Из чего делают воду
Вода – самая распространенная жидкость на планете, а ее формула H2O – известнейшая в мире.
Вода – одно из наиболее загадочных соединений на Земле. Во все времена люди верили в ее сверхспособности: в древние века говорили о «мертвой» и «живой» воде, сегодня все чаще можно услышать о необычных свойствах структурированной жидкости.
Вода с точки зрения химии
H2O – невероятно простая формула, но за ней стоит важная и загадочная субстанция. И даже химия, как наука, обязана своим существованием жидкости – первые опыты проводились на водных растворах. Несмотря на это, вода пока изучена не до конца.
Оксид водорода, как называют это вещество химики, состоит из двух атомов водорода и одного – кислорода. Соединяясь, эти три элемента создают невероятно прочную связь, разрушить которую не так просто. Весь секрет в том, что ионы водорода настолько малы, что могут проникать в оболочку кислородного атома соседней молекулы. Так образуется прочное соединение, объединяющее 4 элемента. Сила этой связи оберегает структуру воды от разрушения на протяжении миллионов лет.
У субстанции много имен. Для людей, не связанных с научной деятельностью, это просто вода. А ученые называют прозрачную жидкость оксидом или гидроксидом водорода, оксиданом, монооксидом дигидрогена, дигидромонооксидом и даже гидроксильной кислотой.
С точки зрения химии вода рассматривается как амфолит – вещество, одновременно обладающее свойствами кислоты и основания. Это одно из уникальных свойств жидкости.
Дигидроген является химически активным веществом, растворителем других элементов – органических и неорганических. В школьной программе изучают, что Н2О реагирует с активными металлами (например, кальцием, калием, натрием), галогенами, такими как фтор или хлор, а также с солями, кислотами и множеством других соединений. Кроме того, при нагревании вступает в реакции с некоторыми другими элементами (железом, магнием, углем, метаном, алкилгалогенидами).
Когда вода не бывает жидкой
Бесцветная субстанция без вкуса и запаха в зависимости от условий может быть в жидком, парообразном или твердом состоянии. Только вода способна на такие перевоплощения – ни одна другая субстанция не может так видоизменяться. Данные особенности возможны благодаря уникальному типу связей внутри молекулы.
100 градусов – не всегда точка кипения
Общеизвестно, что когда термометр показывает 0 °C, вода замерзает, а при 100 °C – закипает, превращается в пар. Но этот закон применим только при условии определенного атмосферного давления – 760 мм рт. ст. (1 атмосфера). Пропорционально снижению давления растет точка таяния льда, а температура закипания, наоборот, снижается.
При понижении атмосферного давления до определенного показателя, вода теряет способность оставаться жидкой: при температурных колебаниях лед сразу превращается в пар и наоборот.
Если давление повышать, можно достичь другого интересного эффекта: для плавки льда понадобится температура выше комнатной. А если бы в формуле Н2О вместо кислорода были соседние по таблице Менделеева элементы (например, сера или селен), то субстанция закипала бы уже при 80 °C.
В физике существует такое понятие, как тройная точка воды. Этот термин обозначает момент, когда жидкость существует одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Ученые говорят, что для достижения такого эффекта необходимо давление в 0,006 атмосферы и температура 0,001 °C.
И еще одна удивительная способность. Если в составе воды нет растворенных газов, она не превратится в лед даже при 70 градусах мороза и не закипит даже при +150.
Объемы вне правил
Плотность – еще один из физических параметров, характерных для всех веществ на планете. Вода – не исключение. Но и здесь у жидкости есть свои особенности, выходящие за пределы законов физики.
Ученые доказали, что плотность любого вещества зависит от температуры и объема. С повышением температуры увеличивается объем и снижается плотность. Но это правило перестает работать с водой, температура которой от 0 до 4 °C – с повышением температуры объем, наоборот, уменьшается. Из-за того, что плотность льда ниже, чем жидкой формы, водоемы всегда начинают замерзать сверху, а не снизу. А ледяная корка, образовавшаяся сверху, не дает промерзнуть остальной жидкости.
И еще несколько уникальных возможностей
Оксид водорода в нормальных условиях (при определенных показателях температуры и давления) – это бесцветная жидкость без вкуса и запаха. Но, оказывается, в таких обстоятельствах сохранять текучесть способна только вода. В аналогичной ситуации другие похожие соединения водорода предстают перед человеком в виде газов. Такие качества снова обусловлены специфическими связями внутри молекулы Н2О.
Если опрокинуть стакан, то содержимое не разлетается по сторонам, не рассыпается, а образует лужу с четко очерченными краями. Это происходит благодаря специфике молекулы воды – субстанция сохраняет вязкость и высокое поверхностное натяжение (по этому показателю монооксид дигидрогена проигрывает только ртути).
Оксид водорода является одним из лучших веществ-растворителей. Избегая научной терминологии, этот процесс можно описать примерно так. Молекулы воды берут в кольцо каждую молекулу растворенного вещества. Но не хаотично, а по определенной схеме: ионы с положительным зарядом притягивают к себе атомы кислорода, а отрицательно заряженные частицы – водород. По такому же принципу вода заполняет пространство в клетках всех живых организмов.
Поскольку в воде почти всегда есть какие-либо соли, то есть присутствуют ионы с положительным и отрицательным зарядом, она также обладает способностью электропроводности. При этом чистая вода, не содержащая в себе примесей других ионов, наоборот является идеальным изолятором.
Откуда взялась Н2О на планете
Вода имеет жизненно важное значение для выживания человечества. Сегодня мы знаем многое об этой субстанции, кроме самого первого вопроса: откуда она взялась на планете.
Каждый помнит картинку из средней школы, на которой изображен цикл кругооборота воды в природе. Жидкость испаряется из водоемов, конденсируется, образует облака и в виде дождя возвращается снова на землю. Все это верно, но школьная картинка никоим образом не объясняет, откуда взялась самая первая вода….
Есть мнение, что история появления воды на нашей планете насчитывает около 13,8 миллиарда лет до Большого взрыва. Астрономы считают, что жидкость на Землю перенесли кометы и астероиды, которые атаковали нашу планету на протяжении миллионов лет. Но так ли это все происходило на самом деле, сегодня ответить невозможно – научные споры продолжаются.
И совсем недавно исследователи из Гавайского университета, проанализировав состав скал на острове Баффинова Земля (Канада), пришли к неожиданному выводу. Они выдвинули новую теорию – о так называемой «родной» воде на Земле. Скалы на острове образовались непосредственно из мантии, без каких-либо влияний земной коры. И вот в их составе исследователи обнаружили стеклянные кристаллы, а в них – капельки воды, чей химический состав оказался идентичен формуле остального оксида водорода.
Гавайские ученые не берутся опровергать теорию об астероидах и кометах, но призывают научный мир по-новому взглянуть на возможные источники первой воды на планете. Возможно, когда Земля была еще молодой, ее подпитывала влага из нескольких точек.
Влага на планете
На Земле, как подсчитали исследователи, есть почти 1 500 миллионов кубических километров Н2О. Эта величина стабильна и количество жидкости на планете не меняется вот уже на протяжении миллионов лет.
Часть ее – поверхностная. Это именно те запасы, которые видны даже из Космоса, жидкость, благодаря которой наша планета получила название Голубой шар.
Вторая часть планетарной влаги – это подземные запасы. Чаще всего они представляют собой своеобразные гигантские сосуды, содержащие воду под высоким давлением. Первые подземные «резервуары» открываются на глубине всего нескольких метров. Именно эти водные запасы служат основой для бытовых колодцев. Учитывая, что верхний слой земли довольно рыхлый, они часто бывают грязными и не подходят для питья.
Но еще в доисторические времена люди умели очищать воду, делая ее подходящей для использования. К примеру, древние египтяне первыми на планете описали способы очистки воды. Эта древняя инструкция датируется примерно 1500 годами до нашей эры. Чтобы сделать жидкость безопасной для употребления, древние жители берегов Нила чаще всего кипятили ее, нагревали на солнце либо погружали в воду кусок раскаленного железа. А чтобы сделать ее прозрачной, пропускали кипящую жидкость через слой песка и гравия. Сегодня человечество прибегает к другим методам очистки, используя знания химии и физики.
Почти 70 % поверхности Земли покрыты водой. Но 97 % от всей влаги на планете – это соленая субстанция, насыщенная разными минералами и химическими соединениями. Теоретически человек может использовать ее для питья после очистки от примесей. Но на практике это довольно трудно и крайне дорого.
Приблизительно 2 % водных запасов – пресная жидкость, хранящаяся в ледниках на Северном и Южном полюсах. Они могли бы стать средством для утоления жажды, если бы не одно «но» – далекое расположение от места обитания людей. Немного больше 1,5 % от всех запасов составляют подземные воды, а 0,001 % влаги хранится в облаках. И только менее 1 % резервов Н2О реально доступно людям. Но и это еще не все водные запасы Земли. Больше 6 тысяч км куб. жидкости содержится во всех живых организмах на планете. А это растения, животные и мы с вами. Ведь помним, что человек – это 60-70 % Н2О.
Если рассчитать процентное соотношение всей воды на планете, то получится, что:
- 97,54 % – это океаны;
- 1,81 % – ледники;
- 0,63 % – подземные воды;
- 0,009 % – реки и озера;
- 0,007 % – соленая вода на материках;
- 0,001 % – вода в атмосфере.
Виды земной воды
Вода на Земле представлена в соленом виде (более 97 %), пресном (2,5 %) и в виде рассолов (жидкость с примесью солей, отрутохимикатов, органических соединений).
Но это не единственная классификация жидкости. Обращая внимание на содержание кальция и магния в ее составе, различают мягкую и жесткую воду. Учитывая характер водородного изотопа, она бывает легкая, тяжелая и сверхтяжелая.
Помимо этого, некоторые классификации выделяют талую субстанцию, структура которой, как порой убеждают, идентична протоплазме клеток нашего организма и обладает полезными свойствами.
