Удивителна вода - Уникалните свойства на водата
Водата е най-удивителното и най-мистериозното вещество на Земята. Той играе решаваща роля във всички жизнени процеси и явления, протичащи на нашата планета и извън нея. Ето защо древните философи са смятали водата за най-важната съставка на материята.
Съвременната наука одобри ролята на водата като универсален, планетарен компонент, който определя структурата и свойствата на безброй обекти от живата и неживата природа.
Развитието на молекулярните и структурно-химичните концепции позволи да се обясни изключителната способност на водните молекули да образуват връзки с молекулите на почти всички вещества.
Започна да се изяснява и ролята на свързаната вода при формирането на най-важните физични свойства на хидратираните органични и неорганични вещества. Проблемът за биологичната роля на водата предизвиква голям и все по-голям научен интерес.
Външната обвивка на нашата планета, обитавана от живи организми - биосферата е вместилището на живота на Земята. Неговият основен принцип, негов незаменим компонент е водата. Водата е и строителен материал, който се използва за създаването на всички живи същества, и среда, в която протичат всички жизнени процеси, и разтворител, който премахва вредните вещества от тялото, и уникален транспорт, който доставя на биологичните структури всичко необходимо за нормалното протичане на сложни физични и химични процеси в тях. И това цялостно влияние на водата върху всяка жива структура може да бъде не само положително, но и отрицателно. В зависимост от състоянието си водата може да бъде както създател на цъфтящия живот, така и негов унищожител – всичко зависи от нейния химичен и изотопен състав, структурни, биоенергийни свойства. Открити са аномалните свойства на водатаучени в резултат на дълги и трудоемки изследвания. Тези свойства са толкова познати и естествени в нашето ежедневие, че обикновеният човек дори не подозира за тяхното съществуване. В същото време водата, вечният спътник на живота на Земята, е наистина оригинална и уникална.
Аномалните свойства на водата показват, че молекулите на H2O във водата са доста силно свързани и образуват характерна молекулярна структура, която се съпротивлява на всякакви разрушителни влияния, например термични, механични, електрически. Поради тази причина, например, е необходима много топлина, за да се превърне водата в пара. Тази характеристика обяснява относително високата специфична топлина на изпарение на водата. Става ясно, че структурата на водата, характерните връзки между водните молекули, са в основата на специалните свойства на водата. Американските учени У. Латимър и У. Родебуш предложиха през 1920 г. да нарекат тези специални връзки водородни и оттогава идеята за този тип връзка между молекулите завинаги влезе в теорията на химическото свързване. Без да навлизаме в подробности, отбелязваме само, че произходът на водородната връзка се дължи на квантово-механичните характеристики на взаимодействието на протона с атомите.
Наличието на водородна връзка във водата обаче е само необходимо, но не и достатъчно условие за обяснение на необичайните свойства на водата. Най-важното обстоятелство, обясняващо основните свойства на водата, е структурата на течната вода като цялостна система.
Още през 1916 г. са разработени принципно нови идеи за структурата на течността. За първи път, използвайки рентгенов дифракционен анализ, беше показано, че в течностите се наблюдава определена закономерност на подреждането на молекулите или в противен случай се наблюдава близък ред на подреждането на молекулите. Първата рентгенова дифракцияизследванията на водата са извършени от холандски учени през 1922 г. V. Keez и J. de Smedt. Те показаха, че течната вода се характеризира с подредено разположение на водните молекули, т.е. водата има определена правилна структура.
Всъщност структурата на водата в живия организъм в много отношения прилича на структурата на кристалната решетка на леда. И това обяснява сега уникалните свойства на стопената вода, която запазва структурата на леда за дълго време. Разтопената вода реагира много по-лесно от обикновено с различни вещества и тялото не трябва да харчи допълнителна енергия за преструктуриране на структурата си.
Всяка водна молекула в кристалната структура на леда участва в 4 водородни връзки, насочени към върховете на тетраедъра. В центъра на този тетраедър има кислороден атом, в два върха има водороден атом, чиито електрони участват в образуването на ковалентна връзка с кислорода. Останалите два върха са заети от двойки валентни електрони на кислорода, които не участват в образуването на вътрешномолекулни връзки. Когато протон на една молекула взаимодейства с двойка несподелени електрони на кислород на друга молекула, възниква водородна връзка, по-малко силна от вътрешномолекулна връзка, но достатъчно мощна, за да задържи съседни водни молекули наблизо. Всяка молекула може едновременно да образува четири водородни връзки с други молекули под строго определени ъгли, равни на 109°28', насочени към върховете на тетраедъра, които не позволяват създаването на плътна структура при замръзване (в този случай в структурите на лед I, Ic, VII и VIII този тетраедър е правилен).
Известно е, че биологичните тъкани са 70-90% вода. Това предполага, че много физиологични явления могат да отразяват молекулярните характеристики не само на разтвореното вещество,но еднакво разтворител - вода
Първата теория за структурата на водата е представена от английските изследователи Дж. Бернал и Фаулър. Те създадоха концепцията за тетраедричната структура на водата.
В своята научна интуиция J. Bernal и R. Fowler разчитаха на обширния материал от натрупаните експериментални и теоретични данни в областта на изучаването на структурата на водната молекула, структурата на леда, структурата на простите течности и на данните от рентгеновия дифракционен анализ на вода и водни разтвори. На първо място, те определиха ролята на водородните връзки във водата. Известно е, че във водата има ковалентни и водородни връзки. Ковалентните връзки не се разпадат по време на фазовите преходи на вода: вода-пара-лед. Само електролиза, загряване на вода на желязо и т.н. разкъсва ковалентните връзки на водата. Водородните връзки са 24 пъти по-слаби от ковалентните връзки. Когато ледът и снегът се топят, водородните връзки в получената вода се запазват частично, във водната пара всички те се разрушават.
Опитите да се представи водата като свързана течност с плътно опаковане на водни молекули, като топки от някакъв контейнер, не отговарят на елементарни фактически данни. В този случай специфичната плътност на водата не трябва да бъде 1 g/cm3, а повече от 1,8 g/cm3.
Второто важно доказателство в полза на специалната структура на водната молекула е, че за разлика от други течности, водата - това вече беше известно - има силен електрически момент, който съставлява нейната диполна структура. Следователно беше невъзможно да си представим наличието на много силен електрически момент на водната молекула в симетричната структура на два водородни атома спрямо кислородния атом, подреждайки всички атоми, включени в нея, в права линия, т.е. Н-Н-Н.
Експерименталните данни, както и математическите изчисления, най-накрая убедиха британските учени, че водната молекула"едностранно" и има "ъглова" конструкция и двата водородни атома трябва да бъдат изместени в една посока спрямо кислородния атом под ъгъл от 104,50:
Ето защо водният модел на Бернал-Фоулър е триструктурен, с няколко отделни типа структури. Според този модел структурата на водата се определя от структурата на нейните отделни молекули.
По-късно се развива идеята течната вода да се разглежда като псевдокристал, според който водата в течно състояние е като смес от три компонента с различни структури (структурата на лед, кристален кварц и плътно опакована структура на обикновената вода).