая четырехугольная сеть в жидком состоянии частично рвется. Однако, некоторые ученые утверждают, что таких мостов всего два - остальные значительно слабее или вообще разрушены. Будь это так, оказалось бы, что частицы Н2О образуют цепи и кольца с водородным мостом со стороны кислорода и другой со стороны водорода. А вовсе не сетку, как считало большинство до сих пор.

Необычные результаты были получены группой таких "вольнодумцев" в лаборатории синхротронного излучения Стэнфордского университета, которую возглавляет швед Андерс Нильсон. "Сначала мы сами не поверили в такие отклонения", - вспоминает он.

Необходима была особенная осторожность в интерпретации полученных данных, так как исследовательская группа впервые использовала новую методику - так называемую рентгеноабсорбирующую спектроскопию. При этом исследователи облучали пробу воды высокоэнергетичным светом, часть которого поглощали атомы кислорода. Абсорбированное количество позволяет сделать выводы о химическом окружении атома - и, таким образом, также в водородных мостах.

Некоторым покажется, что этот спор выеденного яйца не стоит. Кольца, цепи или сетки - какая разница? Но нельзя забывать, что структура воды - это ключ к пониманию ее поведения, фундамент, на котором исследователи пытаются реконструировать свойства этого загадочного вещества.

Пока не стоит торопиться переписывать учебники - опыты продолжаются. Среди контейнеров, пучков кабеля, обмотанных алюминиевой фольгой проводов и жужжащих вакуумных насосов ученые установили массивный стальной сосуд. В него вставлена тонкая трубка, по которой поступает сильное излучение. Световой луч направлен на пробу воды, взятой из-под крана. В будущем исследователи собираются просветить, таким образом, лед, чтобы составить представление о водородных мостах в воде в кристаллическом состоянии.

Прежде чем будут устранены противоречия относительно базовой структуры Н2О, должно, видимо, пройти некоторое время. Но один урок можно извлечь уже сейчас: наша давняя знакомая вода крайне неохотно выдает свои тайны. И нас еще ждет немало сюрпризов. В том числе на пути исследования природы воды в клетках человеческого организма.

Жизнь возникла в океане, и мы буквально созданы из воды: человеческий организм почти на две трети состоит из этого вещества, мозг - 77%, мускулы - на целых 80%. Но где же она сосредотачивается? Почему мы не похожи на термосы, доверху наполненные водой?

Причина в том, что вода в организме претерпевает своего рода трансформацию личности. Она не плещется в клетках туда-сюда, и там ничего не плавает. Правильнее представить себе желе. И желе это просто потрясающее! Оно сдобрено множеством белков, солей аминокислот, сахаров, жиров, а также генной субстанцией ДНК. При этом Н2О занимает лишь узкие промежутки между объемными химическими структурами. Заключенное в такие узкие рамки вещество может изменить свои свойства: вода по-другому "замерзает", возникают необычные силы притяжения и отталкивания.

Пока детали процессов, происходящих в этом тесном мире, во многом остаются загадкой. У ученых нет согласия даже в вопросе о природе клеточной воды. Одно несомненно: вода чрезвычайно важна для структуры, динамики и функции белков. Без этой маленькой молекулы могущественные белки - будь то энзимы, строительные элементы тканей, такие как коллаген, или антитела иммунной системы - не смогли бы образовать свои специфическое трехмерные формы. А это совершенно необходимо для реализации их функций.

На биомеханической сцене вода - отнюдь не декорация, перед которой разыгрывается действие. Правильнее всего сравнение с исполнителем главной роли. Ее можно также назвать мельчайшей биомолекулой.

Если поместить капли на предметное стекло и подвергнуть воздействию колебаний, например. Мембраны динамика, они образуют формы и узоры, напоминающие представителей животного и растительного мира.

Интересные факты:

- Запасы пресной воды составляют лишь 2,5% общего количества H2О на Земле.
- Более половины все потребляемой воды приходится на долю Азии.
- Самое безводное место на планете - пустыня Атакама в Чили.
- Ежедневно в московский водопровод закачивается около 4,5 млн куб. метров воды.
- Каждый москвич потребляет в среднем за сутки около 280 литров водопроводной воды, притом, что житель Западной Европы - лишь 150 литров.