Вода и…климат
Известно, что оксид водорода способен отдавать тепло, почти не снижая собственной температуры. Это один из факторов, от которых зависит климат на планете.
Земные рельефы формируются и за счет воды. Будучи вторым по подвижности (после воздуха) веществом на планете, монооксид дигидрогена способен перемещаться на большие дистанции, меняя поверхность почвы на своем пути.
…Космос
Но Земля – не единственное место «обитания» воды. Эта субстанция часто встречается в Космосе, правда, чаще в виде льдов или пара. И именно этот факт позволяет некоторым ученым предполагать, что жизнь на других планетах также возможна.
Исследователи Космоса считают, что некоторые кометы на 50 % состоят из воды (в виде льда). А в 2009 году сотрудники НАСА получили достоверные свидетельства того, что и на Луне присутствует лед, причем в достаточно большом количестве. Кроме того, вода-лед есть на спутниках Сатурна и Юпитера (Европа, Тефия, Энцелада, Ганимеда), в составе астероидов. Также предполагают, что Н2О есть и на транснептуновых объектах.
Атмосфера практически всех планет Солнечной системы (и Солнца в том числе) содержит в себе воду в виде пара. Больше всего таких запасов есть в атмосфере Меркурия – примерно, 3,4 %. Для сравнения: земная атмосфера над тропиками содержит около 3-4 % пара, а в Антарктике – всего 2х10−5 %.
Но на этом водные запасы Космоса не ограничиваются. Есть мнение, что вода в жидком виде – обычное явление на некоторых спутниках планет. Пока самые большие надежды ученые возлагают на спутник Юпитера – Европу.
…человек
Принято полагать, что человек на 2/3 состоит из воды. Но на самом деле, этот показатель не статический, и водный процент в составе нашего тела колеблется на протяжении всей жизни.
Больше всего влаги есть в человеческом эмбрионе. Зародыш будущего человека – это приблизительно 97 % воды. Немного меньше, в пределах 92 % жидкости, содержится в теле новорожденного. Подростки – это уже 80 % воды, а взрослые «наводнены» на 70-75 %.
Меньше всего Н2О в организме людей преклонного возраста – только 60 %. Не потому ли с годами человек теряет жизненные силы и начинает болеть?
Пожалуй, вода – единственное вещество, на отсутствие которого организм реагирует очень быстро и сразу же серьезными последствиями. Считается, что без пищи человек может продержаться несколько недель. Дефицит витаминов, микро- и макронутриентов вызовет негативные последствия также через некоторое время. Но достаточно всего на несколько дней отказаться от воды, чтобы организм дал понять: это катастрофа.
Терять запасы влаги мы начинаем уже при первых проявлениях жажды. Достаточно лишиться только 5 % жидкости, чтобы возникли трудности с глотательным синдромом, начались галлюцинации и обмороки, нарушились слух и зрение. Если вовремя не восстановить водный баланс, возможен летальный исход.
Функции воды в организме:
- выводит токсины, шлаки, соли и продукты жизнедеятельности;
- транспортирует полезные вещества ко всем органам;
- способствует сокращению мышц;
- играет роль смазки для суставов;
- регулирует кроветворение, артериальное давление;
- активирует работу мозга;
- ускоряет обменные процессы;
- поддерживает стабильную температуру тела;
- защищает органы от повреждений;
- прибавляет силу и энергию.
Польза для человека
Вода – это главный компонент всех тканей в человеческом организме.
В каждом органе концентрация жидкости разная. Самые большие запасы влаги сосредоточиваются в глазном яблоке (которое почти на 99 % состоит из воды), а самые низкие – в эмали зубов (только 0,2 %). Высокая концентрация воды есть также в головном мозге (почти 70 %), поэтому без жидкости робота органа стала бы невозможной.
Монооксид дигидрогена вокруг нас повсюду. И более половины человеческого тела – это Н2О. Для всех биохимических процессов внутри нас также необходима вода. Итак, как оксид водорода влияет на функционирование организма?
- Правильное пищеварение.
Правильный водный баланс способствует физиологическому пищеварению. Вода помогает быстро и легко избавляться от продуктов жизнедеятельности, снижает нагрузку на почки и печень во время очищения организма, предотвращает возникновение запоров.
- Здоровье сердечно-сосудистой системы.
Существует связь между количеством потребления питьевой воды и риском развития ишемической болезни сердца. Опасность возникновения кардиологических болезней значительно ниже у тех, кто отдает предпочтение чистой питьевой воде, вместо сладких соков и газировок.
- Сила мышц.
Потоотделение в тренажерном зале заставляет мышцы терять влагу, и когда ее недостаточно, мускулы устают быстрее. Поэтому для поддержания энергии во время длительных тренировок важно восстанавливать запасы жидкости.
- Свежесть кожи.
Причиной прыщей и воспалений на коже часто являются токсины. Быстро очистить организм поможет дополнительное употребление воды. Также правильный баланс влаги защитит кожу от преждевременного старения, пересыхания и возникновения морщин.
- Теория о профилактике рака.
Недавние исследования позволили ученым выдвинуть интересную теорию. По их мнению, развитие рака мочевого пузыря по большому счету зависит от уровня воды в организме: чем выше показатель влаги в теле, тем ниже риск заболеть. Ученые объясняют эту теорию тем, что частое мочеиспускание позволяет быстрее (и в бОльших количествах) выводить из организма канцерогены, предотвращая их накопление в пузыре. По этому же принципу, считают исследователи, можно защитить себя от рака молочной железы и кишечника.
- Польза для почек.
Почки выводят токсины, помогают контролировать баланс жидкости в организме и артериальное давление. Единственный способ поддержать правильную работу органа – потреблять достаточное количество жидкости.
- Защита для хрящей и суставов.
Влага позволяет хрящам вокруг суставов оставаться эластичными и не высыхать, а для самых суставов вода входит в состав смазки. Кстати, околосуставные хрящи почти на 85 % состоят из монооксида дигидрогена, поэтому столь важно поддерживать здоровый уровень влаги.
- Значительность для мозга.
Обезвоживание крайне негативно сказывается на тканях головного мозга, который без влаги начинает ссыхаться. Без поддержания надлежащего водного баланса ему труднее выполнять свои функции, особенно во время экзаменов или ответственных дел.
- Защита от респираторной вирусной инфекции.
Опыт, проведенный при участии 400 людей, показал: для того, чтобы уберечь себя от инфекций и респираторных заболеваний во время эпидемии, нужно соблюдать правила личной гигиены и регулярно полоскать горло обычной чистой водой. Люди, принимавшие участие в эксперименте, реже болели, а недуг протекал в более легкой форме, без осложнений.
- Выносливость и бдительность под контролем.
Обезвоживание всегда вызывает слабость и быструю утомляемость. Заметили, что начали чаще уставать, а силы покидают вас? Подсчитайте, сколько воды выпиваете в сутки. Возможно причина утомления – в нехватке жидкости. Если на протяжении длительного времени понадобится сохранять бдительность, стоит позаботиться, чтобы под рукой всегда была бутылка с негазированной водой. Обезвоживание ведет к ухудшению концентрации внимания, а также снижает сосредоточенность, ухудшает моторику и память.
- Средство от депрессии.
Еще одно интересное исследование показало: настроение напрямую зависит от количества воды в теле. Чем выше процент обезвоживания, тем хуже расположение духа. Интересно и то, что, по мнению исследователей, вода также является средством против депрессий. После приема теплого душа в организме активизируется выработка окситоцина – гормона, вызывающего расслабление.
- Этот лечебный шум прибоя…
Высказывание, что можно вечно смотреть на огонь и воду, известно многим. Правда, на воду надо не просто смотреть, а еще и слушать ее звуки, которые, по мнению исследователей, обладают терапевтическим эффектом. Неприятные шумы общественного транспорта, строительных инструментов и крики ведут к повышению артериального давления, ускоряют пульс, вызывая выброс гормона стресса. А звуки воды, напротив, принадлежат к числу наиболее приятных для человека. Они способны успокаивать и благотворно влиять на весь организм.
Также есть мнение, что люди, живущие на побережье, обладают более крепким здоровьем, а аквааэробика приносит больше пользы, в частности для сердечно-сосудистой системы, чем занятия на суше.
Сколько влаги необходимо человеку
Сколько воды необходимо пить ежедневно? На этот, казалось бы, простой вопрос нет однозначного ответа. На протяжении многих лет ученые проводили много исследований и каждый раз озвучивали разные цифры. На самом деле, единого ответа и не существует. Все зависит от возраста, пола, среды обитания и рода деятельности человека.
Люди, живущие на побережье, получают дополнительную влагу из воздуха, поэтому могут позволить себе выпивать немного меньше жидкости, чем другие. А вот жители жарких стран, наоборот, должны как можно тщательнее контролировать свой водный баланс, так как более подвержены обезвоживанию.
Употребление жидкости в меньшем количестве, чем этого требует организм, ведет к серьезным нарушениям в работе систем и органов. Но избыток также опасен для здоровья. Так кому и сколько воды положено?
При нормальных обстоятельствах количество влаги в организме контролирует жажда и мочеотделение. И это обычный водный цикл. Не стоит забывать, что жажда может быть признаком некоторых болезней, в частности сахарного диабета. Поэтому, если желание пить не пропадает на протяжении долгого времени, нужно не откладывая обратиться к врачу.
В 2010 году на своем очередном съезде диетологи Европы предложили минимальными нормами потребления воды считать:
- 2 л – для мужчин;
- 1,6 л – для женщин.
Но это только приблизительные цифры, которые не учитывают образ жизни и физическую активность человека.
Помимо этого существует формула, по которой можно рассчитать более точную суточную норму, исходя из массы тела. Для этого достаточно знать, что на 1 кг веса должно приходиться по 30 мл воды ежедневно.
Кому больше?
Однако бывают ситуации, когда организм нуждается в повышенном потреблении жидкости:
- (увеличение потребления жидкости поможет справиться с проблемой);
- физическая активность на жаре;
- цистит (помогает выводить патогенные микроорганизмы).
