А.К.Ларионов

Занимательная гидрогеология

©Издательство «Недра», 1979

А ЧТО ВЫ ЗНАЕТЕ О ВОДЕ?

Простая и странная, обыденная и загадочная

Струйка воды — такая привычная, такая повседневная, с ней никак не вяжутся определения «странная», «загадочная». Вода, которую мы каждый день пьем, в которой стираем, а дети пускают кораблики — что может быть более простым и ясным?

Уже в школе мы узнаем: вода — это жидкость, образованная скоплением молекул, состоящих из двух атомов водорода и одного атома кислорода, короче «аш два о». Как будто бы все очень просто. Однако уже в прошлом веке начали обнаруживаться то одни, то другие факты, вызывающие удивление ученых. Это вещество, определяющее во многом жизнь на Земле, вело себя не так, как ведут соединения такого типа. Вода оказалась ларчиком, полным загадок. Так, А. Сент-Экзю-пери с присущей ему эмоциональностью воскликнул: «Вода, у тебя нет ни вкуса, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое!». Действительно, что ты такое, вода?

Все вещества на Земле при охлаждении становятся плотней, а вода при охлаждении до 4 градусов по Цельсию ведет себя как все другие вещества, а затем, по мере падения температуры, плотность ее начинает уменьшаться.

Рис. 1. Не правда ли странно меняется плотность воды при изменении температуры?

а — изменение плотности воды; б — то же, других веществ

В викторинах часто задают вопрос: почему лед плавает в воде? Все мы привыкли к тому, что твердое вещество тонет в своей жидкой фазе, как, например, металлы тонут в своих расплавах. Поэтому удивительно, что вода при охлаждении до температуры ниже 0° С, переходя в лед, уменьшает свою плотность, а ее объем увеличивается почти на 10% (рис. 1). Вот и причина, почему лед плавает в воде — он просто легче ее.

Вода сжимается под давлением гораздо меньше, чем большинство других жидкостей. Ученые обнаружили, что при увеличении давления на 1 атм [В Международной системе единиц (СИ) 1 атм = 10⁵ Па (паскалей)] при 0° С ее сжимаемость составляет ничтожную величину — 0,00005 доли начального объема. Вот почему только в придонных слоях океанических впадин на глубинах 7000 — 10000 м вода приобретает ощутимое уплотнение.

А вот другое удивительное свойство: при нагревании воды до любой температуры нужно затратить гораздо больше тепла, чем это требуется для других веществ. Физики говорят, что она обладает самой высокой из всех известных твердых и жидких веществ «удельной теплоемкостью», то есть количеством тепла, необходимого для повышения температуры тела на 1° С. В связи с этой физической характеристикой нельзя не заметить, что и здесь вода имеет необычный нрав. Все вещества с ростом температуры увеличивают свою теплоемкость, а она вопреки всему в интервале от 0° до 35° С ее уменьшает.

Рис. 2. Если растет давление, то увеличивается температура перехода в пар. Но после температуры 374,1⁹ С давление больше не влияет (в кружках давление в атмосферах)

Возьмем, например, температуру кипения вещества, соответствующую переходу их из жидкости в газ. Здесь ученые обнаружили строгую закономерность, по которой точка такого перехода определяется химическим положением соединения. Соединения кислорода с водородом в связи с этим при всех условиях должны при 0° С быть газом, но это не так — вода при нормальных физических условиях переходит в газ (пар) только при 100° С.

Вот еще одна интересная аномалия воды. На рис. 2 мы видим, что между давлением и температурой перехода веществ в пар существует достаточно четкая зависимость. Однако при температуре среды 374,15° С чистая вода, в отличие от других веществ, независимо от давления, всегда превращается в пар. Эту странную цифру назвали критической температурой чистой воды.

Необычность воды наблюдается во всем. Если возьмем, например, две частицы, противоположно электрически заряженные, то в воздухе чаще всего они оказываются прочно соединенными друг с другом. Теперь давайте поместим их в воду. В большинстве случаев они мгновенно распадутся. Это объясняется тем, что в воде сила взаимодействия зарядов в 80 раз Меньше, чем в воздухе. Эта ее способность играет большую роль в развитии многих природных процессов.

Но это не все. Далее следуют все новые и новые удивительные особенности воды. Так, обнаружилось, что мельчайшие водяные капельки замерзают не при 0° С, а при 35 — 40° С ниже нуля.

