Книга: Планета бурь

Живая и мертвая, тяжелая и легкая

Живая и мертвая, тяжелая и легкая

Вода – самое распространенное и в то же время самое ценное «ископаемое минеральное вещество» на нашей планете со столь на первый взгляд простым химическим строением и столь непростыми свойствами. В отличие от других аналогичных соединений вода имеет много аномалий. К ним относятся необычно высокая температура кипения и теплота парообразования. Вода характеризуется высокой теплоемкостью, которая позволяет использовать ее в качестве теплоносителя в теплоэнергетических установках. В природе это свойство проявляется в смягчении климата вблизи больших водоемов. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, т. е. способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению.

Вспомним, какую большую роль играет гидросфера в формировании поверхности нашей планеты. Но кроме всесокрушающих водных потоков здесь действует еще и «физика фазовых превращений», ведь именно свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании ведет к разрушению горных пород. Попадая в мельчайшие трещины скал и там замерзая, вода действует подобно взрывчатому веществу: образующемуся льду тесно в небольших трещинах и он разрушает камень.

Почему вода жидкая? Почему она может течь, литься, капать? Все дело в ее структуре. Жидкость – промежуточное состояние, в котором вещество уже лишено строгой упорядоченности твердого кристалла, но полного хаоса, присущего газообразному состоянию, в его структуре еще нет. В жидкостях соблюдается лишь ближний порядок: на небольших расстояниях частицы расположены более или менее «стройно», но по мере их удаления друг от друга этот порядок исчезает. Средние расстояния между частицами этого ближнего порядка задаются силами межатомного или межмолекулярного взаимодействия. В воде, например, атомы водорода одной молекулы притягиваются к атомам кислорода другой и т. д. Именно эта чрезвычайно развитая сеть водородных связей и придает воде многие поистине уникальные свойства, позволяя, в частности, говорить, что структура этой жидкости в чем-то сродни структуре кристалла.

Ученые выяснили, что если в свободном объеме вода как бы сама себе задает структуру, то при соприкосновении с твердой поверхностью структура последней начинает «навязываться» граничащему с ней слою жидкости толщиной от 10 до 100 ангстрем (ангстрем равен одной десятимиллионной доле сантиметра). Коль скоро структура этого граничного слоя воды оказывается измененной, иными становятся и его физико-химические свойства, в частности вязкость и способность растворять вещества.

Граничный слой воды с измененными свойствами существует, естественно, лишь в зоне, близкой к твердой поверхности. Однако представим, что вода находится в очень тонком капилляре – тоньше самого граничного слоя. И тогда окажется, что вся жидкость в капилляре уже не та, какой она была в свободном объеме. То же самое произойдет, если жидкостью пропитать какое-либо пористое вещество. Но ведь пористые вещества, пропитанные жидкостями, встречаются буквально на каждом шагу. Это и почва, и различные строительные материалы. И во всех этих пористых материалах вода, как выяснилось, имеет вовсе не те свойства, каких от нее следовало бы ожидать.

Газовая камера для опреснения морской воды

Одна из серьезнейших проблем, стоящих перед человечеством, – дефицит пресной воды. В разработке экономических методов опреснения морской воды российские специалисты достигли значительных успехов. В частности, среди этих методов весьма перспективным оказалось использование так называемых мембранных фильтров. Суть проста: морская вода продавливается сквозь мембрану, не пропускающую растворенные соли. И в этом «сите», способном отделять ионы от молекул воды, главную роль играют как раз особые свойства граничного слоя.

Французские гидрофизики предложили оригинальный способ за несколько минут перевести воду в твердое состояние, не меняя ее химического состава. С помощью открытого ими полимера можно получить воду, напоминающую по структуре затвердевшее желе.

Такое желе, названное акваблок, не испаряется даже при сравнительно высокой температуре воздуха. Его можно использовать для водоснабжения в засушливых и пустынных районах Африки. Срок хранения акваблока не ограничен. Достаточно добавить немного воды – и желе сразу перейдет в жидкое состояние. Перевозить же акваблоки можно даже самосвалами.

Для получения желе не требуется специального оборудования, нужно только достаточно дешевое пылеобразное вещество, представляющее собой пока еще ноу-хау изобретателей. Одного килограмма подобного акваконсерванта хватает для превращения в желе около 500 лит ров воды.

Сейчас гидрофизики работают над сгущением жидкого топлива, например нефти, бензина и керосина. Очень интересно и предложение «сгущать» загрязненную промышленную воду с высоким содержанием токсичных веществ.

Тяжелая вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная, но вместо атомов обычного легкого изотопа водорода протия она содержит два атома тяжелого изотопа водорода – дейтерия

Следующей по распространению и популярности в природе следует тяжелая вода, также имеющая несколько названий: дейтериевая или тяжеловодородная вода, а также оксид дейтерия. Внешне тяжелая вода выглядит совершенно так же, как и обычная, представляя собой бесцветную жидкость без вкуса и запаха.

