Вода. Структурированная вода и ее роль в жизни человека

      Кристаллы льда относятся к гексагональной сингонии, т. е. они имеют форму  шестигранных призм (гексагонов). В  структуре льда каждая молекула воды окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися от нее на одинаковом расстоянии. Таким образом, каждая молекула воды обладает координационным числом.

      Молекулы  воды располагаются так, что они  соприкасаются разноименными полюсами (заряженными положительно и отрицательно). В структуре льда типа тридимита  расстояние между молекулами 4,5 А, а  в структуре типа кварца – 4,2 А. В  первом случае это вода тающего льда с температурой около 0° С. Во втором случае более плотная упаковка молекул воды предполагается при температуре около +4° С.

      Таинственное  расширение воды примерно на 10% при  замерзании объясняется быстрой  сменой плотно упакованной структуры  на ажурную, рыхлую. В структуре льда из-за низкого координационного числа много пустот, которые даже больше самих молекул воды. Каждая пустота ограничена 6-ю молекулами воды, и в то же время вокруг каждой молекулы воды в структуре льда имеется 6 центров пустот.

      При температуре около +4° С эти пустоты заполняются "свободными" молекулами воды и плотность ее становится максимальной. При дальнейшем повышении температуры вновь постепенно возникает все более и более рыхлая ажурная структура. В результате возрастающего теплового движения молекул (с повышением температуры) структура льда постепенно "размывается", происходит ослабление водородных связей и "размывание" структуры типа тридимита усиливается, плотность воды уменьшается, а объем ее увеличивается.

      Необходимо  еще раз подчеркнуть, что внутреннее строение жидкостей вообще, а воды в особенности, значительно сложнее, чем у твердых тел и газов. Природа воды чрезвычайно сложна и пока еще далеко не разгадана. Крупный исследователь структуры воды профессор О. Я. Самойлов поясняет процесс внезапного увеличения объема, занимаемого водой в момент замерзания или уменьшения объема при оттаивании льда двумя грубыми примерами-аналогиями, разумеется, чрезвычайно упрощенно схематизированными.

Представим  себе ящик, в который сложены шары с плотнейшей упаковкой. При встряхивании ящика произойдет разупорядочение, объем, занимаемый шарами, увеличится и образуются пустоты.

Обратный  процесс иллюстрируется следующим  примером. Пусть на каждом шаре будут  сделаны углубления и соответствующие  им на других шарах выступы так, чтобы каждый шар был окружен только 4-мя шарами и выступы не входили бы в углубления. При встряхивании и вхождении выступов в углубления произойдет резкое и мгновенное уменьшение объема, занимаемого всеми шарами. Это пример перехода льда в воду с температур около +4° С. 

В 1962 г. в Костроме доцентом Н. Н. Федякиным  была открыта новая разновидность  химически чистой воды (помимо ее изотопических  разностей). Это так называемая аномальная (“модифицированная”) вода, образующаяся из обычной в кварцевых капиллярах или на кварцевых пластинках. В капиллярах появляются самостоятельные дочерние столбики новой аномальной воды высокой вязкости, с уменьшенным давлением паров, с вязкостью и коэффициентом теплового расширения,  в несколько раз большими, и с плотностью, на 40% больше, чем у обычной воды.

      Пока  аномальную воду можно получить из обыкновенной воды при конденсации  паров только на кварце. Чистая аномальная вода представляет собой аморфно-стекловидную некристаллизующуюся массу с  консистенцией вазелина.

      Эта модифицированная вода имеет высокую  устойчивость и вне капилляров ведет  себя так же, как и в них.  Она не замерзает, оставаясь жидкой даже при – 50° С.  При давлениях в 60 тыс. атм. и температуре в 1000° С она не появлялась.

