Конфигурации воды
Член-корреспондент РАН Г. Р. Иваницкий Конфигурации воды
Аристотель точно прав:
У стихий особенный характер,
Царица всех — вода!
Другие — ерунда.
Студенческий фольклор
Описание воды — это неустанное спряжение глаголов „двигаться“ и „изменяться“. В нашем сознании и в разговоре вместе вода и время нередко бывают связаны. Мы, подражая старым грекам, говорим — „время течёт“; о огромных интервалах времени — „много воды утекло“; и сейчас фраза „нельзя повернуть время назад“ произносится как „нельзя вступить два раза в одну и ту же реку“. В разговорной речи к слову „вода“ нередко добавляют эпитеты — незапятнанная вода, размеренная вода, но это менее чем метафоры. О том, как ведёт себя вода на малых масштабах времён, порядка 10–5 с, „Химия и жизнь“ поведала в мартовском номере за этот год. В этой статье речь пойдёт о тех событиях, которые происходят в ней на огромных масштабах времени.
Ухабы на поверхности воды
При положительных температурах вода испаряется из хоть какого открытого водоёма, а как следует, верхний её слой оказывается более прохладным, чем внутренние. Температурный градиент приводит воду в движение. Прохладные слои воды опускаются вниз, тёплые — подымаются ввысь.
Современные матричные инфракрасные камеры с предельной температурной чувствительностью до 0,02°C и пространственным разрешением 30–50 мкм позволили нам в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН найти неведомые ранее макроструктуры, возникающие при конвективной подвижности воды при комнатной температуре на шкалах 102–105 с. Инфракрасная техника выявила в воде структуры, которые не заметны в видимом спектре длин волн и о существовании которых при комнатных температурах можно было только догадываться. Механизм их появления определяется испарением воды и появлением в ней конвекции Рэлея — Бенара.
Так в инфракрасном свете с длиной волн 8–12 мкм смотрятся конвективные ячейки, которые появляются из-за испарения воды в круглом сосуде при комнатной температуре. На графиках — температурные профили повдоль линий 1–1 (а), 2–2 (б), 3–3 (в), 4–4 (г). Расстояние меж горизонтальными штриховыми линиями соответствует 1°C
Напомним, что в ставшей традиционной работе, размещенной ещё в 1900 году, французский учёный Анри Бенар поведал о конвективных ячейках, позже нареченных его именованием. Он следил их, но не в воде, а в водянистом жире кашалота (температура его плавления около 46°C). Жир был налит узким слоем на железный горизонтальный лист, который подогревался снизу. Конвективное движение появлялось за счёт температурного градиента меж слоями — подогреваемым снизу и верхним, свободным, температура которого из-за остывания была ниже. В итоге поверхность жира разбилась на ячейки. Механизм появления таких ячеистых структур стал известен позже, примерно через 15 лет, благодаря работам лорда Рэлея, который сделал математическую модель конвективного движения. Мы, по-видимому, были первыми, кто нашел появление таких ячеек в воде при комнатной температуре.
А что с подвижностью водомерок? Не будут ли ячейки „ухабами“ на их пути? Вода держит водомерок на собственной поверхности из-за их маленького веса. Сила поверхностного натяжения воды — значимая, порядка 70 дин/см. Размер водомерок — 0,5–2 см. Это сопоставимо с величиной ячеек, которая тем больше, чем больше водоём. Водомерка в большенном водоёме может двигаться прямолинейно на расстояние порядка 1 м, потом она резко останавливается, будто бы наткнулась на препятствие, и делает поворот. В малом водоёме ячейки невелики и длина прямолинейного пробега сокращается. Таковой нрав движения водомерок принуждает представить, что насекомые ощущают „выпуклости“, создаваемые конвективными ячейками, и обходят небезопасные участки.
Встречающийся в Панаме и Коста-Рике шлемоносный василиск, размер которого добивается 80 см, бегает по воде, удерживая своё тело на поверхности стремительно чередующимися ударам задних лап, развивая при всем этом скорость 12 км/ч. Но стоять на аква глади ящерица не может; для отдыха она должна выбираться на сушу. Василиску в силу его больших размеров маленькие ячейки, по-видимому, особо не мешают: он способен двигаться прямолинейно на огромные расстояния, до 400 метров.