Еще выделяют полутяжелую воду, известную также под названиями монодейтериевая вода, гидроксид дейтерия, у которой только один атом водорода замещен дейтерием.

Существует еще и сверхтяжелая вода, в молекулах которой атомы водорода замещены атомами трития. Тритий является радиоактивным изотопом водорода, возникающим в ядерных реакциях, иногда его называют сверхтяжелым водородом. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. В природе этот элемент образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами воздушной среды. В чистой форме тритиевая вода называется окисью трития или супертяжелой водой. Тритиевая вода содержится в обычной воде, однако распределяется неравномерно. Например, в водоемах материков ее больше, чем в океанах, а в океанских водах возле полюсов больше, чем возле экватора.

Тритиевую воду часто используют как меченое соединение для исследования водного обмена.

Различается вода и по изотопному составу кислорода. Всего же насчитывается не менее 18 ее изотопных разновидностей. Тяжелая вода – обязательный спутник воды обыкновенной, но содержание ее в природных водах определяется таким соотношением: 1 часть тяжелой воды на 6800 частей нормальной. Это очень и очень немного, так что нам нечего опасаться. Впрочем, некоторые опытные данные, требующие, правда, дальнейшей проверки, говорят, что было бы еще лучше для нас и для всего живого, если бы тяжелой воды в обыкновенной содержалось еще меньше. Сейчас уже надежно установлено, что тяжелая вода в больших дозах вызывает гибель организмов, в меньших – действует угнетающе. Тут уж перед нами действительно мертвая вода – без всяких кавычек.

Если мы откроем водопроводный кран и наполним чайник, то там будет не однородная вода, а ее смесь. При этом дейтериевых вкраплений окажется очень немного – примерно 150 граммов на тонну. Получается, что тяжелая вода есть повсюду – в каждой капле! Проблема в том, как ее добыть. Во всем мире ее добыча связана с огромными затратами энергии и очень сложным оборудованием.

Однако некоторые гидрологи уже давно высказывают предположение о том, что на нашей планете возможны природные условия, в которых протиевая и дейтериевая воды расслаиваются друг от друга, так что образуются области с высокой концентрацией оксида и гидроксида дейтерия. Где же следует искать «залежи» тяжелой воды? Предложений много, но реальных среди них единицы: в полярных водах, при речном ледоставе и ледоходе, а также в подземных водах глубочайших пещер.

Между прочим, тяжелая вода пока еще не обнаружена вне Земли, и вполне возможно, что, как и жизнь, она представляет собой сугубо земное явление. Собственно говоря, ничего необычного в этом нет, ведь дейтерий образуется из протия вследствие захвата им нейтрона космического излучения. Так что Мировой океан, ледники и атмосферная влага являются естественными источниками этой странной фракции водной среды.

Общий план поисков гидрологами тяжелой воды включает в основном измерения плотности жидкости, ведь ее разница с обыкновенной водой довольно существенна. Вторым критерием поиска является анализ агрегатного состояния, т. е. процессов застывания и таяния. Существует даже гипотеза «вымораживания» небольших ледников из тяжелой воды в высоких широтах нашей планеты. Но существует и противоположное мнение о том, что воды высоких широт, наоборот, бедны дейтерием. Поводом к этому стали широкомасштабные исследования системы Великих озер на границе Канады и США. Обнаружились пониженное содержание оксида и гидроксида дейтерия, а также сезонные колебания их концентрации, – так, в зимний период парциальное содержание тяжелой воды резко падало. Эти отклонения от нормы связывались с особенностями распределения атмосферных осадков, которые, как принято предполагать, разносят дейтерий по планете.

Сторонники поиска высокоширотных месторождений тяжелой воды аргументированно возражают на доводы американских ученых: если учесть, что через центры кристаллизации в северных реках за короткое время проходят сотни и тысячи кубометров воды, из которых намораживается в лед тысячная доля процента, то и этого будет достаточно, чтобы строить схемы образования «дейтериевых ледников». Более того, энтузиасты приполярной тяжелой воды указывают, что именно присутствием таких концентраций можно объяснить тот доказанный факт, что зимой в северных водоемах процентное содержание дейтерия заметно уменьшается. Да и полярные воды, как показывают пробы, тоже бедны дейтерием, и в Арктике, вполне вероятно, есть районы, где плавают в основном только льдины, обогащенные дейтерием, – ведь рыхлый донный лед появляется первым и тает последним.

