Как продлить быстротечную жизнь

Друзьяк Николай Григорьевич

Такая картина (см. рис. 7) полного сохранения четверной координации (тетраэдрической структуры) наблюдается только при очень низких температурах (-183 °C), а при более высоких температурах (но отрицательных) наблюдается небольшое искажение ажурной конфигурации тетраэдрического типа тепловым движением некоторых молекул воды.

Одно из главных условий структуры льда – строгая направленность водородных связей, а отклонение от линейности приводит к резкому их ослаблению, равносильному разрыву.

Посмотрим, как происходит таяние льда. При температуре 0 °C жесткие связи между молекулами воды начинают разрываться (тепловое движение молекул воды преодолевает водородные связи), и кристаллическая структура льда, естественно, начинает разрушаться. Но водородные связи

между молекулами воды все же остаются, хотя уже и неупорядоченные. Можно сказать так, что долговременных водородных связей между молекулами воды в жидкой фазе не существует, каждая из связей кратковременна, но в любой момент абсолютное большинство молекул воды связаны между собой водородными связями. Таким образом, при таянии льда в воду переходят те молекулы, у которых ослабли водородные связи, и они попросту отрываются от кристаллической решетки льда и приобретают подвижность. От структуры льда в этих молекулах не остается ровным счетом ничего. Но в то же время жидкая вода остается такой субстанцией, которая имеет структуру в виде подвижных водородных связей (с быстрой передислокацией этих связей от одной молекулы воды к другой). И эта структура присуща ей по причине особого устройства ее молекул. Но это обстоятельство не дает нам оснований манипулировать термином «структурированная вода», подразумевая под ним неким образом искусственно создаваемую структуру жидкой воды (ту же талую воду, получаемую при размораживании льда), так как в противном случае мы должны будем признать возможность существования неструктурированной жидкой воды, какой в природе просто нет. Неструктурированной вода может быть только в газообразном состоянии. Каждая молекула воды имеет водородные связи с четырьмя ближайшими своими соседями. Особенности этих связей в жидкой воде таковы, что они могут легче изогнуться, чем разорваться. Кроме того, эти связи создают некоторую ажурность в структуре жидкой воды, что не дает молекулам воды плотно упаковываться, наподобие бильярдных шаров. Но остается ли в жидкой воде хотя бы в какой-то мере льдоподобная структура? На этот вопрос можно уверенно ответить: нет, не остается.

На мой взгляд, неправомочно использование и самого термина «льдоподобная структура» в отношении жидкой воды. И в твердом, и в жидком состояниях воде свойственны водородные связи. Таких связей, повторюсь, нет только у свободной газообразной воды. Поэтому спектров, характерных для частот молекул без водородных связей, в жидкой воде до сих пор не обнаружено. Следовательно, имеет смысл говорить только о силе водородных связей в воде. Эти связи могут быть более или менее прочными. Даже льду для полного сохранения тетраэдрической структуры требуется очень низкая температура (до -183 °C). А в жидкой воде могут быть растворены еще и газы, и соли, и кислоты, которые оказывают существенное влияние на величину водородных связей в ней. На величину водородных связей оказывает влияние и температурный режим.

А теперь рассмотрим несколько примеров, связанных со льдом и с его кристаллической структурой.

Пример первый. О наступлении морозов мы узнаем не только по термометру или по прогнозу погоды, но и по замерзшим лужам. А более любопытные при этом еще и пытаются выяснить, как это на поверхности грязной лужи образуется такой прозрачный лед?

Пример второй. Эскимосы при приготовлении питьевой воды берут морской лед, прекрасно понимая, что получат из него пресную воду. Почему?

И третий пример. В Японии во время зимних праздников создают ледяные скульптуры. Они прозрачны, как и подобает быть льду. Все попытки японцев получить цветной лед не увенчались успехом, так как ввести в кристаллическую решетку льда вещества-красители практически невозможно. Кристаллы льда не допускают внутрь себя каких-либо других молекул, кроме молекул воды. Поэтому становится прозрачным и лед, образовывающийся на поверхности грязной лужи. Поэтому и лед, образующийся из морской воды, вытесняет из себя все минеральные соли, имеющиеся в ней. И естественно, что из такого льда получается пресная вода. В наше время на этом принципе строятся опреснители морской воды. Но когда-то даже Ломоносов ошибался, полагая, что пресные льды Ледовитого океана имеют речное происхождение.