Потребность организма в воде увеличивается во время кормления грудью и в преклонном возрасте.
Жаркая погода, повышенная потливость, расстройство пищеварения, сопровождающееся рвотой и поносом, также являются причинами прибавить еще несколько стаканов воды к обычной суточной норме.
Позаботиться о дополнительной бутылке питьевой воды стоит и людям, чрезмерно потребляющим соль. После слишком соленой пищи всегда хочется пить. Таким образом организм сигнализирует о необходимости дополнительной воды, так как избыток соли меняет состав крови.
Суточная норма потребления жидкости также зависит от погодных условий. За окном высокая температура и пониженная влажность? Это идеальные условия для перегревания тела. Чтобы защититься от этого, тело начинает интенсивно покрываться потом. Поэтому во избежание обезвоживания важно регулярно восстанавливать утраченные организмом запасы влаги.
Признаки обезвоживания
Чувство жажды и темный цвет мочи с острым запахом – явные признаки обезвоживания организма.
Среди других симптомов:
- ;
- головокружение, обморок; тела;
- спазмы в мышцах;
- боли в суставах; ;
- спутанность сознания;
- повышение холестерина;
- ухудшение слуха и зрения; .
Но наиболее серьезное последствие дефицита влаги – сгущение крови. В такой консистенции она не способна эффективно выполнять свои функции: органы не получают кислород в нужном объеме, а продукты обмена не покидают организм, отравляя его.
От недостатка жидкости в теле страдают все слизистые оболочки. Не получая необходимого количества влаги, они пересыхают и начинают трескаться. Сухая кожа, акне, ломкие волосы, налет на языке, запах изо рта, нервозность, рассеянность и мигрени также являются внешними признаками дегидратации.
Риску обезвоживания более подвержены люди из крайних возрастных групп, то есть дети и пожилые. Если младенец начал дышать быстрее, стал сонным и вялым, а количество мокрых пеленок за сутки значительно уменьшилось, это может служить сигналом о дегидратации. Недостаток влаги в пожилом организме обычно вызывает путаницу в сознании.
Важно помнить, что причиной быстрого обезвоживания могут послужить диарея, рвота, обильное потоотделение во время лихорадки. Согласно исследованиям, потеря примерно 1,5 % влаги вызывает ухудшение настроения, снижение концентрации и головные боли. А дегидратация на 2-3 % отрицательно сказывается на функционировании мозга.
Кроме этого, обезвоживание может стать причиной таких болезней, как:
- ожирение;
- артрит;
- гастрит и запоры;
- камни в желчном пузыре.
Опасный монооксид дигидрогена
Опасность чрезмерного употребления воды зависит от степени превышения нормы и состояния здоровья. Человек, чьи почки функционируют исправно, способен быстро избавиться от избытка влаги. Однако стабильная гипергидратация (чрезмерное насыщение организма водой) опасна вымыванием полезных солей. В частности, некоторые спортсмены (особенно участники марафонских забегов), употребляющие слишком много воды, страдают острым дефицитом натрия. А вот для людей с почечными патологиями или сердечными проблемами избыток влаги в организме может стать серьезной проблемой – вызвать отеки стоп, лодыжек, лица.
Об избытке Н2О организм может свидетельствовать избыточным весом, отеками, обильным потоотделением и повышенным давлением. В особо тяжелых случаях возможны нарушения в работе сердца и легких.
Правильный водный баланс – важный аспект для здоровья и жизни человека. По этой причине природа наделила нас механизмами для регулирования уровня влаги в теле. Когда объем воды опускается ниже допустимого, мы ощущаем жажду.
От чего зависит процент Н2О в организме
Процент влаги в организме – индивидуальный показатель для каждого человека.
На количество жидкости влияют пол, возраст, место проживания, образ жизни и строение тела. Кстати, у тучных за счет жировой ткани процент жидкости в организме более высокий, чем у людей с нормальным или недостаточным весом.
Но не только физиология определяет содержание воды. Характер питания также сказывается на нем. Алкоголь, кофе, курение и потребление мяса в большом количестве ускоряют выведение влаги. Вызвать водный дисбаланс также могут газировки, в составе которых есть химические вещества, ускоряющие дегидратацию.
Эти знания важно учитывать, составляя индивидуальную программу потребления воды. А вот обычная поваренная соль поможет задержать влагу в теле. Помня об этом легко предотвратить обезвоживание в жаркую погоду или после пищевых расстройств.
Предупредить потери влаги поможет смесь из 1,5 г соли, 2,5 г витамина С и 5 г глюкозы, разведенных в полулитре воды. Данный рецепт активно используют путешественники в условиях нехватки жидкости для питья.
Усвояемость жидкости
Полезной для человека считается только чистая вода, без вредных примесей. Важно избегать так называемой «тяжелой» субстанции, которая является изотопом Н2О. Ее главное отличие – в структуре молекулы, а это впоследствии усложняет протекание всех биохимических процессов в организме.
Многие исследователи рекомендуют отдавать предпочтение «легкому» варианту воды – талой. Считается, что эта жидкость способна благотворно влиять на сердечно-сосудистую систему, метаболические процессы и регенерацию тканей.
Также процесс усвояемости воды напрямую зависит от состояния здоровья (ухудшается при обезвоживании и в старческом возрасте). В особо тяжелых случаях водный баланс тела восстанавливают с помощью физиологического или раствора Рингера-Локка, введенных внутривенно.
Вода спасет от лишних килограммов
Любительницы диет для похудения, скорее всего, знают: бороться с чрезмерным аппетитом помогает вода. Разыгрался голод? Обмануть организм легко. Для этого достаточно выпить стакан теплой воды – желудок растянется, в мозг пойдут сигналы о насыщении.
Кроме того, согласно исследованиям, 500 мл жидкости способны временно (на протяжении 90 минут) ускорять метаболизм на 25-30 %. А выпитые 2 л воды в день, по подсчетам ученых, увеличивают расход энергии примерно на 96 калорий. При этом лучше отдавать предпочтение холодной воде – организм потратит дополнительные калории на согревание жидкости.
Иные исследования показали: стакан воды, выпитый примерно за полчаса до еды, также способен уменьшить количество употребляемых калорий. Особенно эффективно этот прием работает в пожилом организме. Сидящим на диете достаточно выпивать перед едой 2 стакана воды, чтобы за 12 недель сбросить на 44 % больше лишнего веса.
Но на этом влияние воды на вес тела не ограничивается. Дефицит Н2О, наоборот, может послужить причиной ожирения. И все дело в том, что испытывающий жажду организм, пребывая в состоянии стресса, посылает мозгу сигналы… о голоде. Человек принимается кушать, а лишние калории откладываются в виде подкожного жира.
Запивать или не запивать – вот в чем вопрос…
Первое, второе и компот – этот обеденный набор известен всем еще с детского сада. В этом рационе все, казалось бы, правильно, кроме порядка приема продуктов. Обычно компот, чай или воду мы оставляем на окончание трапезы. И в этом вся ошибка. Если выпитая перед едой жидкость нормализует физиологические процессы в организме и способствует понижению холестерина в крови, то все напитки после трапезы – только во вред.
Врачи выступают категорически против такой практики, поскольку вода разбавляет желудочный сок, замедляя процесс пищеварения. Поэтому любой напиток следует потреблять не ранее чем через полтора-два часа после еды. Но питаться всухомятку также не стоит. Бутерброды, выпечку и другую сухую пищу лучше кушать с напитками или чистой водой.
Но воду можно не только пить…
Рекомендация многих диетологов состоит в том, чтобы употреблять, как минимум, 8 стаканов жидкости в сутки. Для некоторых это может показаться слишком сложным. Но кто сказал, что всю норму надо выпивать? Часть из нее можно… кушать.
Источниками примерно 20 % воды в обычном рационе являются фрукты и овощи. Многие из них более чем на 90 % состоят из жидкости, например арбуз. А вот груши содержат в себе примерно 84 % влаги, в бананах найдется не более 74 % воды. Но все фрукты – это еще и превосходные источники клетчатки. Это значит, что при потреблении минимума калорий легко достичь чувства сытости. То же самое можно сказать и про овощи.
Мясо и рыба, хоть и содержат в себе не так много воды, как растительная пища, но все же могут послужить источником Н2О. Например, камбала на 79 % состоит из воды, куриное мясо – на 69 %, а говяжий фарш содержит 63 % влаги. Что касается куриных яиц, то они являются водой на 75 %. Относительно высокое содержание монооксида дигидрогена – в йогуртах (примерно 89 %), молоке (87 %) и мороженом (61 %). А вот в сырах твердых сортов максимальный предел – 40 % влаги.
15 наиболее «водных» продуктов:
- огурец (содержание воды – 96,7 %);
- листовой салат (96,6%);
- сельдерей (95,4%);
- редис (95,3 %);
- томаты (94,5 %);
- зеленый перец (93,9 %) (в красных и желтых сортах содержание воды – 92%);
- цветная капуста (92,1 %)
- арбуз (91,5 %);
- шпинат (91,4 %);
- карамболь (91,4 %);
- клубника (91 %);
- брокколи (90,7%);
- грейпфрут (90,5%);
- молодая морковь (90,4%);
- дыня (90,2%).
Интересные факты о воде:
- Согласно прогнозам ООН, 2/3 населения планеты столкнутся с дефицитом воды уже к 2025 году.
- Употребление слишком большого количества монооксида дигидрогена может вызвать смерть (так называемая водная интоксикация).
- Вода – наиболее распространенное вещество на планете.
- Если бы все мировые запасы Н2О уместились в 4-литровом кувшине, количество жидкости, подходящей для использования человеком, равнялось бы 1 столовой ложке.
- При некоторых условиях горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная (Эффект Мпембы).
- Каждый день человек выдыхает немного больше, чем стакан воды.
- При замерзании вода расширяется на 9 %.
- Наивысший процент Н2О – в огурцах и в теле медузы (около 95%).