Новый вид воды не смешивается с обычной, а образует с ней эмульсию. Модифицированная вода не кристаллизуется, она, подобно стеклу, представляет собой аморфную массу. Загадка ее происхождения пока не раскрыта, и ученые во всем мире ведут усиленные исследования. Во всяком случае, объяснить происхождение аномальной воды структурными особенностями нельзя. За рубежом ее назвали "сверхводой".

      Ф. А. Летниковым и Т. В. Кащевой была открыта у воды "память", или, "закалка". Бралась очень тщательно  очищенная перегонками вода и подвергалась нагреванию до 200, 300, 400 и 500° С при давлении 1, 88, 390 и 800 атм. Температура и давление изменяют свойства воды, это было известно давно. Но вот что удивительно – некоторые новые свойства сохраняются у воды и после снятия высоких температур и давлений. Например, у воды в 4 раза  повышалась способность к растворению некоторых солей. 

      Уже давно замечено изменение ряда свойств  води при воздействии на нее магнитного поля. Чем сильнее последнее, тем  большие изменения происходят с  водой.  Так, при изменениях напряженности достаточно сильного магнитного поля концентрация водородных ионов (Н⁺) увеличивается в два раза, а поверхностное натяжение воды – в три раза.

      Магнитное поле влияет также на скорость и  характер  кристаллизации солей, находящихся в воде в растворенном состоянии. Магнитная обработка воды приводит к уменьшению накипи в котлах, понижает смачиваемость водой поверхностей твердых тел, изменяет температуру кипения, степень вязкости, повышает скорости сгущения суспензий, фильтрации, затвердевания цемента, изменяет магнитную восприимчивость. Магнитное поле существенно меняет в концентрированных растворах теплоту гидратации (до 5%), что очень важно для глубинных рассолов.

      Однако  магнитное поле не оказывает влияния  на чистую воду, т. е. воду, в растворе которой отсутствуют электролиты. При омагничивании воды происходит изменен  ориентации ядерного спина (момента количества движения атомного ядра, тесно связанного с магнитным моментом) в молекуле Н₂О.

      Магнитная вода, как и свежеталая, также  обладает "памятью". Ее новые свойства имеют “полураспад” примерно в течение суток. Талой воде, как это установлено многочисленными наблюдениями, присуща повышены биологическая активность, которая сохраняется некоторое время после таяния. По данным казанских биоников  новые свойства как магнитной, так и талой воды объясняются изменениями, происходящими с ядрами водорода.

      В настоящее время во многих странах  организовано  промышленное изготовление омагниченной воды в больших количествах.

      Поведение воды в природе в различных условиях давления, температуры, электромагнитных полей, а особенно  разностей электрических потенциалов и многого другого,  загадочно, тем более что природная вода – не химически  чистое вещество, она содержит в растворе многие вещества  (по существу все элементы периодической системы), и притом в различных концентрациях. Эта загадочность особенно велика для больших глубин литосферы Земли, где  имеют место высокие давления и температуры. Но даже если взять “чистую” воду и посмотреть, как меняются ее  некоторые свойства при относительно высоких давлениях и температурах, то, например, для плотности получим такие значения, г/см³: при 100° С и 100 атм., а также при 1000° С и 10 000 атм. она будет одинакова и близка к 1; при 1000° С и 100 атм. – 0,017; при 800° С и 2500 атм. -  0,5; при 770° С и 13 000 атм. – 1,7, а электропроводность такой воды равна электропроводности пятинормальной соляной кислоты. Для рассолов, которые господствуют в глубинах литосферы, все эти значения изменятся.

      В 1969 г. в астрофизическом центре при университете в Толедо (штата Огайо, США) американские ученые А. Делсемм и А. Венджер открыли новую сверхплотную модификацию льда при температуре –173° С и давлении  около 0,007 мм рт. ст. Этот лед имел плотность 2,32 г/см³,  т. е. был близок по плотности к некоторым разновидностям гнейса (2,4 г/см³); он аморфен (не имеет кристаллического строения) и играет большую роль в физике планет и комет.

