Вода – характеристики и възможности
Водата е невероятно вещество. Не можем да живеем без него и се крием от водата, като си купуваме чадъри http://giftmart.com.ua/zonty/. Колко тайни все още крие водата, дори учените не знаят. В продължение на много години физикохимиците изучават водата главно като разтворител на електролити. Те получиха много информация за електролитите, но много малко за самата вода. Колкото и да е странно, през последните години научихме много повече за водата, изучавайки връзката й с вещества, които са практически неразтворими в нея. В природата има много удивителни явления. Една от тях е, че навлажненото зърно при температура 4-5 градуса понякога показва признаци на замръзване. В друг случай тръба, пренасяща природен газ при 19 градуса по Целзий, е била запушена от мокър сняг и вода. Ясно е, че въпросът тук не е в температурата, а в някои характеристики на водата. Възникнаха редица интересни въпроси: защо водата замръзва при такава висока температура? Как водата може да се комбинира или свързва с вещества, които са неразтворими във вода? Тази мистерия все още не беше разгадана, когато беше открито, че дори такива благородни газове като аргон и ксенон, които не влизат в никакви химични реакции, могат да се свързват с вода, образувайки някакъв вид съединения. Преди десет години в Илинойс започнахме да изучаваме разтворимостта във вода на определени въглеводороди, по-специално метан. Молекулите му не образуват йони във водата и не приемат водородни връзки. привличането между тях и водните молекули е много слабо. Оказа се обаче, че метанът все още, макар и много слабо, се разтваря във вода и дисоциираните му молекули образуват съединения с нея - хидрати, в които няколко водни молекули са прикрепени към една метанова молекула. Тази реакция отделя десет пъти повече топлина, отколкото когато метанът се разтвори в хексан (метанът се разтваря вмного по-добре в хексан, отколкото във вода).
При по-внимателно разглеждане този факт е още по-изненадващ. Молекулата метан е два пъти по-голяма от водната молекула. За да може метанът да се разтвори във вода, трябва да се образуват доста големи „дупки“ между неговите молекули. Това също изисква значителен разход на енергия, повече отколкото за изпаряването на водата - около 10 хиляди калории на мол. Откъде може да дойде толкова много енергия? Силите на привличане между молекулите на метана и водата са твърде слаби, те не могат да осигурят значителна част от това количество енергия. Но има и друга възможност: самата структура на водата се променя в присъствието на метан. Да приемем, че една разтворена молекула метан е заобиколена от обвивка от 10-20 водни молекули. По време на образуването на този вид асоциация на молекули се отделя топлина. В пространството, заето от молекулата на метана, силите на взаимно привличане между водните молекули изчезват, а оттам и вътрешното налягане. При такива условия, както видяхме, водата: замръзва при температури над -нулата. Ето защо молекулите в празнината между метан и вода могат да кристализират като лед. Замразените хидрати могат да бъдат абсорбирани и освободени от разтвора. Тази хипотеза е известна като теорията на айсберга. Това се подкрепя от факта, че практически всички непроводими вещества, които са били тествани, образуват стабилни кристални хидрати. Напротив, при електролитите тази тенденция е много слабо изразена. Всичко това води до напълно ново разбиране за разтворимостта. Химиците отдавна вярват, че разтварянето възниква поради действието на привличащи сили. Сега се оказва, че разтварянето на неелектролитите става не поради привличането между това вещество и водата, а поради. липса на привличане. вещества, неразпадайки се на йони, те се свързват с вода, тъй като елиминират вътрешното налягане и по този начин допринасят за появата на кристални образувания. За да се разбере образуването на такива хидрати, е необходимо да се разгледа подробно тяхната молекулярна структура. Основните изследвания върху изследването на такива хидрати са извършени от Von Stackelbsrg в Германия преди 10 години. Той показа, че хидратите имат кубична структура за разлика от шестоъгълната структура на леда. WF Claussen от нашата лаборатория наскоро изясни въпроса как се изграждат такива кубични структури. Оказа се, че са възможни две кубични "решетки". В един от тях, открит от Линус Полинг в Калифорнийския технологичен институт, пролуките между молекулите са 12 ангстрьома, а в другия - 17 ангстрьома. В по-малката решетка има 16 водни молекули и 136 в по-голямата. "Дупките" за газовите молекули в по-малката решетка имат 12-14 лица, а в по-голямата - 12-16, освен това те са различни по размер и са запълнени с молекули с различни размери и не всички "дупки" могат да бъдат запълнени. Такъв модел обяснява действителната структура на хидратите с висока степен на точност. Ролята на този тип хидрати в жизнените процеси трудно може да бъде надценена. Тези процеси протичат главно в пространствата между водата и протеиновите молекули. В този случай водата има силна тенденция да кристализира, тъй като протеиновата молекула съдържа много нейонни или неполярни групи. Всеки хидрат се образува с по-ниска плътност от леда, така че образуването му може да доведе до значително разрушително разширение. Сега е ясно защо зърното замръзва при температура от 4 градуса. За разлика от това, зимната пшеница образува хидрати бавно, когато температурата пада. При такива условия хидратът играе ролята на размразител, предпазвайки клетките от увреждане. BХладилната индустрия използва бързо замразяване, за да избегне образуването на големи кристали, които могат да увредят живите клетки. Но би било добре да опитате обратния метод: много бавно охлаждане на храната. В този случай могат да се образуват хидрати, които ще предпазят клетките от разрушаване от ледени кристали. И така, водата е своеобразно и сложно вещество с определени и разнообразни химични свойства. Има стройна и в същото време променлива физическа структура. Развитието на цялата жива и значителна част от неживата природа е неразривно свързано с характеристиките на водата. Ето защо това изследване може да ни каже много важни неща за света, в който живеем.