Вода, активированная гиперзвуком - читать онлайн

Вода. Начало

Все мы прекрасно знаем, как нам кажется, что такое вода. В далекие времена воде уже придавалось огромное значение.

Около 585 г. до р.Х. греческий ученый Фалес из Милета считал воду основным началом всего мира – его основным элементом. Это мнение ученого точно соответствовало греческой мифологии, в которой Океан выступает как прародитель всех богов, и именно из воды произошел весь окружающий нас мир. Кстати, современная теория происхождения жизни на Земле также считает, что жизнь зародилась в мировом океане – т.е. эта теория недалеко ушла от греческих мифов и от Фалеса из Милета.

В 450 г. до р.Х. греческий философ Эмпедокл из Акрагоса считал основой мироздания наличие четырех вечных элементов – огня, воздуха, воды и земли, непрерывное превращение которых происходит под действием любви (притяжения) и ненависти (отталкивания). Элементы Эмпедокла не могли исчезнуть в никуда и появиться из ниоткуда, и его мысли нашли свое продолжение во многих современных законах химии и физики.

Около 335 г. до р.Х. греческий философ Аристотель из Стагиры дополнил систему четырех элементов Фалеса – своим пятым элементом – «квинт эссенцией» – эфиром, который пронизывает четыре других элемента. И в таком виде теория мироздания, понемногу модернизируясь, просуществовала достаточно долго – на рис.1 показана космология английского алхимика Роберта Фладда (1574—1637) – система химических элементов из 11 позиций, где вода (water) занимает второе место. При этом Фладд, не включил в свою систему «пятый элемент» Аристотеля – эфир.

Рис 1.

Первый этап научного изучения, 17—18 век

Начиная с 1650-годов мистическая и «волшебная» наука «алхимия» постепенно отходит в сторону и уступает дорогу «химии» – классической науке. Принято считать, что все ученые, работавшие в этой отрасли знания с 300-го по 1600 год, в одночасье из алхимиков стали химиками. И здесь требуется лингвистическое пояснение. Греческий термин «χημεια» – «химия», который, возможно, означает «искусство приготовления соков», был позаимствован в 6-м веке арабами, которые образовали согласно своей грамматике слово в виде «al-kimyia» – «алхимия». Следовательно, алхимия это прямой грамматический родственник слов алгебра, алкоголь и т. п. Но последние 350 лет существуют два химических направления – названное греческим словом химия, которое обозначает дисциплину, имеющую строго научную основу, и названное арабским словом алхимия – которое обозначает учение в какой-то степени мистическое и «волшебное».

Первый документально зафиксированный биологический эксперимент с водой был проведен в 30-е годы 17-го века голландским естествоиспытателем Ван Гельмонтом (1580—1644). Ван Гельмонт в течение 5-ти лет выращивал иву [96], проводя точные замеры весовых характеристик дерева, почвы и поливальной воды. По завершению опыта ван Гельмонт обнаружил, что ива за 5 лет прибавила в весе на 74 кг (164 фунта), а земля, в которую ива была высажена, убавилась в весе лишь на 57 г. (2 унции). Это привело ван Гельмонта к выводу, что существуют всего два элемента – вода и воздух. А третий элемент – вещественный – включающий растения, деревья, и т.д., и даже землю, образуется в основном из воды. Не признавал ван Гельмонт и элемент «огонь», хотя вполне ясно, что ива, выращенная в темном помещении, будет существенно отличаться от ивы, выращенной ван Гельмонтом на солнечном свете. Пренебрег в своем опыте ван Гельмонт и газовым обменом растения, в данном случае ивы, что тем более удивительно, тем, что именно ван Гельмонт первым обозначил группу летучих химических веществ термином «газ», от греческого слова «χάος», а до ван Гельмонта применялся термин «αέρας» – воздух.

Химики с 1600 г. занимались многими вопросами в области научных химических опытов со многими веществами, но изучение воды, как основного элемента всей природы, целенаправленно проводили мало. Отметим основные достижения.