- Оксид водорода в жидком виде отражает 5% солнечных лучей, в то время как снег – более 85 %.
- Морская вода замерзает при температуре примерно минус 2 градуса по Цельсию.
- Если бы поверхность Земли была абсолютно ровной, Мировой океан поднялся бы над ней на 3 км.
- Водные запасы в мантии нашей планеты в 10 раз превышают запасы Мирового океана.
- Восьмая часть суши оказалась бы под водой, если бы растаяли все ледники.
И это, пожалуй, еще далеко не все, чем может удивить нас вода. Людям науки предстоит и дальше делать потрясающие открытия об этой необыкновенной субстанции. А пока человечество, как и сотни лет тому назад, наслаждается видом морских волн и каплями утренней росы и с замиранием сердца трепещет перед водной стихией во время наводнений и гроз, восхищаясь красотой и силой воды.
Больше свежей и актуальной информации о здоровье на нашем канале в Telegram. Подписывайтесь: https://t.me/foodandhealthru
Специальность: терапевт, невролог .
Общий стаж: 5 лет .
Место работы: БУЗ ОО «Корсаковская ЦРБ» .
Образование: Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева .
Из чего делают воду
ВОДА – оксид водорода H2O.
В течение многих столетий вода считалась простым веществом. Лишь в 1783 французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) сумел разложить ее. Он показал, что вода состоит из водорода и кислорода, а в 1789 дал первую оценку ее количественного состава: 15% водорода и 85% кислорода. В дальнейшем количественный анализ воды проводили многие ученые. Долгое время образцовыми считались результаты французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778–1850), полученные около 1808: 13,27% водорода и 86,73% кислорода. Только в 1821 шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) и французский физик и химик Пьер Луи Дюлонг (1785–1838) сделали более правильный анализ воды и нашли, что она содержит 11,1% водорода и 88,9% кислорода, что очень близко к современным значениям (11,19% водорода и 88,81% кислорода).
Изучая объемные отношения реагирующих газов, Гей-Люссак показал, что один объем кислорода и два объема водорода при взаимодействии дают два объема водяного пара (при температуре выше 100° С). На основании этих результатов с учетом закона Авогадро был сделан вывод, что две частицы водяного пара образуются из одной частицы кислорода и двух частиц водорода. Таким образом была выведена формула воды H2O.
На нашей планете вода играет очень важную роль. В природе она совершает непрерывный круговорот. Под влиянием солнечной энергии жидкая вода (главным образом, в теплых морях и океанах) превращается в пар, который поднимается в верхние слои атмосферы. Это происходит благодаря тому, что водяной пар легче воздуха. Так происходит образование облаков, которые ветрами переносятся в другие части планеты, где в виде дождя и других осадков вода попадает на поверхность земли. Здесь она образует ручьи и реки, которые возвращают испаренную воду в океаны (рис. 1).
Чистой воды в природе нет. Даже наиболее чистая дождевая вода при падении через атмосферу растворяет газы и захватывает пыль. При ее испарении всегда остается небольшой остаток – около 0,03 г на литр. На поверхности земли вода дополнительно растворяет многие твердые вещества. Часть ее впитывается в почву. В глубине земли продолжается растворение различных веществ, так что при выходе на поверхность вода иногда образует минеральные источники. Ключевая и колодезная вода от растворенных в ней солей часто бывает жесткой.
Речная (пресная) вода содержит до 0,5 г растворенных солей в одном литре. В конце концов, все это попадает в море. Таким образом, море, испаряя чистую воду, получает взамен воду с растворенными в ней веществами. Количество солей, поставляемое реками в моря и океаны, огромно. Так, река Дон ежегодно вносит в Азовское море около 16 млн. т солей, Дунай в Черное море – 9 млн. т.
В океанской воде содержится около 35 г солей в литре. Столько же имеется в водах большинства морей. Однако для закрытых морей встречаются отклонения от средней солености, связанные с числом впадающих рек, средней температурой и другими факторами. Балтийское море содержит лишь 3–8 г солей на литр, а Красное – до 45 г. В соленых озерах содержание солей может быть намного больше: в Мертвом море – 228 г в одном литре, в оз. Эльтон – 270 г. В морской воде растворен, в основном, хлорид натрия; кроме того, имеются и другие соли натрия, магния, кальция.
Для научной работы, а также для фармацевтических и других целей, воду перегоняют (рис. 2). Для этого ее превращают в пар, который затем охлаждают, получая чистую дистиллированную воду. Примеси остаются в перегонном сосуде.
Молекула воды имеет угловое строение с длиной связи О–Н 96 пм и валентным углом Н-О-Н 104,5°. Молекула воды полярна, ее дипольный момент равен 1,86 Д.(Д –дебай, 1 Д = 3,34·10 -30 Кулон·м).
Природная вода содержит следы «тяжелой» воды (оксида дейтерия) D2O. Физические свойства H2O и D2O заметно различаются.
H2O | D2O | |
t плав.,°С | 0,0 | 3,8 |
t кип., °С | 100,0 | 101,4 |
Свойства воды служат точкой отсчета для многих физических величин. Так, температуры замерзания и кипения воды лежат в основе шкалы Цельсия. Один литр – это объем 1 кг чистой воды, взвешенной при +4 °С (при этой температуре вода имеет максимальную плотность).
Многие физические свойства воды аномальны по сравнению с другими жидкостями. Одной из причин этого служат малые размеры молекул воды – минимальные среди всех жидких веществ при обычных условиях. Однако наиболее важным свойством воды является ее способность образовывать прочные водородные связи.
В водяном паре при температуре кипения и атмосферном давлении присутствует около 1% димеров, в которых молекулы воды объединены в пары водородными связями. В жидком и твердом состоянии каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две как донор протонов и две – как акцептор протонов. Водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 3.).
Если бы водородных связей не было, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов. Водородные связи являются причиной и другого уникального свойства воды – при плавлении ее плотность возрастает. При 0°С плотность льда (0,9168 г/см 3 ) меньше, чем плотности жидкой воды (0,9998 г/см 3 ), поэтому лед плавает на поверхности воды. Если бы у льда была более высокая плотность, по мере замерзания он опускался бы на дно, что сделало бы жизнь в водоемах зимой невозможной.
Чтобы превратить воду в пар, надо затратить много энергии – около 44 кДж/моль. При обратном переходе пара в жидкую воду выделяется то же количество теплоты.
Вода устойчива при нагревании вплоть до 1000°С. При более высоких температурах она частично разлагается на водород и кислород. Эти же продукты образуются при электролизе воды.
Разложение воды искрами электрической машины заметили еще в 1789, а годом позже воду разложили с помощью гальванического электричества. В России это впервые было сделано профессором С.-Петербургской Медико-Хирургической Академии В.В. Петровым летом 1802 посредством огромной «гальвани-вольтовой батареи», состоявшей из 4200 медных и цинковых кружков. Электролиз чистой воды идет очень медленно. Для более быстрого разложения воды электрическим током в нее добавляют какую-либо кислоту, щелочь или соль. Этот процесс иногда используют для получения чистого водорода и кислорода (рис. 4).
Под действием УФ-излучения вода распадается на ионы Н + и ОН – , а под действием ионизирующего излучения радиоактивных веществ – образует Н2, Н2О2 и свободные радикалы Н*, ОН*, НО2*.
Вода вступает в химическое взаимодействие со многими простыми веществами. Большинство таких реакций протекает при высокой температуре. Только наиболее активные металлы (щелочные и щелочноземельные) и неметаллы (галогены) реагируют с водой при комнатной температуре. Однако при одновременном воздействии воды и окислителей даже при обычной температуре происходит разрушение металлов средней активности (таких как железо) в результате коррозии.
Очень сильными восстановителями вода восстанавливается до водорода, очень сильными окислителями – окисляется до кислорода.
Вода взаимодействует со многими основными оксидами с образованием гидроксидов. В реакциях воды с большинством кислотных оксидов образуются кислоты.
РЕАКЦИИ ВОДЫ
С простыми веществами: | |
металлами | неметаллами |
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 | Cl2 + H2O⇋ HCl + HClO |
2Fe + 3H2O = Fe2O3 + 3H2 (600 °C) | H2O + C ⇋ CO + H2 (800–1000 °C) |
С оксидами: | |
основными | кислотными |
CaO + H2O = Ca(OH)2 | SO3 + H2O = H2SO4 |
Na2O + H2O = 2NaOH | N2O5 +H2O = 2HNO3 |
Термическое разложение: 2Н2О⇋ 2Н2 + О2 |
Некоторые сложные вещества полностью разлагаются водой – подвергаются необратимому гидролизу:
Вода может служить катализатором. Например, щелочные металлы и водород реагируют с хлором только в присутствии следов воды. Иногда вода является каталитическим ядом, например, для железного катализатора при синтезе аммиака.
В результате образования водородных связей твердая вода (лед) имеет рыхлую структуру с обширными замкнутыми полостями двух типов: больших и малых. В этих полостях могут размещаться молекулы других веществ, имеющие соответствующие размеры. Они удерживаются в них ван-дер-ваальсовыми силами. Так образуются газовые гидраты – клатраты, соединения типа «гость-хозяин», в которых «гостями» являются молекулы газов или легкокипящих жидкостей (благородные газы, галогены, углеводороды и др.), а «хозяевами» – молекулы воды, образующие кристаллический каркас. По внешнему виду газовые гидраты напоминают снег или рыхлый лед, но могут существовать только при повышенном давлении и отрицательной (по Цельсию) температуре. Наиболее важным на сегодняшний день газовым гидратом является гидрат природного газа метана, колоссальные скопления которого обнаружены в недрах земли, в особенности на шельфе морей и океанов.