Сейчас ученые объясняют многие особенности облаков содержанием при низкой температуре не кристалликов льда, а мельчайших капелек жидкой воды. Советский ученый Б. В. Дерягин обнаружил на поверхности кристаллов кварца совсем удивительную воду, которая начинает кипеть только при температуре 300° С и оказывается на 40% более плотной, чем природная. В 50-х годах нашего столетия в Нидерландах был получен патент на новый метод борьбы с накипью в паровых котлах. Думаю, что читатель, по-видимому, слышал об этом неприятном явлении в котлах. Во время кипения на их стенках толстым слоем накапливаются выпадающие из воды соли, при этом работа котла резко ухудшается. Приходится значительно увеличивать количество топлива для доведения воды до кипения. Почти двести лет шла борьба с накипью, но успехи были минимальные и вдруг появилось очень простое средство — воду, идущую в котел, стали пропускать между полюсами постоянного магнита. Произошло буквально чудо — накип- перестала образовываться. Так родилась новая разновидность — «магнитная вода» (рис. 3).

Рис. 3. Вода пропускается через систему постоянных магнитов

Многие ученые и инженеры бросились изучать этот феномен. Обнаружилось много интересного: бетон, затворенный на ней, приобретает ббльшую прочность, изменяется способность растворов к кристаллизации. Укладываемые гидравлическим способом дамбы и плотины из пульпы (вода с песком), пропущенной через постоянное магнитное поле, оказываются прочнее, а время их укладки значительно сокращается.

Эта новая разновидность воды находит все более широкое применение в строительстве, химическом, керамическом, горно-обогатительном и других производствах.

Эксперименты, проведенные в Волжском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации, показали, что использование для полива магнитной воды повышает урожай.

В настоящее время применение магнитных вод значительно расширилось. С их помощью улучшили качество синтетического каучука, повысили интенсивность очистки промышленных стоков и т. д.

Установлено, что прохождение воды в сравнительно слабом магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами, вызывает изменение многих ее свойств: плотности, электропроводности, способности к растворению солей, скорости оседания в ней твердых частиц и др. Поразительна «магнитная память» воды: новоприобретенные свойства сохраняются в течение суток.

Справедливости ради отметим, что имеется целый ряд специалистов, скептически относящихся к магнитной воде. Но практика показала ее удивительные особенности и поставила магнитную воду в ряд эффективных средств для повышения производительности предприятий и улучшения качества выпускаемых ими товаров.

Не менее удивительными свойствами обладает весенняя талая вода. Как показали Б. Родимов и И. Торопцев, этот вид воды благоприятно воздействует на живые организмы и растения. Опять загадка. Почему магнитная и талая вода обладают столь необычными свойствами?

Природные воды также разнообразны. Они различны по своим особенностям, свойствам и составу. Природные воды содержат почти все элементы периодической системы Д. И. Менделеева. В число их входит золото. В тонне морской воды его содержание составляет 0,000004 г.

Особый интерес у ученых вызывает тяжелая вода, в которой обыкновенный водород заменен его изотопом — дейтерием. Она встречается в виде небольшой примеси к природным водам. Так, в море на каждые 5600 м³ обычной воды приходится кубический метр ее тяжелой разновидности. Все свойства ее отличаются от обычной воды: она более плотная, обладает более высокой вязкостью, температура ее замерзания 3,8° С. Есть сведения о влиянии ее на здоровье людей.

Значительно реже в природе встречается тритиевая вода, в которой водород замещен другим его изотопом — тритием. Довольно распространена сверхтяжелая вода, в которой обыкновенный кислород замещен его изотопами. Эта разновидность отличается более высокой плотностью (выше на 11,3%). а в остальном она похожа на обычную воду.

Интересно, что чистая вода в спокойном состоянии легко переохлаждается, оставаясь жидкой до минус 33° С или может быть перегрета до 200° С. Это ее свойство широко используют в промышленности.

Можно и далее продолжить перечисление особых свойств и необычного поведения этой удивительной жидкости, сделавшей возможной жизнь на Земле. С одной стороны, вода — наиболее изученное вещество, а с другой... Предоставим слово крупному ученому — знатоку воды — академику Б. А. Дерягину. В одной из своих работ он отмечает: «Чистая прозрачная вода родников и водоемов при всей своей распространенности остается все еще загадкой для химиков».