Её тепло — её достояние
Можно часами наслаждаться калейдоскопом орнаментов, создаваемых движением воды. Нрав её движения и возникающие в ней структуры — это игра различных сил природы. Тут проявляют себя гравитационные силы, тянущие воду вниз; архимедовы силы, поднимающие нагретые слои воды при её расширении; электронные силы,связанные с дипольными зарядами как молекул, так и кластеров воды, — они принуждают воду двигаться в электронном поле и переносить заряды от точки к точке; магнитные силы, возникающие при наличии электронных зарядов в искусственно наведённом магнитном поле либо в естественном поле Земли; силы давления, связанные как с конфигурацией толщи воды, так и с конфигурацией наружного атмосферного давления; силы вязкости и трения, зависящие как от чистоты воды, так и от взаимодействия её молекул со стенами сосуда, также от их рельефа, заряда и формы. Даже этот довольно большой перечень не полон. Строя модели воды, исследователи, обычно, упрощают задачку, отдавая главную роль зависимо от постановки задачки ограниченному набору сил. Традиционная гидродинамика, берущая своё начало от уравнения и аксиомы Бернулли, третировала электронными и магнитными силами в воде. Но в XXI веке потребности нанотехнологий принудили учить электрические взаимодействия молекул и кластеров воды с разными материалами искусственного и животного происхождения. Сейчас мы присутствуем при рождении новейшей ветки гидродинамики — электрической.
Временные шкалы всех жидкостей связаны с температурой. Чем выше температура, тем посильнее сжата шкала конфигураций — они происходят резвее. С увеличением температуры подвижность молекул воды обычно возрастает. Но для воды эта шкала — нелинейная, у неё есть целый набор экстремумов её физических характеристик и описываемых ими параметров. Некие из этих точек отлично известны. Температура 0°C и 100°C — таяние снега и кипение воды. При атмосферном давлении плотность воды максимальна при 4°C (поточнее, при 3,98°C). Аномальным образом по сопоставлению с другими жидкостями ведёт себя удельная теплоёмкость воды, достигая минимума при 40°C. Сжимаемость воды мала при 46°C. По-видимому, василиску бегать по таковой воде было бы не только лишь жарко, да и неловко, как человеку ходить по жаркому и зыбучему песку.
Разрабатывая термические машины, люди изобрели три метода регуляции тепла: изменять поверхность термообмена; использовать обтекающие нагреваемый либо охлаждаемый объект воды либо газы и, в конце концов, регулировать интенсивность нагрева самих топливных частей. Но природа за длительное время до человека использовала все эти три метода, сначала применяя на различных временных шкалах водные субстанции как охлаждающий либо нагревающий агент.
Водяной социализм: «У жарких отнять — прохладным добавить»
Вода, перемещаясь от тёплых зон к прохладным, сглаживает температуру и выручает локальные зоны объекта от перегрева либо переохлаждения, по другому говоря, от смерти. К примеру, человеческий организм содержит выше 50 л воды, из их 27 — внутриклеточная жидкость, 20 — тканевая жидкость и 3,4 л — плазма крови. Теплоёмкость воды достаточно высока и при атмосферном давлении равна 4,18 кДж/(кг·К). Для сопоставления; теплоёмкость этилового спирта практически вдвое, а серной кислоты — втрое меньше. Теплопроводимость воды при её связывании, к примеру, с белковыми структурами возрастает втрое и поболее. Нагрев крови обеспечивается теплопродукцией клеток тех органов, которые потребляют наибольшее количество кислорода (скелетные мускулы, сердечко, мозг либо печень) и соответственно выделяют за счёт окислительных процессов много тепла. В таких органах температура крови увеличивается, в других, работающих наименее активно, — снижается.