Больше того, показали исследования, ледники и льды высоких широт в целом богаче тяжелыми изотопами, чем воды, омывающие льды. Значит, могут встретиться и льдины, обогащенные дейтерием. Дело, как говорится, за малым: нужно найти эти пока еще гипотетические месторождения тяжелой воды.

Между тем биологи и гидрологи уже длительное время проводят эксперименты по влиянию очищенной талой воды на жизнедеятельность животных и растений. Дело в том, что в снеговой влаге содержится меньше тяжелой воды, чем в обычной, взятой из водопровода, реки или колодца. Обнаружилось, что снеговая вода – в полном смысле слова вода «живая».

Развивая тему «живой» талой воды ее исследователи отмечают, что в полярной зоне микроорганизмы особенно бурно развиваются у кромки тающих льдов, то же можно сказать и о горных ледниках в области вечных снегов.

В опытах с различными видами воды было открыто много интересного. Так, в ходе исследования скорости поглощения влаги тканями растений свежесрезанные листья точно взвешивали и на определенное время помещали в сосуды с водопроводной водой, талой и кипяченой, причем последнюю ввели в эксперимент как «антипод» талой. Каково было удивление ботаников: первые же эксперименты показали, что кипяченая вода поглощается растениями лучше всех!

Чем же так отличается кипяченая вода от других ее разновидностей?

Во время опытов выяснилось, что свежекипяченую жидкость растения впитывали гораздо лучше, чем заранее приготовленную кипячением воду. Получалось, что с течением времени кипяченая вода быстро теряет свою биологическую активность. Следующие серии опытов показали, что виной всему здесь окружающая воздушная среда, насыщающая с течением времени газами обедненную ими при кипячении воду. Чтобы окончательно проверить это, воду «дегазировали» с помощью вакуума – и эту воду ткани растений стали поглощать так же, как свежекипяченую. Наконец, попробовали подвергнуть вакуумной дегазации воду с разным химическим составом, включая водопроводную, дистиллированную и минеральную. И снова убедились: любая вода, лишившись части газов, в 3–4 раза активнее поглощается тканями растений. Дегазированная вода доказала свою биологическую активность и в других экспериментах: когда ею поливали посевы, опрыскивали кустарники и деревья, поили птиц, диких и домашних животных.

Оказывается, ничтожные количества воды иногда могут сильно влиять и на химические свойства многих веществ. В 1913 году английским химиком Бейкером было установлено, что жидкости, осушенные в течение девяти лет в запаянных ампулах, кипят при гораздо более высоких температурах, чем указано в справочниках. Например, бензол закипает при температуре на 26° выше обычной, а этиловый спирт – на 60, бром – на 59, а ртуть – без малого на 100°. Температура замерзания этих жидкостей повысилась. Влияние следов воды на эти физические характеристики до сих пор не нашло удовлетворительного объяснения.

В хорошо высушенном кислороде уголь, сера, фосфор горят при температуре, намного превышающей температуру их горения в неосушенном воздухе. Считают, что влага играет каталитическую роль в этих химических реакциях.

Сегодня мы, в отличие от древних метафизиков, знаем, что вода – структурное образование, на молекулярном уровне представляющее собой химическое соединение двух элементов, а не вездесущее первородное начало эллинских мудрецов. Но, уточняя, развивая или опровергая воззрения античных мыслителей, мы в полной мере соглашаемся с ними в оценке роли воды в нашем мире. Вещество это действительно вездесуще и бесценно. Такое привычное и, кажется, до мелочей известное в быту, науке оно представляется объектом, требующим к себе еще большего внимания.

В жизни нашей планеты вода играет важную роль транспортного средства в геологических превращениях.

Подземные воды постоянно ведут разрушительную и созидательную работу, формируя месторождения полезных ископаемых. Однако период наблюдения человечества за геологическими процессами столь короток, что изменения практически незаметны.

Вероятно, многие не в полной мере осознают истинное значение воды для человека. Это особенно справедливо для жителей северных районов России, где пресная вода имеется в относительном достатке. Однако то же самое нельзя сказать о жителях засушливых районов Средней Азии. Там с детства человек умеет ценить и беречь воду, поскольку знает, что без воды нет жизни.

Катастрофическая засуха как последствие феномена тяжелого Эль-Ниньо 2016 года

Несмотря на то что вода – самое распространенное на Земле вещество, запасы пресной воды довольно ограничены. Они составляют около 20 тысяч кубических километров на год. При норме водоснабжения 1000 тонн воды в год (с учетом промышленности и сельского хозяйства) на человека этого количества может хватить на 20 миллиардов.