Концепция, которую разработали исследователи оперирует двумя понятиями - "гидрофильный" и "гидрофобный". Они знакомы каждому из повседневной жизни: так, сахар растворяется в H2О в больших количествах - его молекулы гидрофильны, любят воду. И напротив, масло отталкивается от воды- оно гидрофобно, не любит воды.

Способ складывания белков в структуру определяется последовательностями отдельных строительных элементов, аминокислот. Некоторые аминокислоты несут придатки - электрически заряженные группы - и легко смешиваются с водой, то есть гидрофильны. Другие, напротив, ведут себя гидрофобно. В белковой цепочке гидрофильные участки чередуются с гидрофобными.

Вода отторгает гидрофобные отрезки и заставляет их группироваться с себе подобными - примерно так жир образует в супе маслянистые пятна. При этом белки складываются точно определенным образом.

Белки же в свою очередь, сами видоизменяют воду. Недавно ученым удалось доказать это с помощью рентгеновского нейтронного излучения и компьютерного моделирования. Как выяснилось в ходе экспериментов, два-три слоя молекул H2O на поверхности белков ведут себя весьма необычно. Они примерно на 10% плотнее сгруппированы и двигаются в два-три раза медленнее, чем "нормальные" частицы воды.

Но молекулы H2O предназначены не только для того, что бы формировать белковые структуры: без их помощи белки вообще не могли бы функционировать. Сколько же воды нужно одному энзиму, призванному ускорять биохимическую реакцию, чтобы то начал действовать? Ученые исследовали это в компьютерной модели на примере стафилококковой бактерии. При этом выяснилось, что энзимный механизм запускается, когда частицы воды покрывают 60-70 % поверхности.

Для чего же вообще нужна эта жидкая оболочка? Биохимики утверждают, что частицы воды необходимы биомолекуле так же, как машинное масло необходимо двигателю внутреннего сгорания - для смазки. Вода помогает субстанциям попасть в "доки" энзима, где они будут расщеплены, объединены с другими или снабжены придатком.

Вода служит переносчиком протонов: она собирает положительно заряженные атомы водорода - протоны - и сгребает их к "верстакам" энзимов, где они используются в реакции превращения.

Чем больше ученые постигают молекулярный механизм, тем яснее становится, насколько незаменима вода для его функционирования. Наряду с белками, это касается также и носителя наследственной информации-молекулы ДНК. Ее цепочкам требуется вода - в количестве около трети их веса, чтобы они приняли и сохранили знаменитую форму двойного спирального плетения.

Вода также заставляет скапливаться у мембран жирообразные, гидрофобные элементы и таким образом позволяет клеткам образовать барьер, сохранив и защитив внутреннюю часть от вредных воздействий окружающей среды.

Однако изыскания в области взаимного влияния воды и биомолекул имеют не только чисто научный интерес, в этом есть и практический смысл. Так фармацевты пробуют помещать лекарственные вещества, в частности белки, в "наноконтейнеры" - крохотные шарики. Величина, форма и содержание воды в этих оболочках имеют решающее значение для действенности медикамента. Вода настолько идеально подходит для удовлетворения всех нужд жизни, что кажется, будто она создана по какому-то сверхпродуманному плану. Однако биологи предпочитают говорить не о замысле Творца, а о случайности: они считают, что благодаря счастливому стечению обстоятельств, законы природы и естественные условия дали образоваться молекуле H2О, причем, у нее оказались именно те свойства, которые позволили жить разумным существам,- а они, в свою очередь, со временем принялись исследовать воду и разгадывать ее тайны.

Вода многолика и противоречива. В жидкой форме она источник жизни, эликсир органического мира; в кристаллическом же состоянии останавливает живые процессы, во льду почти все замирает.

Снежинки "были слишком регулярны - в такой степени, которая неприемлема для призванной к жизни субстанции", - такая мысль приходит в романе Томаса Касторпу. "Жизнь вгоняло в ужас от этой точной правильности, жизнь воспринимала эту правильность как смертельную, более того, как тайну самой смерти". Но одновременно он восхищается "мириадами чудесных звездочек, из которых ни одна в своем невидимом человеческом глазу миниатюрном великолепии не походила на другую".