Время, с
Шкала времени
10–15
Изменение структур (H2O)п
10–12–10–13
Усреднение для обнаружения
кластеров (H2O)n
10–1–104
Образование ячеек при конвекции
100
Сокращения сердца (пульс)
100–102
Температурная аква регуляция
снутри человеческого организма
6?101
Минутка
102–103
Конфигурации конвективных структур в воде
при температуре порядка 20°С
3,6?103
Час
8,64?104
День
103–104
Адаптация человека при изменении
наружных критерий
106
Обновление воды в человеческом организме
2,6?106
Месяц
3,15?107
Год
2,2?109
Людская жизнь
1015
Возникновение человека
1018
Возраст Земли и появление жизни
Температура артериальной крови человека в сравнимо широком спектре температур наружной среды (в воздухе от 6,7 до ;32°C, а в воде от 26 до 32°C) благодаря движению крови от органа к органу остаётся практически неизменной — около 37°C. Подобная ситуация появляется и в тканях из-за движения тканевой воды, и в клеточках — в итоге движения клеточной воды. Временная шкала аква регуляции температуры снутри организма лежит в спектре 100–102 с, так как полный цикл кровообращения составляет около одной минутки. Но аква терморегуляция человека при его адаптации к изменениям наружной среды находится уже в другом временном спектре.
Содержание воды в человеческом теле колеблется от 45 до 75% от его веса и в главном находится в зависимости от содержания жира. Во время жары наше тело не может нагреться до температуры воздуха до того времени, пока вся вода, содержащаяся в нём, не улетучится. Но обезвоживание смертельно для организма. Таким макаром, молвят о температуре мокроватого организма, другими словами температура коже в критериях нагрева уменьшена за счёт испарения воды. Теплота испарения у воды сравнимо велика; при 100°C она равна 22,53?102 кДж/кг. Для сопоставления теплота испарения этилового спирта практически вдвое меньше. В среднем человек даже при комфортабельной температуры теряет за день около 500 мл воды.
При существенном повышении температуры наружной среды скорость внутреннего переноса тепла по человеческому организму не будет лимитирующим фактором, потому что время полного оборота крови в организме происходит стремительно. Лимитирующим же оказывается прогрев кожи. Из баланса количества тепла, которое передаётся через кожный покров в единицу времени и количества тепла, нарабатываемого снутри организма, можно оценить величину характеристического времени прогрева ткани. С увеличением температуры в окружающей среде возрастает выделение пота, поначалу за счёт включения в этот процесс всё большего количества потовых желёз, а позже из-за роста их производительности. К примеру, при температуре окружающего воздуха выше 50°C за один час может выделиться до 2-ух л. пота. Время адаптации оценивается от 9 мин. до 1,5 часа, другими словами попадает в спектр 103-104 с. Период полного обновления воды, к примеру, у мышей составляет 2,2 денька, а у человека 19 дней, другими словами порядка 106 с.
Ещё для философов античности аналогии меж человеком и окружающим его миром были естественным методом зания. Способ аналогий и сейчас остаётся продуктивным. В целом Землю можно уподобить живому организму, где перепады температуры по разным континентам и регионам много больше, чем меж органами человека, и доходят до 120°C (от –70°C до +50°C). Удельная теплота плавления льда в сбалансированном изобарно-изотермическом процессе при 0°C равна 334,4 кДж/кг. Теплопроводимость льда сравнимо маленькая — 2,2 Дж/м·с·град, а воды ещё меньше — 0,59 Дж/м·с·град. Если для начала движения потока воды требуются маленькие температурные градиенты, то для фазовых переходов (таяния льда, образования туч) конфигурации температуры и энергозатраты резко растут. Энергетический буфер планетки — это гидросфера Земли, её океаны, моря и реки. Они, как кровь в организме, сглаживают температурные конфигурации, уменьшают за счёт течений, испарения либо замерзания воды сезонные и дневные перепады температур в спектре времён 104–108 с и поболее.
Сито, на котором задержалась часть нашей истории
Ещё один принципиальный физико-химический нюанс параметров воды, проявившийся на очень большенном интервале времени, порядка 1018 с (3,5 миллиардов. лет), практически не дискуссировался в научной литературе, хотя его следствия важны для осознания устройств зарождения жизни на нашей планетке и био эволюции.
Сейчас имеющиеся живы организмы вместе с водой (кислородом и водородом) содержат в себе ещё до 25 из 83 долгоживущих частей таблицы Менделеева. При всем этом 14 из их аккумулированы в количествах, не превосходящих 0,01% общей массы организма. Фавориты посреди частей, составляющих 99% массы живого, — водород, кислород, углерод и азот. В неживой природе содержится несколько 10-ов элементов-„изгоев“, которые в живых системах не употребляются (либо практически не употребляются). К числу таких изгоев принадлежат, к примеру, соединения фтора. Почему появились классы элементов-лидеров и элементов-изгоев?