Газовые гидраты относятся к соединениям переменного состава. Если диаметр молекулы газа менее 0,52 нм (Ar, CH4, H2S), то в предельном случае могут заполниться и большие и малы полости кристаллической решетки. При полном заполнении всех полостей число молекул воды, приходящихся на одну молекулу «гостя», составляет 5,75 (например, 4Ar . 23H2O). Молекулы «гостей» с диаметром от 0,52 до 0,59 нм (Br2, CH3SH, COS) могут заполнять лишь большие полости. В этом случае минимальной число молекул воды, приходящееся на одну молекулу «гостя», равно 7,66 (например, 3Br2 . 23H2O). Гидраты газов с диаметром молекул от 0,59 до 0,69 нм (C3H8, изо-C4H10, CHCl3) имеют другую структуру и состав, например C3H8 . 17H2O.
Вода хорошо растворяет многие вещества, имеющие ионное строение (соли, щелочи), а также вещества, молекулы которых полярны. Наличие в жидкой воде ассоциатов (элементов кристаллической структуры) наряду с большим дипольным моментом молекул приводит к высокой диэлектрической проницаемости воды (ε = 78,3 при 25 °С). Это вызывает заметное ослабление кулоновского притяжения в водной среде, а, следовательно, способствует электролитической диссоциации ионных и полярных ковалентных соединений. При этом полярные молекулы воды участвуют в процессе гидратации за счет притяжения соответствующих полюсов полярных молекул воды к образующимся катионам и анионам. В ряде случаев образующиеся связи являются настолько прочными, что можно говорить о возникновении аквакомплексов. Аквакомплексы обнаружены не только в водных растворах, но и во многих кристаллических структурах.
Твердые вещества, как правило, лучше растворяются при нагревании. При этом вещества с очень прочной кристаллической решеткой мало растворимы в воде. К ним относятся хлориды, бромиды и иодиды серебра и свинца, сульфаты щелочноземельных металлов и свинца, большинство гидроксидов, сульфидов, ортофосфатов и карбонатов металлов.
Газы обычно плохо растворяются в воде. Исключение составляют газообразные вещества, взаимодействующие с водой, например аммиак, хлороводород или диоксид серы. Растворимость всех газов возрастает при увеличении давления и, как правило, понижается при нагревании.
В жидкой воде одна из каждых 10 миллионов молекул диссоциирует, образуя ионы: катионы водорода Н + и гидроксид-ионы ОН – :
Н2О ⇋ Н + + ОН –
Чистая вода содержит одинаковую молярную концентрацию катионов водорода Н + и гидроксид-ионов ОН – , и среда ее нейтральна. Однако при растворении многих веществ в воде концентрации ионов Н+ и ОН– изменяются. Если увеличивается концентрация катионов водорода, среда становится кислотной. При увеличении концентрации гидроксид-ионов среда становится щелочной. Определить характер среды можно с помощью индикаторов.
Индикатор | Кислотная среда | Нейтральная среда | Щелочная среда |
Лакмус | Красный | Фиолетовый | Синий |
Фенолфталеин | Бесцветный | Бесцветный | Малиновый |
Метиловый оранжевый | Розовый | Оранжевый | Желтый |
Основания диссоциируют в водном растворе с образованием гидроксид-ионов, создавая щелочную среду:
NaOH = Na + + OH – (сильное основание)
NH3 . H2O ⇋ NH4+ + OH– (слабое основание)
При диссоциации кислот в растворе образуются катионы водорода, и среда становится кислотной.
H2SO4 = 2H+ + SO4 2– (сильная кислота)
H2CO3 ⇋ H + + HCO3 – (слабая кислота)
Вещества | Сильные | Слабые |
Основания | NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 | NH3 |
Кислоты | HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3 | H3PO4, H2CO3, H2S |
Соли при растворении в воде диссоциируют на катионы металла и анионы кислоты. Растворы многих солей имеют кислотную или щелочную среду за счет обратимого гидролиза по катиону или по аниону (см. ГИДРАТАЦИЯ, ГИДРАТЫ, ГИДРОЛИЗ).
СОЛЬ | ГИДРОЛИЗ | СРЕДА РАСТВОРА | рН | |
Катион | Анион | |||
сильного основания | сильной кислоты | — | нейтральная | 7 |
сильного основания | слабой кислоты | по аниону | щелочная | > 7 |
слабого или малорастворимого основания | сильной кислоты | По катиону | кислотная | < 7 |
слабого или малорастворимого основания | слабой кислоты | По катиону и аниону | Нейтральная кислотная или щелочная | 7 > 7 < 7 |
Несмотря на свое название, многие кислые соли (например, гидрокарбонат натрия) создают в водном растворе щелочную среду:
NaHCO3 = Na + + HCO3 –
HCO3 – + H2O ⇋ H2CO3 + OH –
Вода используется во многих технологических процессах главным образом как охлаждающая жидкость, транспортирующая среда для сыпучих материалов (например, золы), важнейший растворитель, реагент. Тяжелую воду применяют в качестве эффективного замедлителя нейтронов. Обычная вода не токсична, однако тяжелая вода опасна для млекопитающих.
Вода является жизненно важным веществом. Она является обязательным компонентом всех живых существ. Организм взрослого человека массой 65 кг содержит до 40 кг воды. Вода является растворителем, составной частью клеток, участником биохимических реакций. Она играет важную роль в терморегуляции. У взрослого человека суточная потребность в воде составляет примерно 2,4 кг. Сюда включается вода, поступающая в организм с твердой и жидкой пищей, в виде напитков, а также вода, образующаяся в результате дыхательных процессов (около 300 г).
Человек чрезвычайно остро ощущает изменения содержания воды в организме и может прожить без воды лишь несколько суток. Потеря 10–20% воды опасна для жизни. В то же время избыток воды приводит к перегрузке сердечно-сосудистой системы, потере солей.
Очень важен минеральный состав питьевой воды. Человек употребляет для питья воду, содержащую от 0,02 до 2 г минеральных веществ на 1 л. Большое значение имеют вещества, находящиеся в малых концентрациях, но играющие важную роль в физиологических процессах организма. Например, длительное употребление питьевой воды, содержащей фтора менее 0,6 мг/л, ведет к кариесу зубов, а потребление воды с концентрацией фтора более 1 мг/л вызывает флюороз.
Если в питьевую воду попадают возбудители инфекционных заболеваний, она может явиться фактором их распространения. Многие возбудители кишечных инфекций сохраняют свою жизнеспособность в воде в течение нескольких месяцев.
При определении качества питьевой воды немаловажное значение имеют свойства, воспринимаемые органами чувств (органолептические свойства): температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, жесткость. Питьевая вода должна быть безопасной в эпидемиологическом отношении, безвредной по химическому составу, благоприятной по органолептическим свойствам. Чтобы использовать для питья природную воду, ее обычно очищают. С этой целью применяют как физические (фильтрование, отстаивание), так и химические (хлорирование, озонирование) методы.
В 1 мл питьевой воды должно быть не более 100 микроорганизмов (число бактерий группы кишечных палочек – не более 3). Не менее жесткие ограничения накладываются на содержание химических веществ.
Алюминий 0,5 | Полифосфаты 3,5 |
Бериллий 0,002 | Свинец 0,03 |
Железо 0,3 | Селен 0,001 |
Марганец 0,1 | Стронций 7,0 |
Медь 1,0 | Сульфаты 500,0 |
Молибден 0,25 | Фтор 0,7–1,5 (для различных климатических районов) |
Мышьяк 0,05 | Хлориды 350,0 |
Нитраты 45,0 | Цинк 5,0 |
Полиакриламид 2,0 |
Общая жесткость питьевой воды должна быть не выше 7,0 ммоль/л, а сухой остаток – 1000 мг/л. Значения рН не должны выходить за пределы 6,0–9,0.
Ресурсы питьевой воды не безграничны. Проблема обеспечения питьевой водой растущего народонаселения является одной из наиболее острых экологических проблем современности. На возобновляемые водные ресурсы – речной сток воды – оказывает влияние не только растущее загрязнение окружающей среды, но и глобальное потепление климата Земли. Хотя в ряде районов России увеличение количества атмосферных осадков и повышение температуры воздуха в холодное время года благоприятно отражаются на стоке воды рек, на северо-западе и юге нашей страны наметилась тенденция к уменьшению количества ежегодно возобновляющихся водных ресурсов.
Для предотвращения водного кризиса, помимо усиления административных мер по охране природных ресурсов, необходимо экологическое образование население. Это должно помочь правильному восприятию взаимосвязей между всеми сферами Земли, включая ее водную оболочку.
Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия (перевод с нем.) – М., Мир, 2000
Третьяков Ю.Д. и др. Неорганическая химия. Химия элементов: Учебник для вузов: В 2 книгах. М.: Химия, 2001.
Химия и общество (перевод с англ.) – М., Мир, 1995
Человек и среда его обитания. Хрестоматия. – М., Мир, 2003
Что такое вода: агрегатные состояния, роль на Земле
Интересные факты о воде
Вода — самая удивительная и загадочная из всех жидкостей, существующих на Земле.
Учёные на протяжении многих столетий продолжают проводить исследования, находя новые интересные факты. Каждый человек знает, что без воды жизнь невозможна.
Вода участвует в формировании климата, для многих живых организмов является средой обитания. Её важность сложно недооценить. Не случайно, нашу планету называют голубой, именно вода покрывает 71 % поверхности земного шара.
В статье мы собрали самую важную и интересную информацию про воду: гипотезы её появления на нашей планете, особенности строения молекулы, агрегатные состояния, уникальные и необычные свойства.
Что такое вода, химические названия
Вода — это бинарное неорганическое соединение, химическая формула H2O.
При нормальных условиях представляет собой прозрачную, бесцветную жидкость, которая не имеет вкуса и запаха, текуча (принимает форму сосуда).
Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Никакие другие элементы таблицы Менделеева при соединении не образуют жидкости. Рассмотрим строение молекулы H2O на изображении.
Вода имеет несколько химических названий:
- оксид водорода;
- гидроксид водорода;
- монооксид дигидрогена;
- дигидромонооксид;
- гидроксильная кислота.
