Значительная часть воды на нашей планете скрыта под её поверхностью. С давних времен эту воду называли подземной. Так её называют и теперь, хотя правильнее было бы характеризовать её как внутриземную или подпочвенную. Лишь относительно малая доля такой воды выходит на поверхность в виде тихих ключей, горных ручейков или бурных пароводяных фонтанов — гейзеров. Основные же массы её тысячелетиями накапливаются вне видимых кладовых, стиснутые между водоупорными слоями, пока не откроется где-либо свободный выход или не выпустит их на простор дерзкое вмешательство человека.
"Тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое", — обращался к воде Антуан де Сент Экзюпери. Тот самый, что написал прекрасную сказку о маленьком принце. И там вода играла не последнюю роль: принц постоянно помнил, что надо поливать свою единственную розу, оставленную на далёкой родной планете.
Мы не можем прожить без воды и нескольких дней. Между тем долгие столетия люди не только не знали, что она собой представляет, но не знали даже, сколько её на Земле. И уже совсем было неясно, как появилась она на планете. Вода была ещё до появления человека: есть все основания полагать, что жизнь возникла в водной среде.
Вода — активный созидатель нашей планеты, один из её основных „строительных материалов“.
Миллиарды лет назад в холодном газопылевом облаке, со временем сгустившемся, уплотнившемся и ставшем Землёй, уже содержалась вода. Скорее всего, она была в виде ледяной пыли. Это подтверждают исследования Вселенной. Установлено, что исходные элементы для образования воды — водород и кислород — в нашей Галактике принадлежат к шести самым распространённым веществам космоса.
Скопления молекул воды и гидроксидных радикалов обнаружены за пределами Солнечной системы. В созвездиях Кассиопеи и Ориона найдены облака, состоящие из молекул воды. Размеры облаков колоссальны — их протяжённость в 40 раз превышает расстояние от Солнца до Земли. Нередки случаи падения на Землю остатков кометных ядер — „посланцев“ далёких миров. Чаще всего они представляют собой гигантские глыбы льда, смёрзшегося с метаном, аммиаком и минеральными частицами. Вес достигших Земли ледяных глыб может достигать сотен килограммов.
„Простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом“, — такое определение воды даёт Краткая химическая энциклопедия. Всё верно, только простейшее в химии — это далеко не простое.
До XIX века люди не знали, что вода — химическое соединение. Её считали обычным химическим элементом. Лишь в 1805 году Александр Гумбольдт и Жозеф Луи Гей Люссак установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один кислорода.
После этого свыше ста лет все и всюду считали, что вода — индивидуальное соединение, описываемое единственно возможной формулой H2O.
Недостаточность этого положения выяснилась лишь в 1932 году. Мир облетела сенсация: кроме воды обычной, в природе существует ещё и тяжёлая вода. В молекулах такой воды место водорода занимает его тяжёлый изотоп — дейтерий.
Тяжёлую воду открыли американские физики Гаральд Юри и Эльберт Осборн. В 1933 году американец Герберт Льюис совместно с Ричардом Макдональдом впервые выделили её в чистом виде.
В небольших количествах тяжёлая вода постоянно и повсеместно присутствует в природных водах, внешне совершенно не отличаясь от обычной воды. Различить их можно лишь по физическим характеристикам. В молекулу тяжёлой воды входят атомы не лёгкого водорода — протия (1H), а его изотопа — дейтерия (2D), атом которого на единицу тяжелее протиевого, следовательно, молекулярный вес тяжёлой воды на 2 единицы больше: 20, а не 18.
Формула тяжёлой воды D2O. Она на 10% плотнее обычной, её вязкость выше на 23%. Она кипит при 101,42°С, а замерзает при +3,8°С.