Вода постепенно раскрывает свои тайны

Странности воды обращали на себя внимание давно. Десятки ученых в разных странах ломали головы над загадками ее поведения, и их труды не пропали даром. Теперь можно сказать, что мы знаем о воде достаточно много, хотя далеко не все.

Оказалось, что в основе всех ее неожиданных свойств лежит особое строение молекулы. На первый взгляд, она элементарно проста: один атом кислорода и соединенные с ним два атома водорода. Однако молекула воды имеет единственную строгую конструкцию. С обеих сторон атом кислорода соединен атомными связями с двумя атомами водорода, образующими между собой угол 105°. Схема молекулы воды показана на рис. 4.

Получается, что молекула имеет одну сторону кислородную, а другую — водородную. В результате на кислородном конце вследствие неполного уравновешивания электронов всегда возникает отрицательный заряд, а на водородном — положительный. Таким образом, молекула воды имеет два полюса, заряженных противоположно. Ученые назвали ее активным диполем («ди» — два).

Этот особый активный диполь ведет к образованию прочных связей между молекулами, где плюсовая (положительная) сторона соединяется с минусовой (отрицательной). Для разрыва этой связи требуется весьма значительная энергия. Вот почему вода при обычных условиях жидкость, а для ее испарения необходима затрата огромной энергии.

Вскоре было открыто, что молекулы воды соединяются еще дополнительными связями, получившими название водородных. Они появляются потому, что электроны, входящие в состав атома водорода, не удовлетворяются только взаимодействием со своим атомом кислорода, а стремятся воздействовать на соседние кислородные атомы. Водородные связи — это, иными словами, экспансия электронов водородных атомов. В результате молекулы воды оказываются прочно связанными друг с другом. Внутри водной массы возникает давление, достигающее 15 — 20 тыс. атм. Вот и объяснение, почему вода практически несжимаема.

Рис. 4. Так устроена молекула воды (О — атом кислорода, Н — атом водорода)

Но это еще не все. Молекулы воды стремятся расположиться в определенном порядке или, по-иному, — образовать структуры. Правда, тепловые движения стараются противодействовать этому. Они заставляют молекулы непрерывно двигаться, нарушают порядок их размещения.

Работами многих исследователей установлено одно удивительное обстоятельство — внутренняя структура воды оказывается очень близкой структуре льда. Здесь каждая молекула воды окружена четырьмя другими молекулами воды. Между ними имеются пустоты. Чем их больше, тем меньше плотность льда и воды. При расплавлении льда эта структура начинает изменяться, количество пустот уменьшается, и плотность воды возрастает. Вот и объяснение, почему уменьшается плотность воды при охлаждении.

Было выяснено, что на структуру воды влияет многое: содержание растворенных- веществ, наличие нерастворимых соединений, формы занимаемого водой объема и другие факторы. Все эти особенности порождают разнообразие структуры воды. Ученые объясняют многие странности воды ее структурными особенностями.

Работами Б. А. Дерягина и других исследователей обнаружено существование очень странной аномалии воды в тонких капиллярах диаметром менее 0,001 мм. У нее во всем интервале температур коэффициент трения остается постоянным, что не присуще обычной воде. Да и плотность ее на 40% выше, чем у обычной воды. Б. А. Дерягин назвал эту сверхплотную воду водой II.

Ученые спорят о причинах появления подобной воды. Природа ее остается пока неясной. Можно ожидать, что в земной коре, в глинистых породах с тончайшими порами, эта вода II имеет широкое распространение.

А как решается загадка «магнитной» воды, о которой мы рассказывали в предыдущем разделе? И здесь идут поиски. Предпринимаются попытки объяснения этого феномена с позиций особой структуры воды. Ученые Казанского университета считают, что в магнитном поле изменяется ориентация ядерных спинов (вращения) водорода в молекуле воды, т. е. причина здесь кроется в тонких изменениях в молекуле воды, происходящих на атомном уровне.

О. И. Мартынова, Б. Т. Чугаева и Е. А. Леонтьева объясняют особенности «магнитной» воды присутствием в природных растворах окислов железа и их гидратов. Намагничивание последних и обусловливает ее особые свойства. Идет научный спор, который должен привести к решению этой задачи.

Ученые ищут и находят. Постоянно расшифровываются одна за другой загадки воды. И недалеко то время, когда все ее тайны будут раскрыты.