Навязывается обычный, но неполный ответ: живое на нашей планетке эволюционно формировалось из того, что было „под рукою“ в большенном количестве. Казалось бы, что вправду все фавориты — H, O, N и C — очень распространённые хим элементы, при всем этом физико-химической основой важных соединений живой природы служит углерод. Но его ближний сосед в таблице Менделеева, кремний, намного более распространён в земной коре. У него также есть способность присоединять четыре электрона и создавать ковалентные связи. Таким макаром, догадка об использовании хим частей для био эволюции только по аспекту их распространённости подтверждается только отчасти.
Посреди XX века некие учёные попробовали разъяснить выбор углерода стабильностью его связей: длина связей C–C равна 1,54 A, что существенно меньше связи Si–Si (2,34 A), а энергия связи атомов углерода составляет 80–83 ккал/моль, против 42,2 ккал/моль у кремния. Естественно, для длинноватых цепей био полимеров, таких, как ДНК, РНК либо белки, такое различие энергий даёт преимущество углероду. Но по показателю стабильности водород при присоединении его к углероду не был должен выиграть в конкуренции, к примеру, с фтором. Энергия связи C–F — 120 ккал/моль, энергия связи C–H — 99 ккал/моль. Не считая того, длины связей F и H с углеродом соизмеримы: 1,39 A и 1,09 A соответственно. Молекулы перфторуглеродов практически так же малогабаритны, как молекулы углеводородов, но более жёстки.
Противоречия просто устраняются, если представить, что поначалу на нашей планетке появилась вода с растворёнными в ней окисями неких металлов. Этот раствор стал главным фильтром предстоящего отбора и обусловил следующие этапы „выбора“ хим частей для синтеза живого и его эволюционного усложнения.
Каковы были припасы воды на заре био эволюции? На этот вопрос ответить тяжело. На данный момент в земной коре и литосфере, по различным оценкам, находится от 1 до 1,3 миллиардов. км3 воды. Гидросфера планетки в целом составляет 1,4–1,5 миллиардов. км3 воды. Ворачиваясь к анализу физико-химической базы био эволюции, необходимо подчеркнуть сначала специфику взаимодействия соединений разных частей с водой.
Движение маленький капли перфтордекалина C10F18 по поверхности воды:
а) фото капли на поверхности воды, налитой в чашечку Петри;
б) схема поперечного сечения капли по полосы АА;
в) линия движения резвого движения капли на поверхности воды (0,75–1 мм/с), когда вода насыщена газами воздуха;
г) линия движения неспешного движения капли (0,1 мм/с) в обеднённой газами воздуха воде (положение капли регится каждые 3 с)
С одной стороны, кремний соединён с атомами кислорода связями, которые оставляют два неспаренных электрона кремния и по одному у каждого атома кислорода, что, может быть, было бы отлично для эволюции, так как вызывает процесс суперполимеризации и обусловливает умеренную растворимость в воде таких соединений. Но с другой стороны, сами цепи кремния Si–Si неустойчивы в присутствии H2O и чувствительны к молекулам малого размера, имеющим неподелённые пары электронов. К примеру, углеводородное соединение — метан (CH4) — стабильно к воде и гидроокиси натрия, а кремневодородный аналог силан (SiH4), напротив, вступает с ней в реакцию, образуя силикат натрия и газообразный водород (SiH4 + 2NaOH + H2O > Na2SiO3 + 4H2). Другими словами, соединения C и Si ведут себя по-разному в аква окружении.
Также отличается сродство к воде соединений углерода с водородом и с фтором, так как перфторуглеродные молекулы устроены своеобразно: они покрыты „шубой“ из атомов фтора, все связи которых ковалентно замыкаются на находящихся снутри атомах углерода. Такие перфторуглеродные молекулы очень гидрофобны, они отталкиваются от воды; их маленькие капли могут двигаться по поверхности воды, толкаемые пузырьками выходящего из неё газа. Полная несмачиваемость водой таких соединений, по-видимому, и стала предпосылкой зачисления фтора в класс „изгоев“.