Такие особенности позволяют понять неравномерность содержания тяжёлой воды в тех или иных природных водах. Например, в замкнутых водоёмах её больше, так как по сравнению с обычной водой она испаряется менее интенсивно. Поэтому тяжёлой воды больше в местностях с жарким климатом. Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе и в тропиках, тем более что свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы, а тяжёлая вода конденсируется быстрее, чем лёгкая, следовательно, осадки обогащены тяжёлой водой. Однако для океанской поверхности повышенное содержание тяжёлой воды характерно лишь на низких широтах.
Вблизи полюсов свои особенности. В высоких южных широтах (в Антарктике) океанские воды заметно „легче“. В этом сказывается влияние талых вод антарктических айсбергов, которые отличаются наиболее низким содержанием дейтерия на планете.
Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии, тем не менее, океанские воды высоких северных широт обогащены тяжёлой водой. Тут сказывается таяние „тяжёлых“ арктических льдов.
Открытия последних лет показали, что тяжёлая вода играет немалую роль в биологических процессах. Это и понятно, ведь она является постоянной и повсеместной примесью природных вод. Систематическое изучение её воздействия на животных и растения начато сравнительно недавно. Различные исследователи независимо друг от друга установили, что тяжёлая вода действует отрицательно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжёлой воды.
Открытие тяжёлой воды послужило толчком к выяснению фракционного состава воды. Вскоре была обнаружена сверхтяжёлая вода T2O. В её составе место водорода занимает его природный изотоп, ещё более тяжёлый, чем дейтерий. Это тритий (T), он радиоактивен, атомная масса его равна 3. Тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота нейтронами космического излучения. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 8…9 атомов трития.
В небольших количествах сверхтяжёлая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере одновременно насчитывается лишь около 20 кг T2O. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоёмах её больше, чем в океанах; в полярных океанских водах её больше,чем в экваториальных. По своим свойствам сверхтяжёлая вода ещё заметнее отличается от обычной: кипит при 104°С, замерзает при 4…9°С, имеет плотность 1,33 г/см3.
Перечень изотопов водорода не кончается тритием. Искусственно получены и более тяжёлые изотопы 4H и 5H, тоже радиоактивные.
Таким образом, возможно существование молекул воды, в которых содержатся любые из пяти водородных изотопов в любом сочетании.
В периодической системе элементов Д.И. Менделеева кислород образует отдельную подгруппу. Она так и называется: подгруппа кислорода. Входящие в неё кислород, сера, селен и теллур имеют много общего в физических и химических свойствах. Общность свойств прослеживается, как правило, и для однотипных соединений, образованных членами подгруппы. Однако для воды характерно отклонение от правил.
Из самых лёгких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода — легчайшее. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяются положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем легче элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода самой высокой должна быть летучесть воды — гидрида кислорода.
Это же свойство очень явственно проявляется и в способности воды „прилипать“ ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своём составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с „посторонними“ атомами кислорода.
Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую, чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.
Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркала грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.
Самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления.
У самого тяжёлого из гидридов H2Te они отрицательны: выше 0°С это соединение газообразно. По мере перехода к гидридам более лёгким (H2Se, H2S) температуры кипения и замерзания всё более снижаются. Сохранись и далее эта закономерность, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при –70°С и замерзать при –90°C. В таком случае в земных условиях она никогда не могла бы существовать ни в твёрдом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное (парообразное) состояние. Но на графике зависимости температуры неожиданно резкий подъём — температура кипения воды +100°С, замерзания — 0°C. Это наглядное преимущество ассоциативности — широкий температурный интервал существования, возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты. Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте её парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100°С, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80°С (от 20 до 100°С).
Оказывается, вода обладает ещё одной замечательной способностью — высокой теплоёмкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоёмкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа.
Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.
Интересно, что теплоёмкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоёмкость разная при различных температурах, причём характер температурного изменения удельной теплоёмкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37°С, а при дальнейшем увеличении температуры — возрастает. Минимальное значение удельной теплоёмкости воды обнаружено при температуре 36,79°С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.
