Вода и жизнь на Земле

Новиков Юрий Федорович

Необычайно важную роль в живом организме играет вода, это простое химическое соединение водорода и кислорода. В сложном процессе обмена веществ она занимает центральное место. При обязательном участии воды протекают физические и химические реакции. Являясь хорошим растворителем, она выполняет функции «перевозчика» солей и т. п.

Мы привыкли к воде, как привыкают к самым обычным явлениям — ведь она всегда с нами: в быту, на работе, в природе. Широкая распространенность воды породила представление о ней как о весьма простом теле. В течение многих веков ее принимали за элемент. Сейчас уже никто этого не скажет.

Вода — совершенно необыкновенный минерал.

Прежде всего потому, что это самое известное и вместе с тем самое загадочное вещество. О воде, знакомой человеку с колыбели, написаны бесчисленные монографии, ученые продолжают изучать ее свойства. И тем не менее трудно найти другое вещество, в котором было бы спрятано столько труднообъяснимых качеств.

Необыкновенность физико-химических свойств молекул воды основана на способности их изменять структуру водородных связей. Эти связи легче разрушаются и быстро восстанавливаются. Между молекулами воды идет интенсивное взаимодействие, в результате происходит быстрое изменение их структурной решетки. Этим отличается структура молекул воды от других веществ, например твердых кристаллических тел, у которых существует устойчивая структурная решетка. Необыкновенность свойств молекул воды — одна из важнейших основ сложных биохимических реакций, присущих процессам жизни на нашей планете. Чтобы лучше понять роль воды в жизненных процессах, познакомимся со строением и свойствами ее молекул.

Физика и химия воды

Вода состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода. Все, казалось бы, просто. Но на самом деле есть 42 сочетания этих атомов в молекуле воды, и 9 из них — устойчивы. Значит, наша обычная Н ₂O состоит из смеси девяти видов воды, имеющих весьма различные химические свойства.

Эта бесцветная и безвкусная жидкость обладает совершенно уникальной способностью образовывать необыкновенно прочную поверхностную пленку. На ней может лежать стальная игла, если, конечно, ее осторожно опустить. Более того, установлено, что чем чище вода, тем сильнее растет ее поверхностное натяжение, и если бы удалось получить когда-нибудь абсолютно чистую, без всяких примесей воду, то, как полагают ученые, по озеру такой воды можно было бы не только ходить, но и кататься на коньках.

Давно известна людям сила воды. Когда мифический Геракл приступал к свершению своего седьмого по счету подвига, он призвал на помощь силы природы. Чтобы расчистить конюшню царя Авгия, он запрудил реку, и взволновавшийся поток сделал то, что было не по плечу ни одному из эллинов.

Вода заставляет жернова мельниц молоть зерно, крутит колеса пароходов, вращает роторы гидротурбин, побуждая бежать по проводам электричество. Казалось бы, исчерпаны разнообразные возможности этого «исторического» вида энергии, узнаны все его способности. И в то же время нет, не все!

Водная струя диаметром 3–4 мм, подаваемая под давлением от 300 до 500 атм, режет «черный камень» — уголь. При давлении, в 5 раз большем, — мрамор, гранит, песчаник. Срезы аккуратные, гладкие — как ножом (цифра для сравнения: в водопроводном кране вода течет под давлением в 0,5 атм).

В нашей стране созданы основы гидроэкструзии — перспективного метода обработки материалов жидкостью высокого давления.

Метод гидропрессования, у истоков которого стоял выдающийся советский физик академик Л. Верещагин, обеспечивает ювелирную точность изделий при больших скоростях технологического процесса.

Гидромеханический способ добычи угля — один из прогрессивных. В Кузбассе и Донбассе, например, действуют целые шахты гидродобычи, где операции по выемке и погрузке угля выполняет вода. Производительность таких шахт очень высока. К обычным угольным комбайнам разработаны гидронасадки — дополнение для более эффективной и облегченной добычи угля. Работают они в комплексе с основными узлами машины — резцом, выгребающим устройством, конвейером. Но главное преимущество, которое дает приспособление, — это снижение запыленности воздуха в забое.

Образование воды из соединений водорода и кислорода при возникновении электрической искры впервые было отмечено в 1783 г. английским физиком Г. Кавендишом. В последующем известны много исследований по уточнению химического состава и физических свойств воды. То, что вода состоит из водорода и кислорода, показали в 1785 г. французский физик А. Лавуазье, а в 1805 г. — немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт и французский исследователь Гей-Люссак. Они определили состав воды: два объема водорода и один — кислорода молекулярный вес 18.

К настоящему времени установлено существование воды с молекулярным весом 19, 20, 21, 22. Такие молекулы воды состоят из более тяжелых атомов водорода и кислорода, т. е. водорода, имеющего атомный вес более 1, и кислорода — более 16. Оказалось, что в природе встречается тяжелый изотоп водорода с массой 2, который назван дейтерием (D) и еще более тяжелый изотоп, с массой 3, получивший название тритий (Т). У кислорода выявлены три изотопа с атомным весом 16, 17 и 18.

Соединение из двух атомов дейтерия и одного кислорода назвали тяжелой водой (D ₂O), а соединение двух атомов трития с одним атомом кислорода — сверхтяжелой водой (Т ₂O). В природных условиях 99,73 % составляет обычная вода с молекулярным составом Н ₂ ¹O ¹⁶, 0,04 % — тяжелокислородная вода с составом Н ₂ ¹O ¹⁷и 0,02 % — H ₂ ¹O ¹⁸. Доля тяжелой воды (D ₂O) и сверхтяжелой воды (Т ₂O) в природных водах чрезвычайно мала.

Тяжелая вода отличается от обычной как по физическим свойствам, так и по физиологическим воздействиям на организм. Испаряется она медленнее, чем обычная вода. Возможно, это является причиной большего содержания тяжелой воды во внутренних замкнутых водоемах южных широт.

Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием благодаря диссипации протонов в космическом пространстве. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом. Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда, в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.

Любопытна структура внутреннего строения молекулы воды. В центре молекулы обычной воды располагается атом кислорода, а на некотором расстоянии — два атома водорода. Атомы водорода по отношению к атому кислорода находятся не по прямой линии, проведенной через центр атома кислорода, а под углом, равным 105°. Связь между атомами водорода и кислорода в молекуле воды осуществляется электронами.

Поскольку ядра атомов водорода и кислорода расположены несимметрично, молекулы воды имеют форму тетраэдра, в вершинах которого имеются четыре полюса зарядов.