В 1665 г. голландский механик Христиан Гюйгенс (1629—1695) предлагает, как основные точки для термометра, точки плавления льда и кипения воды.

В 1667 г. Гюйгенс показывает, что вода при замерзании расширяется со значительной силой, в опыте он разрывает железную трубку силой замерзающей воды.

В 1674 г. французский физик Дени Папен (1674—1713) наблюдает зависимость температуры кипения воды от давления и устанавливает факт, что при более низком давлении вода закипает при более низкой температуре. Он же в 1681 г. проводит опыт на котле с предохранительным клапаном, и устанавливает повышение температуры закипания воды с увеличением давления в закрытом котле.

В 1704 г. английский физик Исаак Ньютон (1642—1727) изучал цвет чистой воды и определил его как зеленый.

В 1755 г. швейцарский ученый Жан Андре Делюк (1727—1817) впервые наблюдает, что для того, чтобы расплавить лед, недостаточно нагреть его до температуры плавления, т.е. до 0+1⁰С, а требуется некоторое дополнительное количество теплоты, чтобы вода сменила свое агрегатное состояние. Он же в 1772 г. обнаружил, что вода имеет максимальную плотность не при температуре замерзания в 0⁰С, а при +4⁰С.

1766—1783 гг. оказались этапными в изучении химии воды. Последовательно химики получили водород, кислород, а затем разложили на эти газы (тогда их называли и эластичными жидкостями) воду. Для описания этих и последующих работ будем применять принятые в химии обозначения.

В 1766 г. английский физик Генри Кавендиш (1731—1810) описывает открытый им газ, который он назвал «легковоспламеняющимся воздухом» – это был водород. Водород Н₂ выделялся при действии разбавленной серной H₂SO₄ или соляной HCl кислоты на металлы, в частности на железо Fe, цинк Zn. Возможна такая реакция:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

В 1770 г. французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794), исследуя предполагаемое ван Гельмонтом превращение воды в землю, приходит к заключению, что суммарный вес замкнутого стеклянного сосуда и долго кипевшей в нем воды (100 дней) остается неизменным, а земля (осадок) образуется из стекла сосуда. Для опыта Лавуазье применил дождевую воду, которую очистил восьмикратной перегонкой – дистилляцией.

В 1771 (или в 1772) г. английский химик Джозеф Пристли (1733—1804) получил кислород O₂ путем нагрева селитры КNO₃. Его опыт соответствует такой реакции:

2КNO₃ + (нагрев) = 2КNO₂ + O₂

Пристли посчитал выделявшийся в указанном опыте газ за обычный воздух, в 1773 г. он видит в нем закись азота N₂O (это «веселящий газ»), которую он получил при реакции влажных железных опилок и окиси азота («азотистого воздуха»), но в 1774 г. Пристли понял, что ему удалось получить «дефлогистированный воздух» – кислород.

Этому выводу предшествовал другой опыт Пристли, проведенный 1 августа 1774 г., схема которого приведена на рис 2.

Рис. 2

С помощью двойной линзы Пристли фокусировал солнечные лучи на красный окисел ртути HgO, его сильный нагрев приводил к выделению металлической ртути Hg в виде шариков, которые стекали на ртутный столбик, и газа, заполнявшего стеклянную пробирку и оказавшегося кислородом O_2. Его опыт соответствует такой реакции:

2HgO + (нагрев) = 2Hg + O₂

Газ Пристли назвал «дефлогистированным воздухом» и установил, что он повышает жизнедеятельность мыши, вдыхающей его, и вызывает яркое горение свечи.

Существует мнение, что в это же время, или даже чуть ранее, кислород получил и шведский аптекарь Карл Шееле (1742—1786). Шееле подробно описал в книге [97], изданной в 1777 г., свои опыты по получению кислорода, состоявшие в нагреве веществ, непрочно удерживающих кислород, и столь же подробно описал свойства кислорода, который он называл «огненный воздух». Впрочем, в указанной книге уже есть ссылки на работы Пристли, а в приведенном письме от 13 июля 1777 г., пояснено, что свои работы Шееле завершил за два года до даты письма, т.е. в 1775 г.

