От пара до льда вода продолжает мистифицировать.
Ричард Сайкалли
Что мы могли не знать о воде? Мокро! Ясно. Это идет от дождя. Это кипит. Он делает снег и делает лед! Наше правительство действительно тратит деньги налогоплательщиков на то, чтобы вы изучали воду ? »
Это отрывок из одного из последних разговоров, которые у меня были с моей дорогой покойной матерью, которая скончалась много лет назад, все еще оставаясь на удивление скромной в возрасте 99 лет. Ее слова отражают точку зрения, которой, по-видимому, придерживается половина населения мира: вода скучна.
Однако другая половина мира, охваченная псевдонаукой и гуру новой эры, похоже, покупается на такие магические свойства, как гомеопатия, структурированная вода, поливодность и водная память.
Истина где-то посередине. Да, вода - обычное явление - фактически, это третья по распространенности молекула во Вселенной. Но, вопреки мнению Матери, это также обманчиво сложно. Вот лишь некоторые из научных проблем, связанных с водой, которые остаются открытыми сегодня:
1. Сколько видов льда существует?
По последним подсчетам, существует 17 различных кристаллических форм твердой воды. Однако только одна форма - Ice Ih - обычно существует на Земле вне лаборатории. Вторая кристаллическая форма, называемая Ice Ic, присутствует в очень незначительных количествах в верхних слоях атмосферы, а еще 15 форм встречаются только при очень высоких давлениях. (В межзвездном пространстве также много воды, но обычно это аморфный, некристаллический, стеклянный лед, вмороженный на крупинки пыли.)
Замечательное разнообразие кристаллических форм льда является результатом тетраэдрической сети сильных водородных связей, образованных между соседними молекулами воды. В конденсированных фазах воды каждая молекула оптимизирует свои водородные связи, образуя четыре водородные связи под тетраэдрическими углами. Водородные связи внутри Ice Ih образуют открытую трехмерную структуру с низкой плотностью.
Приложение давления к тетраэдрическим веществам, включая кристаллический лед, элементарный углерод, кремний и фосфор, может коллапсировать твердые формы с низкой плотностью в множество структур с последовательно более высокой плотностью, предположительно до тех пор, пока не будет достигнут предел плотной упаковки. Это дает 17 форм кристаллического льда, которые мы наблюдали до сих пор. Есть еще что открыть?
2. Есть два вида жидкой воды?
Несколько десятилетий назад японские ученые утверждали, что наблюдали переходы между двумя фазами аморфного льда под высоким давлением. Поскольку мы считаем, что аморфный лед - это, по сути, замороженный снимок соответствующей жидкости, это наблюдение подразумевало, что должны существовать два типа жидкой воды: обычная вода с низкой плотностью и компактная форма с высокой плотностью, аналогичная аморфному льду высокого давления.
Последующее моделирование подтвердило это утверждение. Они исследовали воду, температура которой была ниже точки замерзания, но выше ее «температуры гомогенного зародышеобразования» (температуры, ниже которой жидкая вода существовать не может). В этой так называемой «глубоко переохлажденной» области ученые увидели свидетельства фазового перехода между двумя жидкими формами воды.
Однако другие ученые утверждают, что эти результаты являются артефактами и что такие переходы маловероятны, основываясь на принципах статистической механики. Тот факт, что они происходят так далеко от равновесия, затрудняет их наблюдение и моделирование - фактически, поведение вдали от равновесия - это современный рубеж теории конденсированного состояния.
3. Как испаряется вода?
Скорость испарения жидкой воды - одна из основных неопределенностей современного моделирования климата. Он определяет распределение капель воды в облаках по размеру, что, в свою очередь, определяет, как облака отражают, поглощают и рассеивают свет.
Но точный механизм испарения воды до конца не изучен. Скорость испарения традиционно выражается как скорость столкновения между молекулами, умноженная на множитель, называемый коэффициентом испарения, который варьируется от нуля до единицы. Экспериментальное определение этого коэффициента, охватывающее несколько десятилетий, варьировалось более чем на три порядка. Теоретические расчеты затруднены тем фактом, что испарение - чрезвычайно редкое явление, требующее чрезмерно долгого и большого компьютерного моделирования.
Есть что-то примечательное в тумане, окружающем Ниагарский водопад: отдельные капли движутся так, как будто они заряжены отрицательно.
Вместе со своими коллегами Дэвид Чендлер из Калифорнийского университета в Беркли использовал теорию, способную описывать такие редкие события, называемую отбором проб переходного пути, для расчета коэффициента испарения воды. Они пришли к стоимости около единицы. Это довольно хорошо соответствует недавним экспериментам с жидкостными микроструями, которые дают значение 0,6 как для нормальной, так и для тяжелой воды.
Однако есть пара морщин. Во-первых, остается неясным, почему эксперименты, проведенные в более атмосферных условиях, дают гораздо более низкие значения. Кроме того, моделирование выборки переходного пути предполагает, что испарение зависит от аномально большой капиллярной волны, бегущей по поверхности жидкости, которая деформирует и ослабляет водородные связи, удерживающие испаряющуюся молекулу воды. Добавление солей к воде увеличивает поверхностное натяжение и подавляет амплитуду капиллярных волн, что должно снизить скорость испарения. Но экспериментальные исследования показывают незначительный эффект или его отсутствие при добавлении солей.
4. Является ли поверхность жидкой воды кислой или основной?
Есть что-то примечательное в тумане, окружающем Ниагарский водопад: отдельные капли движутся так, как будто они заряжены отрицательно. То же самое и с большинством водопадов. Это долгое время интерпретировалось как свидетельство накопления отрицательных ионов гидроксида (ОН-) на поверхности капель, что означало бы, что поверхности являются основными - со значением pH выше, чем 7 у нейтральной воды. Фактически, это мышление стало догмой в сообществе ученых-коллоидов.
Поверхность жидкой воды содержит большее количество разорванных водородных связей, которые создают совершенно иную химическую среду, чем в объеме. Но недавние эксперименты и расчеты показывают, что гидратированные протоны (H +) на самом деле доминируют на поверхности жидкой воды, создавая кислотный (менее 7) pH и положительно заряженную поверхность, а не основную отрицательно заряженную поверхность.
Многие важные процессы в химии и биологии, такие как обмен атмосферного аэрозоля и газа, ферментативный катализ и трансмембранный перенос протонов, включают протонный обмен на поверхности воды и явно зависят от pH на поверхности воды - величина, которая в настоящее время неизвестна.
5. Отличается ли наноконфинированная вода?
В гигантских океанах вода не всегда плещется. Как в природе, так и в искусственных устройствах вода часто ограничивается невообразимо крошечными пространствами, такими как обратные мицеллы, углеродные нанотрубки, протонообменные мембраны и ксерогели (которые представляют собой высокопористые стеклообразные твердые тела).
И эксперимент, и расчеты, по-видимому, показывают, что вода, ограниченная твердыми стенками в крошечных областях пространства, размер которых сравним с размером нескольких сотен молекул, начинает проявлять квантово-механические эффекты, включая делокализацию и квантовую когерентность. Эти свойства разительно отличаются от свойств основной воды и могут влиять на все, от биологических клеток до геологических структур. Это также может иметь большое практическое значение, например, при разработке более эффективных систем опреснения.
Однако текущие результаты остаются несколько неоднозначными, и в этой области еще предстоит проделать большую работу, чтобы определить природу воды в замкнутом пространстве.