Агрегатные состояния
Из всех веществ, существующих на Земле, только вода может иметь три принципиально разных агрегатных состояния: жидкое, газообразное и твердое. Благодаря трём агрегатным состояниям происходит круговорот воды в природе и жизнь на Земле. Рассмотрим подробнее каждое агрегатное состояние.
- Жидкое (вода). В нормальных условиях вода является жидкостью. Образует мировой океан, реки, ручьи и т.д.
- Газообразное (водяной пар) — это бесцветный газ, не имеет вкуса и запаха. Испаряется с поверхности океанов, рек, болот, почвы, растений и поступает в воздух или образуется путём кипения жидкой воды или сублимации из льда. Сублимация — переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя стадию плавления (перехода в жидкое состояние).
- Твердое (лёд). При температуре от нуля и ниже вода превращается в лёд. В холодное время года он сковывает реки и лужи, выпадает в виде осадков: снежинок, града, инея, образует ледяные облака. Встречается в виде ледников и айсбергов.
Строение в различных агрегатных состояниях
Жидкая вода, лёд и водяной пар имеют один и тот же состав, но разные состояния.
Рассмотрим строение молекулы на изображении.
Многочисленные исследования ученых подтверждают, что по структуре вода и лед близки друг к другу. Структура льда – это решетчатый каркас. Структура воды зависит от содержания разных веществ, которые в ней растворяются, а также от нерастворимых соединений и некоторых других факторов.
В воде возникают структуры, которые стали называть «кластерами» — группа атомов или молекул, которые представляют собой единую структуру, но внутри имеют свои индивидуальные особенности.
При температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах. При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.
Свойства
Вода — уникальный природный компонент, который обладает рядом свойств. Рассмотрим основные:
- не имеет цвета, запаха и вкуса;
- распространенный растворитель;
- обладает высоким поверхностным натяжением, уступая в этом только ртути;
- имеет большую теплоту испарения (используется для терморегуляции);
- чистая вода — хороший изолятор;
- обладает большой теплоёмкостью (увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры);
- плотность в разных диапазонах температур меняется неодинаково.
Существуют необычные свойства. Например, в твердом виде вода легче, чем в жидком. Лёд не тонет в воде. В твёрдом состоянии частички воды располагаются по порядку, между ними остается много свободного пространства. Когда лёд тает, активность частичек повышается, свободное пространство заполняется. Жидкая форма становится более тяжелой, нежели твердая.
Такая уникальная способность даёт возможность любому водоёму не замерзать по всей глубине. Даже при самом сильном морозе температура воды у дна не опускается ниже +4 ᵒС. Все живые существа (рыбы и другие) могут спокойно пережить самую суровую зиму подо льдом.
Когда лёд тает, плотность увеличивается, и становится максимальной при температуре +4 ᵒС. В диапазоне от +4 ᵒС до +40 ᵒС плотность снижается, потом снова увеличивается. При понижении температуры ниже +4 ᵒС плотность уменьшается, т.е. при замерзании вода расширяется.
Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Это связано с большей скоростью испарения и излучения тепла.
Теплоемкость и некоторые другие физические свойства воды тоже зависят от температуры неодинаково. Другие виды жидкостей не имеют таких особенностей – чтобы какой-то один параметр менялся по-разному на разных порогах температуры.
Круговорот воды в природе
Вода образует водную оболочку нашей планеты – гидросферу.
Её делят на Мировой океан, континентальные поверхностные воды и ледники, а также подземные водоёмы. Переходы H2O из одних частей гидросферы в другие составляют сложный круговорот воды на Земле
Круговорот воды в природе — это непрерывное движение воды в гидросфере Земли. В процессе этого обмена водная масса меняет агрегатное состояние: из жидкой или твердой превращается в газообразную и обратно.
Рассмотрим на примере.
- С поверхности океанов, морей, рек и суши вода в виде пара поднимается вверх.
- Высоко над землей он охлаждается и образует множество водяных капелек и льдинок. Из них образуются облака.
- В виде осадков вода возвращается на Землю.
Происхождение воды на планете
Возникновение воды на нашей планете является предметом научных споров. Существует 2 основные гипотезы:
- Космическое происхождение. Часть учёных считают, что вода появилась вследствие падающих метеоритов, астероидов, которые содержали воду.
- Земное происхождение. Другие учёные считают, что вода образовалась на Земле во время формирования, а не занесена с космоса.
Наука о воде
Изучением природных вод, явлений и процессов занимается наука Гидрология.
Первые упоминания о гидрологии появились на заре истории человечества около 6000 лет назад.
Начало гидрологических наблюдений в России относится к XV–XVI вв.: в записях русских летописцев сохранились сведения о свойствах воды, наводнениях, паводках, замерзании.
Значение на Земле
Без воздуха человек может прожить несколько секунд, без еды – несколько месяцев, без воды – максимум несколько суток. Снижение содержания воды в организме всего лишь на 2% может вызвать сильную слабость. При нехватке 8% уже может возникнуть серьезное недомогание, а при 12% – смерть.
Каждая клетка живого организма состоит из жидкости и нуждается в регулярном пополнении. Без воды не проживут ни люди, ни растения, ни животные.
Вода формирует климат, участвует в круговороте воды в природе, для многих живых организмов является средой обитания.
Применение
Все люди на планете прекрасно знают, что жизнь без воды невозможна. Любое начало жизни изначально зарождается в воде.
Человек применяет воду:
- для поддержании жизни (приготовления пищи, обеспечения организма водой);
- для бытовых нужд (гигиены, уборки и т. д);
- в сельском хозяйстве и животноводстве;
- промышленности (используется при производстве продуктов питания, чугуна, стали, резины и т. д);
- медицине;
- химии (в качестве реагента для химических реакций, опытов, исследований);
- рыболовстве;
- для транспортировки людей и грузов;
- для спорта;
- в земледелии;
- для пожаротушения;
- служит источником энергии (электростанции).
Сколько жидкости в теле человека
Эмбрион человека состоит из жидкости не менее, чем на 97%. Когда ребенок рождается, вода составляет около 80% его тела. В первые несколько суток после рождения этот показатель существенно снижается.
В дальнейшем содержание воды в организме человека постоянно уменьшается. В пожилом возрасте в теле человека доля воды не превышает 50-60%.
Как определить, сколько воды в теле человека?
Массу тела необходимо разделить на 3 и умножить на 2.
Стоит отметить, что расчет считается приблизительным (может отличаться на 5-10%) Так как количество воды зависит от возраста, пола, физической активности, состояния здоровья.
Основные функции
Вода необходима каждому живому существу. Каждый живой организм состоит из клеток. Ключевую роль выполняет вода. Она составляет около 70 процентов от её массы. Рассмотрим кратко основные функции.
- Растворитель. Большинство химических реакций протекают только в водной среде.
- Транспортная функция. Переносит питательные вещества из одной части в другую.
- Функция регенерации. С помощью воды удаляются ненужные продукты жизнедеятельности.
- Регулирует терморегуляцию. Защищает организм от перегрева и обеспечивает равномерное распределение тепла по организму.
- Все обменные процессы в организме регулируются водой.
Польза чистой питьевой воды
Врачи, диетологи и другие специалисты часто совершают ошибку, когда слишком много внимания уделяют разным продуктам питания и забывают про воду. Любые вещества, даже самые питательные и полезные, могут оказаться совершенно неэффективными, если нет растворителя, способного доставить их в нужные части тела. На Земле есть только один простой, надежный и распространенный растворитель – вода.
Вода участвует абсолютно во всех обменных процессах. И чтобы они протекали нормально, необходимо пить достаточное количество чистой воды. Именно воды, не чая, не напитков. Содержание разных примесей, консервантов и прочих веществ существенно меняют структуру, нормальное молекулярное состояние воды.
Изначально природой заложено употреблять чистую воду. Когда в организм вносится некая смесь, то пищеварительной системе приходится прикладывать много усилий, растрачивать много энергии, чтобы отделить все лишнее и получить воду. Кроме этого, высокое содержание сахара неизбежно провоцирует нарушение нормального обмена веществ.
Питьевая вода должна быть чистая, свежая, качественная, «живая». Т.е. это должна быть натуральная природная вода, которая при попадании в организм легко проникает во все клетки, служит эффективным растворителем. Она быстро доставляет все питательные вещества к тканям и органам.
Сколько нужно пить воды в день
Рекомендуется употреблять чистую воду без примесей 30-40 мл на 1 кг веса.
Средние показатели:
для женщины: 1,5 – 2 литра ежедневно;
для мужчины: 2,5 – 5 литров ежедневно.
Количество рекомендуемой нормы зависит от физической активности, климата и веса.
Процентное содержание в органах
Вода в теле человека находится в разных субстанциях и никогда не смешивается в единое целое.
Жидкости больше в тех клетках, в которых обмен веществ протекает более интенсивно. Рассмотрим таблицу № 1.
Таблица № 1. Процент содержания в органах человека
Органы | Процент содержания |
Мозг | 90 |
Лёгкие | 86 |
Печень | 86 |
Кровь | 83 |
Яйцеклетки | 90 |
Кости | 72 |
Кожа | 72 |
Сердце | 75 |
Желудок | 75 |
Селезёнка | 77 |
Почки | 83 |
Мышцы | 75 |
Признаки обезвоживания
Если содержание воды резко меняется в одну или другую сторону, то это сразу сказывается на общем состоянии здоровья. Чрезмерное количество воды организм переносит намного легче, чем ее нехватку. Рассмотрим основные симптомы проявления нехватки воды в организме человека.
- Жажда – первый сигнал нехватки жидкости в организме.
- У человека возникают твердые каловые массы и запоры.
- Появляется усталость и слабость.
- Возникают головные боли и головокружения.
- Кожа становится сухой.
- Состояние может сопровождаться сильным упадком настроения (вплоть до тяжелой депрессии).
При длительном сохранении такого состояния могут возникнуть проблемы:
- с артериальным давлением;
- нарушением пищеварения;
- заболеваниями органов ЖКТ;
- может появиться диабет, ожирение (или наоборот – истощение, дистрофия);
- появляются зрительные и слуховые галлюцинации (при потери воды 10%);
- сильное обезвоживание может привести к смерти.