В конце 1774 г. при посещении Парижа Пристли встретился с Лавуазье и рассказал ему о своих опытах по получению «дефлогистированного воздуха». Лавуазье заинтересовался этими опытами и их результатами, в 1775 г. он провел свои опыты с нагревом окиси ртути и установил, что воздух состоит из двух газов в соотношении 1:5. В «огненном» – «дефлогистированном воздухе», который Лавуазье назвал кислородом, подопытная мышь чувствовала себя хорошо. В воздухе, в котором отсутствовала доля кислорода – мышь задыхалась. Эту часть воздуха Лавуазье назвал азотом от греческого слова «ἄζωτος» – безжизненный. Азот N₂ уже был получен Генри Кавендишем в ходе химических опытов, выполненных в 1772 г.

В 1781 г. практически одновременно шотландский физик Джеймс Уатт (1736—1819) и Генри Кавендиш получили воду из водорода и кислорода. Опыт Кавендиша состоял в пропускании через смесь водорода и кислорода (это «гремучий газ») электрической искры в трубке над сосудом с ртутью. Смесь взрывалась с образованием воды. Кавендиш установил, что при взрыве смеси из двух объемов водорода и одного объема кислорода расходуется весь газ, а вес образовавшейся воды равен весу газовой смеси в трубке. Так фактически была установлена химическая формула воды – H₂O. Результаты своих опытов Кавендиш опубликовал в 1785 г.

Окончательно формулу воды установил Лавуазье:

– в июне 1783 г. Лавуазье повторяет опыт Кавендиша – в присутствии французских ученых из кислорода и водорода он синтезирует 2,5 г. воды;

– в это же время Лавуазье проводит качественный химический опыт без использования электричества и взрывов – через раскаленный докрасна железный ружейный ствол он пропускает горячий водяной пар, при этом в стволе образуется окалина – ржавчина, а из дула ствола выходит газ – это оказался водород;

– окончательно состав воды Лавуазье определил в опыте с железными опилками. Он проводит водяные пары через раскаленные железные опилки, заранее взвешенные, и собирает водород, затем он взвешивает воду, водород и окислившиеся железные опилки. Результат взвешивания точно свидетельствует – вода состоит из одной доли кислорода и двух долей водорода.

Так в 1783 г. была точно установлена химическая формула воды – H₂O.

Второй этап научного изучения, 19 век

На рубеже 19-го века, предположительно в декабре 1799 г., итальянский физик Алессандро Вольта изготовил первую электрическую батарею, которая представляла собой столбик из чередующихся медных и цинковых кружков, разделенных кружочками сукна или войлока вымоченного в слабом водном растворе серной кислоты. Первое сообщение об этой батарее, которую Вольта называет «снарядом, слабо заряженным, но действующим непрерывно, подобно лейденской банке», последовало 20 марта 1800 г. в письме от Вольта к президенту Лондонского Королевского общества Джозефу Банксу. Письмо содержит описание и рисунки Вольта, и рекомендации по применению в батарее разных металлов.

30 апреля 1800 г. английский химик Уильям Николсон (1753—1815) и его напарник хирург Энтони Карлайл (1768—1840) на основе вышеупомянутого письма изготовили «столб Вольта» и полностью проверили его работоспособность. Николсон в ходе опыта для улучшения контакта верхней проволоки с цинковым кружком налил на него немного воды и случайно (!) обнаружил, что на этой проволоке, выделяются пузырьки – экспериментатор по запаху предположил, что это водород. Николсон и Карлайл провели новый эксперимент – в пробирке с водой, в которую через пробки были введении проволоки от «столба Вольта», они впервые разложили воду с помощью электричества на водород и кислород. Водород исследователи собрали, а кислород определили по тому, что у них произошло окисление одной медной проволоки.

