Вода, активированная гиперзвуком

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 O2. 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

Свойство диссоциации у воды приводит к тому, что даже чистая вода, не имеющая никаких посторонних примесей, например дистиллированная по ГОСТ 6709—72, может иметь при температуре +180С проводимость около 0,75 микросименс.

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.