ВВЕДЕНИЕ

Хотя все в природе взаи­мосвязано и каждая де­таль важна, все же отдель­ные явления и предметы бо­лее существенны, а другие менее при естественном рав­новесии как живой, так и не­живой материи. Ведь нель­зя же поставить в один ряд по значимости палец и сердце. Поэтому вполне за­кономерен вопрос: какое ве­щество является самым главным, самым важным для нас в окружающем материальном мире? Ответ на этот вопрос можно дать уверенно и однозначно: это природная вода. Такой ответ, бесспорно, справедлив, во всяком случае для нашей планеты Земля.

Человечество во все времена стремилось к познанию этого удивительного вещества – воды, прекрасно осознавая ее исключительность. Так, еще шесть тысячелетий назад, у шумеров[1] существовали космогонические представления, в которых воде уделялась главная роль: «Еще не было вверху неба, а внизу Земли, но уже царствовали боги океана (Апсу) и моря (Тиамата)».

В Месопотамии, в Вавилоне (в переводе с аккадского – врата бога), расположенного на месте более древнего шумерского города Кадингирра, возникла поэма «О сотворении мира», в который задолго до появления Библии описаны всемирный потоп и борьба божества, охраняющего мировые воды, с чудовищем преисподней.

Тысячелетием позже древние египтяне согласно господствующей в их стране космогонической теории утверждали, что вначале не было ни неба, ни земли; окруженную густым марком Вселенную наполняла первичная вода.

Две тысячи шестьсот лет назад древнегреческий философ Фалес Милетский считал воду первоисточником всего сущего.

В средние века алхимики приписывали воде совершенство, обозначая ее в виде опрокинутого равностороннего треугольника Ñ. «Тела не действуют, если не растворены» - одно из основных положений алхимии, не утерявшее во многом справедливости и поныне.

Крупный немецкий профессор А.Ауэрбах писал: «Самое удивительное и самое лучшее – это вода». Американский физик Дж.Дей и химик К.Девис назвали воду зеркалом науки. Перефразируя это удачное утверждение, автор с неменьшим основанием может сказать, что отношение к воде – зеркало ученого-естествоиспытателя. Чем серьезнее он к ней относится, тем выше как ученый стоит в ряду своих коллег. Автор обращает также внимание на то, что без воздуха жизнь возможна (анаэробы), а без воды ее нет.

Известный французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери сказал о природной воде следующее: «Нельзя считать, что ты необходима для Жизни, ты сама Жизнь… Ты самое большое богатство в мире».

Один из крупнейших специалистов по физической химии воды Э.Х.Фрицман в своей классической монографии о природе воды [1935] утверждал: «Ни одно из природных веществ не играет такой выдающейся роли на поверхности земного шара и в прилегающих слоях, как вода… наука и техника подтвердили старое основное положение человечества: вода есть то, из чего происходит все, другими словами название aqua[2] вполне себя оправдывает: aqua omnia sunt[3]».

Лучше всех их современных мыслителей значение воды определил крупнейший ученый, основоположник ряда новых научных дисциплин, биохимик и минералог, академик В.И.Вернадский: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество… ею проникнуто и охвачено».

Вода в нашей жизни – самое обычное и самое распространенное вещество, но с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней за это звание. Однако, необычные свойства жидкого гелия (такие, как например, сверхтекучесть) проявляются вблизи абсолютного нуля и обусловлены специфическим квантовыми законами, поэтому жидкий гелий – экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной.

В чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, т.е. ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давлении и других факторов) существенно отличается от поведения подавляющего большинства других жидкостей, у которых оно имеет схожие черты и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия) и органические жидкости (например, бензол или спирты).

Жидкая вода при Т = 0°С плотнее, чем лед I, приблизительно на 10%. Это свидетельствует о том, что структурный беспорядок в жидкой воде обладает своими преимуществами в смысле упаковки молекул. Каждая молекула воды в воде, как и во льдах, имеет четырех соседей, и межмолекулярные взаимодействия в воде определяются водородными связями. Отсюда следует, что водородные связи в жидкой воде обладают особенностями, допускающими более плотную упаковку молекул, чем во льду. Чтобы понять, в чем эти особенности, рассмотрим сначала те экспериментальные факты, которые характеризуют энергетику водородных связей в воде. К ним относятся данные о длине водородной связи Н – О, о длине связи О – О, частотах О – О и О – Н колебаний, а также данные относительно межмолекулярных колебаний. После этого рассмотрим явления переноса, которые наиболее ярко характеризуют жидкое состояние.

I ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДЫ.

На рис. 1 представлены данные Ангела (1975) относительно области переохлажденного состояния Н2О при различных давлениях Р от 1 до 3000 атм.

Как видно из рисунка, область переохлажденного жидкого состояния захватывает огромный район существования льда I, практически весь район существования льда III и большую часть области существования льда II (заштрихованная область).

Представленная картина показывает, что из сжатой воды можно получить непосредственно лед II.

Самая низкая температура переохлажденной воды достигается при Р = 2000 атм. и составляет -92°С. Выше 2000-3000 атм. интервал переохлажденного состояния остается постоянным и составляет •70°С.

Резонно предположить, что структура сжатой жидкой воды с ростом давления приближается к структурам льдов III и II с сильно изогнутыми водородными связями. Изгибание водородных связей, уплотнение структуры затрудняет процессии кристаллизации и расширяет область переохлаждения.

Почему кристалл всегда плавится при температуре плавления, а жидкость допускает большие переохлаждения?

Природа переохлаждения, по-видимому, связана с тем, что кристаллизация начинает с образования зародыша – маленького кристалла в жидкости. На образование поверхности кристаллика в жидкости требуется потратить энергию ~ SUп, где S – площадь кристаллика, а Uп – энергия, необходимая для образования единицы поверхности кристаллика. В связи с этим, несмотря на то, что химический потенциал кристалла для Т < Тпл меньше, чем химический потенциал расплава и (- ) N < 0 •-μN, кристаллизация не всегда происходит.