      Свойства  воды меняются также под воздействием электрического поля разной частоты. При  этом интенсивность света в воде ослабевает, это связано с поглощением его лучей. Далее, примерно на 15% изменяется скорость испарения воды.

      Вообще  в последнее время все большее  число исследователей на основании  полевых и лабораторных наблюдений приходит к выводу о значительной роли разности  естественных электрических потенциалов для физических и химических особенностей природных вод. Даже в приповерхностных зонах литосферы со сравнительно  слабыми электрическими потенциалами разность потенциалов вызывает как движение самой воды, так и растворенных в ней катионов и анионов во взаимно противоположных направлениях. Некоторые ученые наблюдали возникновение электрических потенциалов (и их разностей) на контакте воды и льда, а также на сульфидных месторождениях. На больших глубинах литосферы следует ожидать более значительных разностей потенциалов  между разными породами, так и разными растворами.

      Американский  ученый П. Маркс полагает, что на глубинах около 12 км образуются мощные гальванические батареи при наличии  минерализованных растворов, металлов, серы, графита. Разности электрических потенциалов могут быть столь велики, что будут разлагать воду на  водород и кислород.

      Все, что мы до сих пор говорили о  многообразии разновидностей воды, касалось чистой воды, без всяких примесей. Но химически чистой воды нигде в природе  и быть не может. Даже искусственно дистиллированная вода после многократной перегонки будет содержать растворенные углекислоту, азот, кислород, а также в незначительной части вещества, из которых сделан сосуд, где она находится.

      Таким образом, даже искусственно получить почти  чистую воду очень затруднительно, хотя подобный опыт в начале века и  был проведен немецким физиком Ф. Кольраушем. Им была получена в совершенно ничтожном объеме и на несколько  секунд, за которые удалось определить ее электропроводность, абсолютно чистая вода.

      Всякая  вода в природе, включая снег, лед  и дождь, является раствором различных  веществ в форме ионов нейтральных  молекул, мелких и крупных взвесей,  живых существ (от бактерий до крупных животных) и продуктов их жизнедеятельности. Если говорить о находящихся в воде веществах, то, например, акад. В. И. Вернадский, рассматривавший воду как минерал, выделил 485 видов минералов группы воды (гидридов), сделав при этом оговорку, что им описана только меньшая часть видов воды и что общее их количество, вероятно, превысит 1500. Разумеется, такая классификация неприемлема, для практических целей, о ней упоминается  только для иллюстрации многообразия химического состава природных вод, рассматривая воду как растворитель  и минерал. 

      Природную воду можно классифицировать по следующим  признакам: температуре, химическому  составу растворенных компонентов, местонахождению, целевому использованию, происхождению, динамике циркуляции, фазовому состоянию, нахождению в той или иной геосфере  и по многим другим свойствам и признакам.

      1. В природе встречаются воды  в пределах температур  от почти  абсолютного нуля (т. е. около  – 273° С) до примерно 2000° С. Даже при обычном давлении вода, оставаясь жидкостью, может переохлаждаться до – 70° С и перегреваться, не переходя в пар, до +120° С, но только  на очень короткий срок.

      2. Всякая природная вода является  раствором газов  и минеральных  веществ, а для наружных оболочек  Земли (не глубже 3 – 5 км) и местом обитания живых организмов.  Газы и твердые вещества могут быть растворены в воде от ничтожных количеств до возможных пределов растворимости тех или иных веществ. В зависимости от температуры  и давления в воде растворяется все, в ней могут содержаться в растворе все элементы периодической системы,  встречающиеся в природе, даже металлы и такие очень  труднорастворимые соединения кремния, как стекло,  кварц и т. п.

      3. Все природные воды по химическому  составу веществ, находящихся  в растворе, удобнее всего делить на три класса по преобладающему в растворе аниону:

      а) хлоридные (самый распространенный класс),

      б) гидрокарбонатные и 

      в) сульфатные.