Проходя гидрологический цикл, вода может дополняться химическими элементами: ионами, растворенными газами, микроэлементами и т.д.
Воду квалифицируют по следующим признакам:
- по наличию и составу изотопов в молекуле;
- по степени растворения частиц солей и других примесей;
- по источнику;
- по взаимодействию с другими элементами и компонентами;
- по воздействию человека;
- по индивидуальным параметрам.
Рассмотрим некоторые виды на рисунке.
Запасы пресной воды
Несмотря на то, что Земля более, чем на 70% покрыта водой, лишь 1% является пресной (её солёность не превышает 0,5 ‰).
Более 2/3 запасов пресной воды на Земле хранится в ледниках. Крупнейшим водоёмом пресной воды считается озеро Байкал в России.
Показатели качества
В воде, которая течет из кранов современных городских квартир, могут содержаться вредные примеси. Такую воду стали называть словом «техногенная». В ней содержатся металлы, песок, глина, хлор и много чего еще.
Современные нормы очистки водопроводной питьевой воды предполагают использование хлорсодержащих реагентов, которые избавляют воду от инфекций. В дополнение рекомендуется использовать дополнительные методы очистки. Например, фильтры.
Большой популярностью в развитых странах пользуется бутилированная питьевая вода. Она является экологически чистым продуктом. Реализуется в гигиенически чистой ёмкости и соответствует всем установленным требованиям.
25 интересных фактов
Ученые постоянно исследуют оксид водорода, находя интересные факты.
- Лёд не тонет в воде. Дело в том, что плотность льда меньше чем, воды в жидком состоянии. Поэтому морские обитатели продолжают жизнедеятельность. Другие вещества увеличивают плотность при замерзании.
- Большинство загрязнений вымораживаются при образовании льда.
- Более 2/3 запасов пресной воды на Земле хранится в ледниках.
- Вёдра для воды изготавливают в форме конуса для того, чтобы их не разорвало при случайном замерзании воды.
- Теплоёмкость и некоторые другие физические свойства воды зависят от температуры не одинаково.
- Жидкая вода регулирует температуру Земли, водяной пар — влажность воздуха.
- Снег способен отражать лучи света на 75%, а вода только на 5%, поэтому снежные ночи такие светлые.
- В Антарктиде есть озеро с водой, в 11 раз солёнее морской. В нем настолько соленая вода, что не замерзает даже при — 50 С.
- Горячая вода имеет способность замерзать быстрее, чем холодная. Этот факт легко проверить самостоятельно.
- Лёд встречается на полюсах Луны, а также на полюсах Марса и Меркурия.
- В Антарктике находится самый холодный лёд, а вот самым теплым льдом считается Альпийский, так как его температура составляет 0 градусов по Цельсию.
- Температура кипения воды не всегда составляет 100 градусов по Цельсию. Показатель зависит от атмосферного давления. Например, на Эльбрусе — самой высокой вершине Европы (5642 м), — вода закипит при 80,8 °С.
- Примерно на каждые 100 метров вглубь к центру Земли температура кипения увеличивается на 3°C.
- Озеро Байкал — самое большое пресное озеро в мире.
- Для производства 1 тонны стали требуется 300 тонн воды.
- Учёные считают, что мировой океан изучен только на 2-7%.
- На 1 кг тела коровы приходится 600 грамм жидкости.
- В теле рыбы 70-80 процентов.
- В медузе больше 95 процентов.
- Растения на 50-90 процентов состоят из жидкости.
- Вода участвует в фотосинтезе растений.
- Бегемот употребляет около 250 литров воды в сутки.
- Древесное растение Эвкалипт в сутки поглощает из почвы и испаряет 320 л влаги.
- Верблюд способен выпить больше 100 литров воды менее, чем за 15 минут.
- Скалистая белка может жить без воды до 100 дней.
Заключение
Вода – удивительное вещество, обладающее химическими и физическими свойствами. Она формирует климат на планете, для многих живых организмов является средой обитания, необходима для фотосинтеза растений и жизнедеятельности всех живых организмов.
Элементы жизни. Вода
Из чего состоят живые тела и при чем тут углерод? Что такое генетический код, кто такие вирусы, как устроено эволюционное древо и почему произошел кембрийский взрыв? Книга Сергея Ястребова «От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни», вышедшая в издательстве «Альпина нон-фикшн», дает актуальные ответы на эти и многие другие вопросы. Indicator.Ru публикует главу из этой книги.
Что такое вода?
Вода — одно из самых распространенных веществ на планете Земля. Она покрывает две трети земной поверхности,и ее очень много в живых организмах — гораздо больше, чем любого другого вещества. Подавляющее большинство биохимических реакций, то есть превращений жизненно важных молекул друг в друга, идет в растворах, где вода является растворителем. Воды много и в космосе — например, в кометах, в недрах Урана и Нептуна или в межзвездных туманностях. В целом можно сказать, что вода — это одно из самых распространенных веществ не только на Земле, но и вообще во Вселенной. Иное дело, что далеко не на всех планетах она встречается в жидком виде (Земля — единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой есть постоянно существующие водоемы). Так или иначе, неудивительно, что именно вода послужила средой для всем нам знакомой жизни.
Что же такое вода с точки зрения химии? Это весьма простая молекула, состоящая всего лишь из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Соответственно, химическая формула воды — H2O. Каждый атом водорода соединен с атомом кислорода одной ковалентной связью, в полном соответствии с валентностью кислорода, которая (как мы помним) равна двум. Формулу воды можно записать и так: H–O–H. Это эквивалентно формуле, которую обычно приводят в книгах.
Многие свойства воды объясняются тем, что ее молекулы исключительно хорошо «слипаются» друг с другом. Например, на поверхности водоема они образуют пленку, по которой клопы-водомерки, отнюдь не микроскопические существа, бегают как посуху. Другие особенности воды как вещества — прекрасная теплопроводность и высокая температура кипения (на испарение литра воды надо потратить больше энергии, чем на испарение того же объема чуть ли не любой другой жидкости). Чтобы понять, почему вода именно такова, надо присмотреться к ее молекулам повнимательнее.
Водородная связь
Начнем вот с чего. В общей химии часто встречается понятие «электроотрицательность», введенное когда-то Лайнусом Полингом. Электроотрицательность — это сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Самый электроотрицательный элемент — фтор (F), а сразу за ним на шкале электроотрицательности следует кислород (O). Иначе говоря, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора, который в живой природе встречается очень редко. Запомним этот факт, он нам пригодится.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующая ее пара электронов никуда не смещается. Грубо говоря, эти электроны располагаются между атомами точно посредине. Такая ковалентная связь называется неполярной. Само собой разумеется, что любая ковалентная связь между одинаковыми атомами будет неполярна (например, связь в молекуле водорода H–H или углерод-углеродная связь C–C).
Рисунок 1. Полярные и неполярные ковалентные связи. В качестве примеров показаны молекулы метана, метанола, воды и углекислоты
Ястребов С. От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018.
Если же ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого электроотрицательность выше. Такая связь называется полярной (см. рис. 1 и 2). При очень большой разнице в электроотрицательности связь может даже превратиться в ионную — это случится, если один атом полностью «отберет» общую пару электронов у другого. В молекулах, из которых состоят живые существа, ионные связи встречаются относительно редко, зато ковалентные полярные — очень часто. Например, это широко распространенные в органических веществах связи C–O и H–O.
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — это типичная ковалентная полярная связь. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на атоме кислорода образуется маленький отрицательный заряд, а на атомах водорода — маленькие положительные заряды. На графических формулах эти маленькие заряды, величина которых значительно меньше единицы, принято обозначать буквой «дельта» с добавлением соответствующего знака. Как мы теперь знаем, связи кислорода с водородом или углеродом вообще всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде.
Рисунок 2. Образование водородных связей в воде (А, Б, В) и в аммиаке (Г)
Ястребов С. От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018.
А вот связь между углеродом и водородом (C–H) считается неполярной, хоть атомы и разные. И это тоже очень важно. Между атомами углерода и водорода разница в электроотрицательности настолько мала, что смещение электронов там незаметно. Например, молекулы углеводородов, состоящие только из атомов C и H, в силу этого полностью неполярны, никаких частичных зарядов, которые хоть на что-то влияли бы, в них нет.
Теперь вспомним, что положительные и отрицательные электрические заряды, согласно закону Кулона, притягиваются друг к другу. Например, частично отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул воды. В результате между водородом и кислородом возникают нековалентные связи, основанные на электростатическом притяжении, — они называются водородными.
Это очень слабые связи, в жидкой воде они легко образуются и так же легко рвутся при движениях молекул. Но, несмотря на то, что водородные связи гораздо слабее ковалентных, они дают сильный эффект, если их много.
А в воде их очень много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды исключительно высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Большинство особенностей воды так или иначе связано с тем, что ее молекулы очень хорошо образуют водородные связи.
«Водородная связь чем-то напоминает любовь втроем», — писал в своем известном университетском учебнике американский биохимик Люберт Страйер. Он имел в виду, что в водородной связи атом водорода связан сразу с двумя атомами кислорода: с одним ковалентно (и прочно), а с другим электростатически (и слабо). Чтобы образовать водородную связь, атом водорода обязательно должен уже состоять в ковалентной связи с другим атомом, причем значительно отличающимся от него по электроотрицательности.
Водородные связи важны не только с точки зрения свойств воды. Они много где встречаются. Например, в главе 9 мы увидим, что без водородных связей невозможно представить себе структуру молекулы ДНК, от которой зависит хранение наследственной информации.
