Белые пятна безбрежного океана

После того как в прошлом столетии были изучены и, казалось бы, вполне исчерпывающе физико-химические свойства воды, интерес к этой заурядной жидкости со стороны исследователей надолго угас.

Но вот в 1932 г. американский физик Гарольд Юри обнаружил в обычной чистой воде примесь, химический состав которой был тот же - атом кислорода на два атома водорода, но молекулярная масса составляла не 18, а 20. Это, как мы теперь знаем, была окись дейтерия, она получила название тяжелой воды. Ее формула Д ₂О. Она кипит при 101,4 °С (374,4 К) и замерзает при - 3,8 °С (269,2 К). В противоположность жизненной силе Н2О, тяжелая вода в физиологическом отношении инертна. Семена растений, политые тяжелой водой, не прорастают. Если тяжелой водой поить животных, они погибают от жажды. После открытия дейтерия интерес к воде резко повысился. В 1943 г. вокруг тяжелой воды разыгрались весьма драматические события.

Фашистская Германия форсировала создание атомной бомбы. В качестве замедлителя нейтронов в атомном реакторе немецкие исследователи намеревались использовать тяжелую воду. Однако ее получение в больших количествах представляло (да и сейчас представляет) значительные трудности. Организовать производство тяжелой воды гитлеровцам удалось в оккупированной ими Норвегии, где можно было использовать дешевую энергию гидростанций и в фиордах которой вода имела повышенное содержание окиси дейтерия.

Следившая за работами гитлеровских атомщиков английская разведка предприняла отчаянные меры для уничтожения добытой немцами тяжелой воды. В Норвегии был выброшен десант парашютистов. С помощью норвежских патриотов десантникам удалось взорвать цех по производству тяжелой воды, но захватить и уничтожить запасы уже добытой тяжелой воды они не смогли.

Германское командование попыталось этот запас переправить из Норвегии в Германию. В условиях чрезвычайной секретности его доставили в один из портов. И только тут, в самый последний момент, ценой огромного риска бойцам армии сопротивления удалось взорвать судно, на которое были погружены емкости с водой. 16 м ³окиси дейтерия было пущено ко дну. Работы по созданию атомной бомбы в Германии были сорваны.

Тяжелая вода не единственный компонент, входящий в обычную воду. Мы уже сказали, что имеется пять изотопов водорода и три кислорода. Поскольку каждый изотоп водорода способен соединяться с любым изотопом кислорода в соотношении 2:1, может быть получено 42 сочетания атомов в молекулах воды. Из них вполне устойчивы 9 сочетаний: ¹⁶Н ₂О, ¹⁷Н ₂О, ¹⁸Н ₂О, ¹⁶НДО, ¹⁷НДО, ¹⁸НДО, ¹⁶Д ₂О, ¹⁷Д ₂О, ¹⁸Д ₂О.

Итак, обыкновенная вода, текущая в реках, заполняющая озера, моря и океаны, снеговыми шапками укрывающая горные вершины, дождями низвергающаяся на землю, послушно бегущая из кранов в наших квартирах, - все это не просто Н ₂О. Это сложнейшая смесь различных видов воды, молекулы которых обладают далеко не одинаковыми физико-химическими свойствами. Правда, количественные соотношения этих смесей разнятся весьма сильно. К сожалению, на сегодня более или менее изучены лишь две разновидности воды: ¹⁶Н ₂О и ¹⁶Д ₂О. Прочие "воды" остаются белыми пятнами в науке.

Процент содержания "прочих вод" в обыкновенной воде чрезвычайно мал: тяжелокислородной ( ¹⁸Н ₂О) в ней всего 0,18 %, тяжелой воды ( ¹⁶Д ₂О) и того менее - 0,017%. Во много раз меньшую долю составляют другие сочетания водорода и кислорода. Но сколько воды в масштабах нашей планеты! А стремительное развитие науки и техники наверняка приведет к тому, что со временем мы научимся переводить одну модификацию в другую. И невольно напрашиваются прогнозы. Скажем, тяжелая вода - это мертвая вода. Она угнетает все живое. Но не окажется ли среди 42 возможных сочетаний изотопов водорода с изотопами кислорода... живой воды? Живой в полном смысле этого слова. Вода, которая вдвое, втрое... в десять раз ускорит рост растений, животных, человека! Вода, которая позволит выращивать капусту величиной с легковую машину и пшеницу с зернами в куриное яйцо. А может, объявится и такая вода, которая станет панацеей от всех недугов, позволит мгновенно заживлять самые тяжелые раны, возвращать бодрость. Или даже возвращать молодость.