Ученые, изучающие твердые формы H2О, приходят в неменьший восторг. Красота и многообразие микроскопических форм отражается на молекулярном уровне. Варианты кристаллов частиц H2О демонстрируют сложность и изысканность, которую нельзя сравнить ни с одной молекулой.

Первые "путешествия" по ледяным кристаллам предпринимали в 1920-е годы преподававший в Геттингене Густав Тамман и, прежде всего, американский физик и позднее нобелевский лауреат Перси Бриджмен, который проводил в Гарвардском университете опыты с высоким давлением. Они обнаружили, что лед в зависимости от температуры и давления - имеет различную структуру.

Сейчас, как уже говорилось, нам известно 15 типов кристаллов. О двух последних на сегодняшний день открытиях сообщил в марте 2006 года профессор Кристоф Зальцман из Оксфордского университета. Так называемая фазодиаграмма, на которой ученые отмечают области существования различных вариантов, похожа на лоскутное одеяло. Так что перспективы открыть еще не одно такое "карликовое государство" вполне реальны.

Без малейшего усилия мы скользим на коньках по льду. Почему нам это удается , непонятно. Ведь веса нашего тела недостаточно для того, чтобы растопить своим давлением превратившуюся в кристаллы H2О. ряд исследователей предполагает, что на поверхности льда всегда остается тончайший слой жидкости.

Исследование льда представляет собой не только теоретический интерес. Новые данные могут, помимо прочего, послужить развитию криобиологии - улучшить условия консервации холодом биологических тканей.

Исследованием льда уже давно занимается Томас Лертинг из Института общей, неорганической и теоретической химии при университете Инсбрука. Здесь с 1980 года химики подвергают воду различным испытаниям: сжимают, быстро охлаждают, распыляют в вакууме и замораживают на металлических сосульках.

В техническом университете Мюнхена исследователи отправляют всевозможные материалы кататься по льду на вращающемся со скоростью 120км/ч круге. И замеряют при этом их силу трения. Так они надеются досконально изучить физику скольжения и изготовить идеальные коньки.

"Даже при нормальном давлении существует две формы льда", - объясняет Лертинг. Так называемый гексагональный и кубический лед, которые обозначают соответственно как лед Ih и Ic, имеют различную устойчивость. На Земле существует почти исключительно гексагональный лед. Из него состоят снежинки, кубики льда в стакане с виски, это лед, покрывающий озера и пруды. Его частицы образуют шестиугольную структуру - снежинки демонстрируют бесконечное разнообразие таких форм.

В основе другого варианта - куб. Такие кристаллы имеют кубическую форму. Но они встречаются только в исключительных условиях, например, на больших высотах земной атмосферы, где царит смертельный холод: ученые собирали такой лед с самолета.

Оба варианта объединяет одно свойство: объемность. Причина заключается в водородных мостах. Когда дикий танец, который исполняют молекулы воды в жидком состоянии в регулярную решетку. "Водяные акробаты" застывают с расставленными руками и ногами, при этом образуется довольно много пространства.

Если обычный лед подвергнуть давлению извне, решетки вдвигаются друг в друга. Сначала сгибаются водородные мосты, трехмерная сетка трансформируется в два плетения, при этом одно заполняет "лишнее" пространство другого. Если эту субстанцию продолжать сжимать, атомы сдвинутся так близко друг к другу, что водородные мосты перестанут отличаться от "нормальных" соединений. Это происходит при увеличении атмосферного давления в 600 000 раз. Кубический сантиметр такого льда Х весит 2,51 грамма, почти в три раза больше, чем стандартный гексагональный вариант.

Непросто учесть все возможные виды кристаллических сортов льда. А вода способна еще образовывать и стекловидные или аморфные формы. И они - далеко не редкость. 99,9% льда в космосе находится в аморфной форме, считают ученые. Он покрывает частицы пыли в межзвездном пространстве, входит в состав комет.