На исходном шаге био эволюции вода отбирала строительный материал для сотворения жизни, а потом сохраняла свои находки, сглаживая природные температурные катаклизмы. Суша по сопоставлению с океаном в основном была подвержена резким увеличениям либо снижениям температуры, что ускоряло эволюционный отбор. С одной стороны, кремний соединён с атомами кислорода связями, которые оставляют два неспаренных электрона кремния и по одному у каждого атома кислорода, что, может быть, было бы отлично для эволюции, так как вызывает процесс суперполимеризации и обусловливает умеренную растворимость в воде таких соединений. Но с другой стороны, сами цепи кремния Si–Si неустойчивы в присутствии H2O и чувствительны к молекулам малого размера, имеющим неподелённые пары электронов. К примеру, углеводородное соединение — метан (CH4) — стабильно к воде и гидроокиси натрия, а кремневодородный аналог силан (SiH4), напротив, вступает с ней в реакцию, образуя силикат натрия и газообразный водород (SiH4 + 2NaOH + H2O > Na2SiO3 + 4H2). Другими словами, соединения C и Si ведут себя по-разному в аква окружении.
Также отличается сродство к воде соединений углерода с водородом и с фтором, так как перфторуглеродные молекулы устроены своеобразно: они покрыты „шубой“ из атомов фтора, все связи которых ковалентно замыкаются на находящихся снутри атомах углерода. Такие перфторуглеродные молекулы очень гидрофобны, они отталкиваются от воды; их маленькие капли могут двигаться по поверхности воды, толкаемые пузырьками выходящего из неё газа. Полная несмачиваемость водой таких соединений, по-видимому, и стала предпосылкой зачисления фтора в класс „изгоев“.
На исходном шаге био эволюции вода отбирала строительный материал для сотворения жизни, а потом сохраняла свои находки, сглаживая природные температурные катаклизмы. Суша по сопоставлению с океаном в основном была подвержена резким увеличениям либо снижениям температуры, что ускоряло эволюционный отбор. В итоге животный и растительный мир суши обновился практически стопроцентно. Моря и океаны сохранили многие виды живых организмов ещё с юрского периода. Океан — это кладовая истории пополнения генофонда.
Итак, вода, как многозначный Янус, на различных временных шкалах выступала и выступает в различных обличиях собственных параметров и функций. Она кажется практически одушевлённым объектом. Обилие движения воды — водовороты, водопады, волны и конвективные ячейки — продолжает пленять и восхищать не только лишь учёных, да и поэтов, и живописцев. Для исследователей же она служит тем звеном, которое и сейчас позволяет соединить куски природы в единое целое.
Что ещё можно почитать на данную тему:
Иваницкий Г.Р. и др. Структуры на поверхности воды, наблюдаемые при помощи инфракрасной техники. Успехи физических наук. 2005, т. 175, №11.
Источник: wsyachina.narod.ru/physics/aqua_5.html
Последовательное изменение структур, видимое в инфракрасном свете с длиной волн 8–12 мкм при остывании воды от 40°С до 20°С в круглом резервуаре поперечником 17 см. В левом нижнем углу показано время в секундах. Температура в комнате 21,5°С
Гидробиологам увлекателен ответ на вопрос: оказывает влияние ли обнаруженная конвекция воды на организмы, живущие на поверхности водоёма? Спектр размеров живых созданий, бегающих по воде, очень велик и составляет несколько порядков: от сравнимо большой тропической ящерицы василиска до маленьких аква клопов-водомерок.
К примеру, водомерки Gerris remigis либо Gerris paludum могут развивать скорость до 0,5 км/ч. Эти и подобные им маленькие существа „говорят“ при помощи поверхностных волн, которые делают вибрацией ног. Время конфигурации конвективных структур самой воды в установившемся режиме не превосходит 103–104 с. Частоты общения насекомых лежат во временном спектре 10–1–10–2 с, другими словами на три — 5 порядков ниже. Как следует, на коммуникацию насекомых конвективные структуры воды оказывать влияние не должны. Может быть, что горбы и впадины ячеек делают малозначительные преломления звуковых волн и воспринимаются водомерками так же, как мы воспринимаем эхо.