В сентябре 1800 г. немецкий физик Иоганн Риттер (177—1810) сообщает о своем опыте по разложению воды электричеством, при этом ему удалось собрать и водород и кислород.

Так в самом начале 19-го века для исследования состава воды частично случайно впервые была использована электрическая батарея постоянного тока.

В 1805 г. французский физик Жозеф Гей-Люссак (1778—1850) и немецкий натуралист Александр фон Гумбольт (1769—1859) устанавливают закон кратных объемов при химическом взаимодействии газов и находят, что два объема водорода соединяются с одним объемом кислорода в воду.

В 1815 г. удивительную и революционную гипотезу выдвинул английский химик Уильям Праут (1785—1850). Он утверждал, что первичной материей является водород, а все остальные элементы «сделаны» из него. Идея Праута базировалась на том, что если атомный вес водорода принять за 1, то атомные веса всех известных к тому времени элементов будут выражаться целыми числами, в частности кислород будет иметь атомный вес 16. Гипотезу Праута опровергли тем, что хлор уже имел при таком исчислении атомный вес 35,5. И все же Праут оказался прав – атомы всех элементов действительно имели в составе своего ядра – ядра водорода и нейтроны, имеющие практически такую же массу, как ядро водорода. Частицу, образующую ядро водорода, в честь Праута назвали «протон», а загадка хлора была разгадана – в его атомном весе наряду со стабильным изотопом Cl-35 большую роль сыграл стабильный изотоп Cl-37, о существовании которого в 19-м веке не знали. Так завершились поиски основного элемента нашего мира – это оказалась не вода, а ядро атома водорода, следовательно, древние философы оказались правы в своих воззрениях ровно наполовину.

В 1843 г. французский химик Жан Батист Дюма (1800—1884) занимался определением состава воды, и установил, что отношение весов водорода и кислорода в воде составляет 2:16.

В 1846 г. французский физик Эдмон Беккерель (1820—1891) провел измерение электропроводности жидкостей.

В 1847 г. немецкий химик Роберт Бунзен (1811—1899) исследует в длинных трубках воду исландских гейзеров и показывает, что чистая вода, кажется синей. Это было первое правильное использование спектра воды для определения ее чистоты (напомним, что Ньютон считал цвет воды зеленым). Впрочем, с давних времен люди знали, что свежевыпавший снег – кристаллы воды – имеют голубоватый оттенок.

В 1847 г. английский физик Майкл Фарадей (1791—1867) и независимо от него немецкий физик Юлиус Плюккер (1801—1868) занимались изучением магнитных свойств газов, и установили, что все газы – в т.ч. водород и водяной пар – диамагнитные. Исключение составил кислород, обладающий существенным парамагнетизмом. Термин «диамагнетизм» в сентябре 1848 г. предложил Фарадей. В научном плане диамагнетизм означает возникновение силы отталкивания у вещества от внешнего магнитного поля. В практическом плане невесомый магнит, например, кольцевой ток в невесомом сверхпроводнике будет отталкиваться от поверхности воды, т.е. явление левитации – хождения по воде – не является чудом, а имеет строгое научное объяснение.

Современные сведения о строении воды

В начале 20-го века знания о воде стабилизировались, и ничего не предвещало новых достижений.

В 1909 году датский биохимик Сёрен Сёренсен (1868—1939), возглавлявший лабораторию в пивной компании «Карлсберг» в Копенгагене, разработал методы определения концентрации ионов водорода в растворах, и ввел водородный показатель Рн (который называют и кислотностью) и шкалу Рн. Рн-метры, – приборы, работающие по шкале Сёренсена, используются и в настоящее время для контроля воды и пищевых продуктов на ее основе.

Прошло 10 лет и свою огромную лепту в изучение воды стали вносить физики-ядерщики.

В 1920 г. британский физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) и независимого от него американский физик Уильям Харкинс (1873—1951) предсказали существование стабильного изотопа водорода, имеющего атомную массу 2 – ²Н.