В настоящее время население нашей планеты составляет около 7 миллиардов. Демографы считают, что 20 миллиардов оно достигнет в 2100 году. Таким образом, природной пресной воды станет явно недостаточно. С учетом того, что источники пресной воды распределены на Земле неравномерно, в некоторых странах уже сегодня ощущается острая нехватка пресной воды. Так, на африканском континенте и в Азии имеются огромные пространства, лишенные воды, – пустыни, а целая североафриканская страна – Алжир – живет на привозной воде. Воду доставляют на судах в некоторые прибрежные районы и на острова Греции, иногда вода там стоит дороже вина.

По данным ООН, при относительном достатке пресной воды миллиарды жителей нашей планеты испытывают недостаток в чистой питьевой, поскольку водоемы загрязнены промышленными отходами и бытовыми стоками. До поры до времени природа сама справлялась с задачей очистки загрязненных вод. Однако с ростом промышленного производства и с концентрацией населения в городах природе стало все труднее справляться с этой задачей. В связи с этим возникла необходимость в строительстве более совершенных и более производительных, но и более дорогих очистных сооружений.

Комплекс водоочистки. Основными стадиями очистки являются фильтрование через слой песка и обработка окислителями (хлором или озоном)

Для приготовления пищи и в качестве питьевой может быть использована природная вода, если она не содержит вредных микроорганизмов, а также вредных минеральных и органических примесей; если она прозрачна, бесцветна и не имеет привкуса и запаха. Этим требованиям наиболее часто удовлетворяет колодезная и родниковая вода. Однако в больших количествах найти воду, отвечающую пищевым стандартам, очень трудно. Поэтому ее приходится очищать на специальных станциях.

Питьевая вода должна содержать небольшие количества растворенных солей и газов. В зависимости от них в различных местах вода отличается по вкусу. Границей между пресной и минеральной водой считается содержание минеральных химических соединений в количестве 1 г/л.

Природные воды, содержащие соли, растворенные газы, органические вещества в более высоких концентрациях, чем питьевая, называют минеральными. Некоторые из минеральных вод содержат биологически активные компоненты, некоторые соли – сульфаты натрия и магния и даже соединения мышьяка, радиоактивные элементы (например, радон) и др. Поэтому минеральные воды с давних пор использовали в качестве лечебного средства.

Дистиллированная вода, полученная конденсацией пара, практически не содержит солей и растворенных газов и потому неприятна на вкус. Кроме того, при продолжительном употреблении она даже вредна для организма. Это связано с вымыванием из клеток тканей желудка и кишечника содержащихся в них солей и микроэлементов, которые необходимы для нормального функционирования организма.

Поскольку вода является очень хорошим растворителем, в природе она всегда содержит растворенные вещества, так как не существует абсолютно нерастворимых. Их количество и характер зависят от состава пород, с которыми вода находилась в контакте.

Наименьшее количество примесей и растворенных веществ содержится в дождевой воде. Однако даже она содержит растворенные газы, соли и твердые частицы. Соли, содержащиеся в дождевой воде, имеют свое происхождение из океанов и морей.

Лопающиеся пузырьки на поверхности океанов выбрасывают в атмосферу довольно большое количество солей. Они захватываются потоками воздуха (особенно в штормовую погоду) и распределяются в атмосфере. Твердый остаток, который образуется при испарении дождевой воды, – это частички пыли, захваченные капельками дождя. Из 30 л дождевой воды при испарении остается примерно 1 г сухого остатка. Растворенными газами являются как основные компоненты воздуха, так и загрязнения, встречающиеся в данном районе. Состав дождевых осадков над морем согласуется с правилом, согласно которому он идентичен тому, что получается при добавлении к 1 л дистиллированной воды 1,5 мл морской воды.

Получение высокочистой воды – весьма сложная задача. Поскольку она хранится в сосуде, в ней должны быть примеси материала этого сосуда (будь то стекло или металл). Для прецизионных научных исследований наиболее чистую воду получают методом ректификации (перегонкой) дистиллированной воды во фторопластовых колоннах.

Как уже было отмечено, основные запасы пресной воды на Земле сосредоточены в ледниках. Поскольку опреснение морской воды требует больших энергетических затрат и стоит очень дорого, разработаны проекты транспортировки айсбергов из районов Северного и Южного полюсов к месту потребления и превращения льда в пресную воду. Однако пока эти проекты не были осуществлены.

Крупными резервуарами пресной воды являются болота. По некоторым оценкам в болотах содержится воды столько же, сколько и в озерах. Существует широко распространенное мнение, что болотная вода непригодна для питья, ее часто называют «гнилой». По-видимому, отпугивающим аргументом выступает цвет болотной воды. Однако исторические записи свидетельствуют о том, что в далеком прошлом болотной водой заправляли корабли, уходящие в далекие плавания. Такая вода долго сохраняла свои питьевые качества. Считают, что причиной этого служили содержащиеся в ней фенолы, которые играли стерилизующую роль. Заметим, что сам фенол (карболовая кислота) широко используют в медицине как антисептическое средство.