Приведенные примеры показывают нам, что льдоподобная структура воды прежде всего не допускает нахождения в кристаллах льда никаких иных молекул, кроме молекул воды. Хорошо это или плохо с точки зрения физиологической роли воды в нашем организме? Кому-то может показаться, что это очень хорошо, что вода в организме будет находиться в исключительно чистом состоянии. Но наш организм не является просто сосудом для хранения такой воды. Он больше похож на огромную химическую лабораторию, где одновременно протекают тысячи химических реакций, и протекают они в водных растворах. И одной из основных функций воды в нашем организме является функция растворителя. Она растворяет все полезные вещества пищи, чтобы организм мог обеспечить себя и строительными, и энергетическими материалами, она же растворяет и выводит из организма все ненужные ему вещества, которые мы обычно называем шлаками, чтобы содержать организм в чистоте. Так может ли с этой ролью первоклассного растворителя справиться льдоподобная вода, которая не допускает в свои структуры никакие другие вещества? Очевидно, что нет.

А теперь посмотрим, почему плавает лед? Очень часто на этот вопрос следует такой ответ: лед обладает структурой с многочисленными незаполненными промежутками между молекулами воды, а поэтому он легче жидкой воды. Частично это верно, но не убедительно. Ведь и молекулы жидкой воды не упакованы как бильярдные шары – в случае плотной упаковки ее молекул она должна иметь среднюю плотность, близкую к 1,84 г/см³, но такая величина не соответствует действительности. Из этого можно сделать вывод, что и жидкая вода, так же как и лед, имеет некую структуру, не позволяющую ее молекулам плотно упаковываться. Но чем-то все же отличается расположение молекул воды в жидкой и твердой фазах, если мы видим, что лед легче воды. По-видимому, и для жидкой воды, как и для льда, характерна определенная координация молекул, создаваемая водородными связями. И если в кристалле льда все молекулы находятся в окружении четырех таких же молекул, образующих между собой жесткие водородные связи, то вокруг молекул воды в жидком состоянии группируются тоже четыре других ближайших молекулы воды, также соединенных водородными связями, но уже не строго направленными, а изгибающимися и непрерывно рвущимися и вновь восстанавливающимися. В этом и заключается главное отличие структуры льда от структуры жидкой воды. А это означает, что координационное число (число молекул, находящихся в непосредственной близости от рассматриваемой) для льда будет равно четырем. А если максимально плотно упаковать в ящик шары такого же размера, как и молекулы воды, то координационное число окажется равным двенадцати, то есть каждый шар будет соприкасаться с двенадцатью другими шарами.

Но каково координационное число для воды? Вода представляет собой жидкость, и поэтому у нее нет такой регулярной и упорядоченной структуры, как у кристаллов льда, и расположение всех ее молекул с течением времени постепенно меняется. Однако, основываясь на усредненных данных рентгеновских измерений, можно определить так называемую функцию радиального распределения. Эта функция показывает, что координационное число для жидкой воды равняется 4,4. Иными словами, в обычной воде каждая молекула окружена в среднем 4,4 другими молекулами. Это обстоятельство и играет решающую роль – в результате у воды структура оказывается более плотной, чем у льда. Поэтому, в сравнении с водой, кристаллическая структура льда, для которой координационное число равно четырем, и в самом деле имеет больше незаполненных промежутков, чем вода. Из-за этого лед и становится легче воды.

Только что мы выяснили, что и лед, и вода обладают структурой. Но если у льда наблюдается картина полного сохранения всех четырех водородных связей, то с повышением температуры тепловое движение молекул приводит к ослаблению и разрыву водородных связей, и структура льда разрушается – образуется жидкая вода, в которой молекулы тоже подвержены водородным связям, но не столь жестко, как в структуре льда. То есть изо льда в воду переходят те молекулы, тепловое движение которых превысило водородные связи, и они попросту отрываются от кристаллической решетки льда и приобретают подвижность. Все здесь предельно ясно: вода из одного фазового состояния (твердого) переходит в другое (жидкое), и граница этого перехода – 0 °C.

Но что же тогда нам следует понимать под термином, как пишет Ю. Андреев, «единообразно структурированной воды»? А многие авторы так и вообще называют воду, образовавшуюся после таяния льда, «льдоподобной».

Мы уже знаем, почему лед легче воды. Если же мы посмотрим на рисунок 8, то увидим, что плотность льда при 0 °C равна 0,9168 г/см³, а плотность воды, в которой он плавает, – 0,99984 г/см³ (и тоже при 0 °C).

Нигде вблизи льда мы не найдем воду с меньшей плотностью – везде плотность воды будет одинаковой. Это говорит нам о том, что на границе лед – вода происходит четкое разделение двух фазовых состояний воды. Но если бы при таянии льда в воде оставались бы еще и какие-то льдоподобные структуры, допустим, мелкие кристаллы льда, то и плотность воды в прилегающей ко льду зоне была бы немного меньше плотности остальной воды. Мы же такого явления не наблюдаем, а следовательно, в воде, образующейся после таяния льда – а это и есть в прямом смысле талая вода, – нет никакой льдоподобной воды. Многие же авторы, пишущие о талой воде, объясняют ее особые свойства именно льдоподобной структурой такой воды, а Ю. Андреев еще и добавляет, что это «единообразно структурированная вода».