В 1929 г. американские физики Херрик Джонстон (1898—1965) и Уильям Джиок (1895—1982) экспериментами доказали существование стабильных изотопов кислорода с атомными массами 17 и 18 – ¹⁷О, ¹⁸О. До этого открытия химики считали, что кислород существует только в виде стабильного изотопа с массой 16 – ¹⁶О. От массы изотопа ¹⁶О были рассчитаны массы всех известных к 1929 г. химических элементов. И неожиданно оказалось, что масса кислорода О в «Таблице Менделеева» не 16,0, а 16,0035. Открытие Джонстона и Джиока было очень значительным, оно заставило пересчитать все атомные массы. Кроме того, пошатнулась сама идея вписать все изотопы химического элемента в одну «клеточку» таблицы Менделеева. Особенно ярко это проявилось в 1932 г.

Сегодня за опорную массу принята масса изотопа углерода ¹²С. А «табличная» масса кислорода О = 15,9994 рассчитана с учетом распространенности его стабильных изотопов на Земле: ¹⁶О – 99,759%, ¹⁷О – 0,037%, ¹⁸О – 0,204%. Химия, казавшаяся в 19-м веке точной наукой, превратилась в оценочную науку, где масса элемента зависит от статистики нахождения тех или иных изотопов элемента на Земле, а «Таблица Менделеева», которую в будущем создадут, к примеру, для Марса будет отличаться от нашей «земной» таблицы.

В 1931 г. американский физик Гарольд Юри (1893—1981) теоретически обосновал существование стабильного изотопа водорода ²Н и назвал его дейтерием, а в 1932 г. практически получил его окись – тяжелую воду, ее формула имела такой вид: (²Н) ₂¹⁶О. Параллельно с Юри существование дейтерия в 1931 г. доказал американский физик Фрэд Аллисон (1882—1974) и предсказал американский физик Раймонд Бёрдж (1887—1980).

В 1933 г. американский физик Гилберт Льюис (1875—1946) методом многократного электролиза первым получил тяжелую воду из обычной воды и выделил из нее дейтерий ²Н. Он же обнаружил, что существует полутяжелая вода, имеющая в своем составе два разных изотопа водорода, т.е. такую формулу – (²Н) (¹Н) ¹⁶О.

Американские физики несколько лет изучали тяжелую воду (²Н) ₂¹⁶О и обнаружили, что она химически существенно отличается от обычной воды – имеет другую массу, другие температуры замерзания и кипения, сладковатый вкус. Тяжелая вода стабильна и присутствует повсеместно – в речной воде на тонну воды приходится около 150 мл. тяжелой воды, в морской воде около 165 мл. тяжелой воды. Радиоактивной опасности тяжелая вода не представляет.

В 1934 году австралийский физик Маркус Олифант (1901—2000), работавший в Англии с Резерфордом, при проведении ядерной реакции получил полустабильный (период полураспада до 14 дней) изотоп водорода ³Н, названный тритием. Тритий может образовывать супертяжелую воду (³Н) ₂¹⁶О, которая радиационно опасна, но накопиться в водоемах не может, ввиду быстрого распада трития.

В настоящее время известны три изотопа водорода Н и три стабильных изотопа кислорода О (всего у кислорода 14 изотопов). Считается, что тонна речной воды может содержать: 2 литра воды (¹Н) ₂¹⁸О, 300 мл. воды (¹Н) ₂¹⁷О, 300 мл. полутяжелой воды (²Н) (¹Н) ¹⁶О, 150 мл. тяжелой воды (²Н) ₂¹⁶О, и остальное это обычная вода (¹Н) ₂¹⁶О. Следовательно, в 500 мл. воды в вашем чайнике может быть около 2,5 мл. «другой» воды, в которой около 0,4 мл. тяжелой и полутяжелой воды.