Не вода ли принесет человечеству страстно желаемое бессмертие? Не улыбайтесь. От воды можно ожидать всего.

Как строится молекула воды

Вспомним, что вероятностное нахождение электрона по отношению к ядру определяется электронным облаком, т. е. совокупностью всех точек пространства, через которые может пробежать электрон. Это воображаемое облако называют орбиталью. Установлено: на одной орбитали не может находиться одновременно более двух электронов.

Единственный электрон атома водорода (1 s ¹) имеет орбиталь в виде сферы. Такая форма орбитали соответствует минимально возможному уровню энергии атома.

В атоме кислорода все гораздо сложнее. Атом кислорода имеет два слоя электронов. Внутренний (слой К.) укомплектован двумя s-электронами, вращающимися по сферической орбитали (условное обозначение этих электронов 1 s ², где 1 - номер слоя, s - энергетическое состояние - орбиталь, 2 - количество электронов на орбитали).

Рис. 10. Схема образования молекулы Н2О. Сферические электронные облака атомов водорода захватываются р-орбиталями вис атома кислорода. Получившие дополнительный отрицательный заряд орбитали вис отталкиваются на угол 104°31'

Внешний слой h имеет шесть электронов (их условное обозначение 2 s ²p ⁴, где 2 - номер слоя, s и р - орбитали, индексы 2 и 4 - соответственно количество электронов на орбиталях). В этом слое, как видно из условного обозначения, два s-электрона имеют одну и ту же сферическую орбиталь. Четыре р-электрона вынуждены расположиться на трех взаимно перпендикулярных орбиталях, имеющих в плане формы восьмерок. Восьмерки пересекаются в центре атома, как показано на рис. 10. Обратите внимание: 4 р-электрона на трех орбиталях. Здесь ключ к пониманию всех событий.

Орбиталь, вытянутая вдоль оси г, служит пристанищем для двух электронов. Она укомплектована, и ворота ее на прочном запоре. На орбиталях же х и у по одному электрону и, значит, по одному изготовленному "капкану".

Итак, действующие лица охарактеризованы. Начинается действие.

Вот атом водорода оказался в опасной близости от атома кислорода, и единственный его электрон тотчас же будет захвачен непарной (недоукомплектованной) р-орбиталью. Поскольку у кислорода две непарные орбитали, он способен пленить два атома водорода. При атом сферическое облако водородного s-электрона належится на яйцеобразную ветвь р-орбитали (см. рис. 10).

Между атомами Н и О возникает связь, которая получила название ковалентной. Итогом этой связи и будет возведение весьма своеобразного архитектурного сооружения, известного как Н ₂О. Своеобразие же образовавшейся молекулы состоит в следующем.

Во-первых, перекрытие электронных облаков приведет к уплотнению области перекрытия и, значит, к росту отрицательного заряда в этой части пространства.

Расположись атомы водорода по обе стороны от ядра атома кислорода под углом 180°, и возникшие уплотнения зарядов никак не отразились бы на электрическом равновесии образовавшейся системы, т.е. центры положительных и отрицательных зарядов по-прежнему находились бы в одной точке - в центре атома кислорода. Но р-орбитали, захватившие водородные электроны, расположены под углом 90°, и поэтому уплотнения в них вызовут смещение центра тяжести отрицательного заряда относительно центра тяжести положительного заряда. Образовавшаяся молекула коды стала одновременно маленьким микромагнитом или, как принято говорить в молекулярной физике, диполе м, способным ориентироваться в магнитном поле.