Любовь и ненависть воды
Любое вещество, растворенное в воде, так или иначе взаимодействует с ней, и способ этого взаимодействия зависит прежде всего от электрических свойств молекул. Например, если растворить в воде поваренную соль (NaCl), она распадется на положительно заряженные ионы натрия (Na + ) и отрицательно заряженные ионы хлора (Cl – ). При этом к ионам натрия молекулы воды «прилипнут» своими атомами кислорода (несущими маленький отрицательный заряд δ–), а к ионам хлора — атомами водорода (несущими маленький положительный заряд δ+). В результате и те и другие ионы получат оболочку, состоящую из молекул воды (см. рис. 3). Образование таких оболочек называется гидратацией. Ионы натрия и хлора находятся в воде в гидратированном состоянии. Гидратация — процесс, сопутствующий растворению в воде любого вещества (если оно вообще в ней растворимо, конечно).
Рисунок 3. Гидратация ионов
Ястребов С. От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018.
Молекулы, в которых много ковалентных полярных связей, тоже прекрасно взаимодействуют с водой — в первую очередь потому, что образуют с ней водородные связи, «цепляясь» за молекулы воды своими частичными зарядами. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными («любящими воду»). К гидрофильным веществам относятся, например, спирты и углеводы. Каждый знает, что столовый сахар (а это типичный углевод) растворяется в воде очень хорошо. То же самое можно сказать и о спиртах, например об этиловом спирте — основе алкогольных напитков. Именно растворам спирта в воде была посвящена знаменитая диссертация Дмитрия Ивановича Менделеева.
Правда, рецепта водки Менделеев, вопреки распространенной легенде, не разрабатывал. Его интересовало происходящее при растворении взаимодействие молекул спирта и воды — тот самый процесс, который мы только что назвали гидратацией.
Менделеев убедительно показал, что растворение — это не физическое явление (простое смешивание), а химическое (включающее образование новых межмолекулярных связей). Тогда получается, что раствор — это, по сути, новое вещество.
Как правило, любое наугад взятое органическое соединение будет растворяться в воде тем лучше, чем больше в нем атомов кислорода. Это понятно: именно вокруг атомов кислорода обычно образуются водородные связи. Например, молекула глюкозы (C6H12O6, шесть атомов кислорода!) в этом отношении просто идеальна. Как раз поэтому сахара, и глюкозу в том числе, очень удобно использовать в роли быстро усваивающихся питательных веществ.
Молекулы, в которых все связи неполярные, взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Вещества, состоящие из таких молекул, плохо растворяются в воде и называются гидрофобными («боящимися воды»). Типичные гидрофобные соединения — углеводороды. Как мы знаем, они по определению состоят только из углерода и водорода, связи между которыми неполярны. Если бросить в воду парафин (смесь твердых углеводородов, из которой делают свечи), он и не подумает там растворяться — ни при каких условиях.
А если налить в воду бензин (смесь жидких углеводородов, которая служит моторным топливом), то он, скорее всего, отслоится от нее, образовав четкую поверхность раздела. Вода как бы «выталкивает» эти вещества.
Если в формуле органического соединения есть кислород, то оно, скорее всего, гидрофильное, разве что там присутствует какая-нибудь совсем уж огромная углеводородная цепочка.
Гидрофильными бывают и некоторые бескислородные органические вещества — например, амины. В биохимии значение различий между гидрофильными и гидрофобными веществами без преувеличения грандиозно. Многие детали устройства клеток без учета этих различий просто невозможно понять. А все потому, что земная жизнь — водная.
Талассогены
А могут ли подойти для жизни какие-нибудь другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, углекислота (ее формула O=C=O, или просто CO2) знакома людям прежде всего в виде углекислого газа, который мы выдыхаем, но она может и замерзать, образуя так называемый сухой лед. Проблема в том, что при нагревании в условиях, характерных для Земли, сухой лед сразу испаряется в газ, минуя жидкую фазу. Потому мы и не видим в быту жидкой углекислоты. Однако при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, углекислота может становиться жидкостью. И тогда она представляет собой хороший гидрофильный растворитель, аналогичный по свойствам воде (и легко смешивающийся с ней), в котором успешно идут многие биохимические реакции.
В этом растворителе могут жить даже земные микробы. Например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море исследователи-океанологи нашли целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии.
Некоторые исследователи считают, что океаны жидкой углекислоты могут существовать на так называемых суперземлях — планетах с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли. Суперземли — довольно многочисленная категория экзопланет, и возможность жизни на них сейчас активно обсуждается.
Другой перспективный кандидат на роль вмещающей среды для жизни — аммиак (NH3). Это гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом (их разница в электроотрицательности для этого вполне достаточна, см. рис. 2). Неудивительно, что по своим физико-химическим свойствам аммиак напоминает воду. На более холодных планетах, чем Земля, он находится в жидком состоянии и вполне может быть основой жизни. Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами. Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть серьезные сомнения (см. главу 1), то углеродную жизнь, использующую не воду, а какой-нибудь другой растворитель, представить себе гораздо легче. Никакие фундаментальные законы не запрещают ей существовать.
Просто так уж сложилось, что на нашей планете из всех растворителей преобладает вода, ну а от добра добра не ищут, и земной жизни осталось лишь развиваться в этих относительно благоприятных условиях.
Еще один гидрофильный растворитель, в котором теоретически допускают возможность жизни, — метиловый спирт, или метанол (CH3OH). Для человека это страшный яд, но тут все зависит от настройки биохимических систем. Вообще-то никакие законы природы не мешают «сконструировать» живой организм, для которого метанол будет совершенно безобиден, а то и полезен. Метанол — одно из самых простых органических веществ, и неудивительно, что образуется он очень легко. Его много в космосе, причем не только на планетах, но и в межзвездных газопылевых облаках. Некоторые ученые осмеливаются предполагать, что именно синтез метанола был ключевым химическим звеном на пути к возникновению земной жизни. Метанол очень гидрофилен и прекрасно образует водородные связи, примерно такие же, как в воде. Собственно, это и делает его хорошим гидрофильным растворителем. Как и аммиак, метанол замерзает при гораздо более низкой температуре, чем вода, и в принципе может быть средой для жизни на более холодных планетах, чем Земля. В Солнечной системе метанола хватает, например на Тритоне, крупнейшем спутнике Нептуна.
Рисунок 4. Спутник Юпитера Ио, покрытый выбросами серы
Наконец, еще один кандидат на роль подходящего для жизни гидрофильного растворителя — сероводород, соединение водорода и серы с формулой H2S (она же H–S–H). Молекула сероводорода очень похожа на молекулу воды. Правда, водородные связи она образует несколько хуже. В Солнечной системе сероводорода много на Ио — спутнике Юпитера, который отличается невероятной геологической активностью. Поверхность Ио покрыта вулканами, выбрасывающими фонтаны лавы, а состоит эта лава в основном из разнообразных соединений серы, которые текут и застывают, ибо в системе Юпитера очень холодно. Ио — это настоящий «мир льда и пламени».
Если бы на Ио была жизнь, она вполне могла бы быть основана на сероводороде, точно так же, как земная жизнь — на воде.
А может ли среда для жизни оказаться не гидрофильной, а гидрофобной? Исключить такое в принципе нельзя. Например, на крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH4), этана (C2H6) и пропана (C3H8). Это настоящий гидрофобный растворитель, в котором некоторые ученые допускают существование жизни, хотя прямых подтверждений этому пока что нет. Жидкой воды на поверхности Титана не бывает, там слишком холодно.
В целом, однако, сейчас кажется более вероятным, что главный растворитель для внеземной жизни окажется гидрофильным (но не обязательно водой). Во-первых, гидрофильных растворителей в природе просто больше. А во-вторых, все известные биохимические механизмы слишком уж сильно «заточены» под гидрофильную среду. Биохимию на гидрофобной основе вообразить гораздо труднее.
Из совсем уж экзотических альтернатив воде можно назвать, к примеру, фтороводород (HF, «аш-фтор»). Водный раствор фтороводорода — очень агрессивное вещество, которое называется плавиковой кислотой (в сериале «Во все тяжкие», главный герой которого — химик, ставший преступником, этой кислотой растворяют трупы). Однако многие органические молекулы, например углеводороды, в ней совершенно стабильны. К тому же фтороводород прекрасно образует водородные связи, а это, как мы уже знаем, очень важное для растворителя свойство. Возможность фтороводородной жизни допускали некоторые ученые, например астроном Карл Саган. А в фантастической повести Ивана Ефремова «Сердце Змеи» описана планета с фтороводородным океаном и дышащими фтором разумными жителями, с которыми земляне вступают в контакт. «Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием. »
Великий популяризатор науки Айзек Азимов — кстати говоря, биохимик по научной специальности — не раз задумывался над тем, из каких веществ могли бы образоваться океаны на других планетах. Он назвал такие вещества термином «талассогены», что буквально значит «производящие море». По определению Азимова, талассоген — это вещество, способное сформировать планетарный океан. В замечательной книге «Асимметрия жизни» Азимов подробно разбирает проблему океанов, приходя к выводу, что самые вероятные талассогены — это вода, аммиак и метан. При этом для планет, расположенных примерно на таком расстоянии от звезд, как Земля, вода имеет преимущество, потому что она остается жидкой при более высокой температуре. «Вы можете представить метановые океаны на такой планете, как Нептун, или аммиачные океаны на планете типа Юпитера, однако вода, и только вода может создать океан на внутренней планете вроде Земли». Это выглядит логичным, но тут есть по меньшей мере один важный нюанс. Азимов писал эту книгу больше 40 лет назад, когда о планетах других звездных систем не было известно совершенно ничего. Не было даже уверенности, что они вообще существуют. А сейчас астрономам известны тысячи экзопланет, и уже ясно, что, мягко говоря, далеко не все звездные системы похожи на Солнечную. Сочетания условий там могут быть совершенно другими. Поэтому от расширения списка возможных вариантов вреда, скорее всего, не будет.
Возвращаясь к земной (а вернее, водной) биохимии, будем иметь в виду, что она не единственная теоретически возможная. Изучая природу, всегда полезно помнить любимую мысль Станислава Лема: «Среди звезд нас ждет Неизвестное».