Изотопный состав воды зависит от ее происхождения, возраста, этапов «жизни». В тонком плане явно отличаются изотопные составы речной воды, морской воды, колодезной воды, ключевой воды, воды полученной таянием снега, воды полученной таяньем льда, горной воды, воды текущей с ледников, воды из айсбергов и т. п. Нужно ли это все учитывать? Наука и практика однозначного ответа не дает, а дешевых и надежных методов исправления изотопного состава воды не существует. Следствием этого явилось то, что практически все эксперименты с водой проведены не с обычной водой (¹Н) ₂¹⁶О, а с этой водой с некоторым набором ее изотопных «братьев».

Сложной оказалась структура молекулы воды – здесь и далее под этим термином мы понимаем обычную воду (¹Н) ₂¹⁶О – и взаимное расположение молекул жидкой воды в занимаемом объеме.

В молекуле воды атомы водорода относительно атома кислорода образуют равнобедренный треугольник, расположение атомов в молекуле воды, в состоянии жидкости, показано на рис 3. Размеры на рисунке приведены в ангстремах Å, как это принято в ядерной физике. Связано это с тем, что один ангстрем приблизительно равен диаметру орбиты электрона в атоме водорода. С другой стороны 1Å=10^—10м. Отсюда следует, что по диаметру блюдца с водой (15 см) могут поместиться около миллиарда молекул воды.

Размеры молекулы, при изменении водой своего агрегатного состояния, меняются незначительно: молекула пара сжимается на 1%, молекула льда расширяется на 4%. Последнее свойство приводит к тому, что лед плавает в обычной воде, и водоем замерзает не всем своим объемом, а последовательно сверху – вниз.

Однако молекулы воды далеко не стабильны. Даже самая чистая вода обладает способностью к химической диссоциации – распаду некоторой части пар молекул Н₂О в объеме жидкости на отрицательный ион гидроксила (ОН^_) и положительный ион гидроксония (Н₃О+). Этот процесс носит обратимый характер и может быть охарактеризован такой формулой:

2Н₂О → (ОН^_) + (Н₃О+) → 2Н₂О

Рис. 3

Конфигурация молекулы простой воды (¹Н) ₂¹⁶О представляет собой полярное соединение, см. рис 4.

Рис. 4

Полярное соединение, или, по химической терминологии, ковалентное соединение характеризуется том, что электронный заряд в нем распределен не однородно. На поз. а рис. 4 показано положение атома кислорода ¹⁶О и двух атомов водорода ¹Н, у которых электроны как бы захвачены ядром кислорода. В результате кислородный угол молекулы воды несет отрицательный заряд, а два водородных угла – положительные заряды, это схематически показано на поз. б рис. 4.

Полярность воды приводит к тому, что ее молекулы притягивают ионы электровалентных соединений, при этом разрушая их кристаллическую структуру. Такой процесс происходит, например, с кристаллами поваренной соли NaCl, см. рис. 5.

В 1951 г. датский химик Нильс Бьеррум (1879—1958) предложил свою модель структуры льда, в которой молекула воды представляла собой четырехугольную пирамиду-тетраэдр, у которой широкую сторону занимали атомы водорода, а узкую – атом кислорода. Поэтому на рис 5. «треугольники» молекул воды – это тетраэдры Бьеррума – вид сверху.

Рис. 5

Если твердые кристаллы поваренной соли поместить в воду (поз. а рис. 5), то полярные молекулы воды окружают молекулу поваренной соли (поз. б рис. 5), при этом силы, удерживающие вместе ионы натрия и хлорид-ионы, оказываются слабее, чем силы притяжения этих ионов молекулами воды. В результате происходит растворение кристаллов поваренной соли в воде, и ионы натрия и хлорид-ионы «плавают» отдельно, окруженные молекулами воды (поз. в рис. 5). Такое свойство молекул воды делает воду одним из самых сильных растворителей из всех жидкостей.

Процесс, показанный на рис. 5, несколько упрощен, т.к. небольшое количество воды непрерывно распадается на ионы гидроксила (ОН^_