Чем же отличаются кристаллические и аморфные виды друг от друга? Своим внутренним устройством: в кристалле молекулы воды организованы регулярным образом во всех направлениях с одинаковыми промежутками, тогда как в аморфном состоянии они хаотичны также, как в жидком, - будто жидкость мгновенно застыла. Самый известный представитель такой формы материи встречается на обычном оконном стекле.

Причем, по мнению ученых, именно такой , как на окне, лед заложил основу жизни на Земле. Его гибкая структура позволяет высвобождаться таким элементам, как азот, кислород и углерод, которые вступают в реакцию друг с другом, образуя простые биомолекулы. Считается, что эти органические элементы прибыли на нашу планету с кометами на заре существования Солнечной системы. На Земле универсальный стекловидный лед можно получить, если за сотые доли секунды уменьшить температуру на сотни градусов Цельсия. А еще в прессе высокого давления, как в инсбрукской лаборатории. Полученный там под давлением в 90 000 атмосфер при резком охлаждении кусочек льда - HAD (high-density amorphous ice). Внешне он ничем не отличается от обычного, но если бросить его в стакан с водой, он потонет, потому что тяжелее.

При нагревании HAD демонстрирует новые удивительные свойства, благодаря которым заслужил прозвище " льда-попкорна". Вот, словно кукурузное зернышко на сковородке, лопается капсула из металла индиума, в которую заключена проба воды в прессе, и оттуда вытекает густая субстанция: HAD превратился в еще один вариант стекловидного льда, который из-за своей небольшой плотности получил название LDA(low-density amorphous ice).

Но и это отнюдь не предел. У воды в запасе еще много сюрпризов. Когда ученые немного нагрели HAD в прессе, увеличив температуру с -1960С до 1050С, проба сжалась. Это противоречит всем общепринятым представлениям, ведь считается, что вещества при увеличении температуры должны расширяться. Но инсбуркские исследователи утверждают, что просто они открыли третий вариант стекловидного льда - VHDA(very - high - density amorphous ice).

Может быть, открытие HAD и LDA поможет исследователям разгадать главную загадку воды - найти "вторую критическую точку".

Критическая точка - весьма любопытное явление, здесь нарушаются границы. Из того, что было разделено, образуется единое целое. Лучше всего это можно понять на примере кастрюли с кипящей водой. Сначала в ней находится жидкая, а над ней - газообразная вода (пар). Чем выше градус, тем меньше плотность жидкости, при этом плотность газа увеличивается. Наступает момент, когда между жидкостью и газом нет различия. Это удивительное состояние наступает для воды при 3740С и давлении в 221 атмосферу.

Ученые считают, что при низких температурах тоже должна существовать такая точка. В экспериментальных условиях удается понизить температуру воды до - 380С,причем она не замерзает. Это кажется полной фантастикой, но на самом деле это не такой редкий феномен. В перистых облаках, которые часто парят в атмосфере на высоте нескольких километров над землей, вода в виде капель остается жидкой примерно при такой температуре. При понижении температуры "переохлажденная вода" ведет себя все более странным образом.

Процесс, утверждают ученые, достигает максимума при минус 50-1000С и давлении в 2000 атмосфер. Именно в этом диапазоне должна находиться вторая критическая точка. Ниже этой отметки, согласно теории, существуют два сорта жидкой воды с различной плотностью. А выше - эти варианты неразличимы. Две формы льда - HAD и LDA, как полагают, соответствуют именно этим двум жидким формам после их резкой заморозки.

Это не укладывается в голове: получается, что в одном температурном диапазоне ( в котором, несмотря на все ухищрения экспериментаторов, капли воды всегда застывают) должны существовать несколько форм жидкой воды?

Но ученых не смущает обывательский скепсис, они продолжают как одержимые искать вторую критическую точку, надеясь найти объяснение многим аномалиям воды. А некоторые уверены, что существует еще и третья, и четвертая точки…

Одно определенно - вода еще долго не даст покоя исследователям. Удивительно, что столь прозрачное вещество так трудно рассмотреть во всех деталях.

Copyright © «Системы очистки воды», 2022, г.Магнитогорск.