Свойства воды, её поведение в различных условиях, её влияние на природные процессы полны тайн и загадок. Очень хочется хоть немного их разгадать, объяснить и пользоваться в своей созидательной практике. Здесь помогла кластерная теория строения воды [1].

Загадки и тайны воды.

Целый букет загадок можно обнаружить, рассматривая свойства воды вдоль последовательности магических температур:

00C → 40C → 150C → 300C → 450C → 600C → ... 1000C

Начиная с третьей температуры, на самом деле они имеют разброс ±(20C-30C).

При 00С и нормальном давлении происходит фазовый переход, вода становится твердой. И почему-то плотность льда меньше плотности жидкой воды, лёд плавает на поверхности жидкой воды.

При 40С, оказывается, плотность воды максимальна и коэффициент сжимаемости, соответственно, минимален.

Эти два обстоятельства позволяют понять механизм самоочищения проточных водоемов. Действительно, пусть над поверхностью озера Байкал температура воздуха стала минусовая. Поверхностный слой воды охлаждается до температуры 00С, начинается фазовый переход, образуется слой льда. Толщина слоя увеличивается. Почти равновесный режим фазового перехода, кристаллизации воды приводит к тому, что все примеси, ранее растворенные в воде, начинают вытесняться на границу раздела фаз. Это еще одна загадка. Но продолжим рассмотрение процесса. Химический состав образовавшегося льда соответствует составу почти чистой воды. Толщина льда на Байкале зимой может достигать 3-х метров. Все примеси собираются в окрестности раздела фаз, их концентрация растет. И если озеро проточное, то примеси удаляются из водоема. У Байкала есть единственная река Ангара, вытекающая из озера. Ангара выносит примеси и всякий химический мусор из озера. Таков механизм самоочистки озера Байкал.

На границе раздела вода – лёд температура 00С. Естественно, где-то ниже будет температура 40С. Там максимальная плотность воды. Начинается свободная конвекция в объёме воды. Масса «тяжелой» воды начинает движение вниз. В результате теплообмена с окружающей «легкой» водой, «тяжелая» вода легчает, а общая температура смеси уменьшается. В конце концов, на дне собирается «тяжелая» вода, образуется большой слой этой воды, в котором вполне возможна жизнь бактерий, простейших организмов, водорослей, рыб. Следовательно, несмотря на жестокие морозы над поверхностью льда, все «животины» не умирают.

Далее рассмотрим интервал температур 150 - 300С. Середина – 22,50С. Эта температура наиболее благоприятная для растений, холоднокровных животных и насекомых. Опытные бабушки утверждают, что огурцы начинают расти, цвести и плодоносить, если температура воздуха ночью больше 170С. Комары, оводы, слепни зажирают теплокровных существ. Но если температура воздуха приближается к границам указанного интервала, насекомые куда-то исчезают. Однажды, автор полез в повал своего дачного домика и увидел на прохладной бетонной стенке фундамента толстый слой комаров. Эти друзья сидели на стенке совершенно неподвижно. Заметим, что на улице стояла жара 320С. Что произошло с комарами, почему они в коме?

Теперь рассмотрим интервал температуры 300С – 450С. Середина интервала 37,50С. Напомним, что подмышкой человека температура в норме 36,60С. Личный опыт каждого из нас показывает, что как только температура по градуснику становится выше, так человеку становится плохо, головка перестает соображать, наступает слабость. А при температуре близкой к 400С человек приходит в состояние комы. Происходит потеря сознания, начинается аритмия сердца, нарушение ритма дыхания. Далее – клиническая смерть.

При увеличении температуры заболевшего человека опытные бабуси и медсестры в больницах зачем-то кладут на голову мокрое холодное полотенце или грелку со льдом. Опять – зачем и почему? Интуитивно приходит в голову мысль, что и в случае с комарами и человеком происходит разрушение нервной системы. Но каков механизм разрушения?

Если симпатичная девушка решила посидеть на камне, бетонной ступеньке или на подоконнике с температурой поверхности < 300C, то примерно через 5 минут начнется необратимый процесс изменения структуры воды в её детородных органах. Бесплодие или разные патологии плода обеспечены. Затем придется платить бешеные гонорары врачам-гинекологам, которые хорошо знают, что они бессильны. Для юношей и мужчин тоже не стоит простужать свою простату.

Невозможно удержаться и не рассказать один случай. Дело было во времена, когда младореформаторы и г. Ельцин крушили страну, её экономику. Один ловкий «товарищ директор» «прихватизировал» оптовую овощную базу. Но вот беда – все склады были забиты репчатым луком, девать его было некуда, да еще он начал потихоньку гнить. Разор! Но вот молодой бизнесмен узнал, что на Севере и в Сибири готовы покупать его лук, но в сухом виде для сохранности. Надо сушить лук!

Среди рабочих овощной базы был наш бывший аспирант, кандидат технических наук (безработица, семья кушать хочет, наука стала не нужной). Директор базы поручил ему создать установку сушки лука. Установку сделали из досок и фанеры столяры базы. Стали запускать установку, но вот раз за разом сушка не происходила, а из сушилки вытекала коричневая густая масса с запахом меркаптана. Стало ясно, что без науки не обойтись! Кухонные представления не работают.

Наш бывший аспирант обратился к автору за помощью. Приезжаю, смотрю, нюхаю. И просто поразился: это что же надо сделать с луком, его углеводами и белками, как же надо их растерзать на фрагменты, что бы образовался меркаптан? Оказывается, сушили резаный лук дымовыми газами с начальной температурой 700С. Сразу стало ясно (см. цепочку температур выше), что при нагреве до 700С вода в луке три раза меняла свое состояние и разрушала все, что есть в луке. Стало очевидным, что сушить лук надо при температуре меньше 300С. Но сказать сразу об этом новорожденному бизнесмену нельзя, он подумает, что платить мне не за что, так все просто. Поэтому я потребовал месяц для изучения проблемы, проведения расчетов. А через месяц рекомендовал нашему бывшему аспиранту температуру сушки. Через неделю установка нормально заработала, автор (тоже безработный) получил свои два «лимона» и большой пакет сушеного лука (жена полгода варила борщи). Наука, как всегда, победила!

Попытки разобраться с загадками и тайнами воды.

Начнём от «печки», т.е. со школьных знаний тех времён, когда систему образования ещё не изуродовали современные реформаторы. Атомный номер водорода № = 1. Следовательно, атом водорода содержит один протон, а на его орбите находится один электрон. Устойчивое число электронов на орбите равно 2-м. Атом водорода стремится взять у кого-нибудь еще один электрон. Химики говорят в такой ситуации, что атом водорода является акцептором электронов и всюду ищет донора.

Атомный номер кислорода № = 16. Следовательно, атом кислорода содержит 16 протонов и 16 электронов. Последние располагаются на трех орбитах в количестве 2+8+6. Устойчивое число электронов на последней орбите равно 8. Поэтому атом кислорода тоже является акцептором электронов и всюду ищет доноров.

При встрече молекул О2 и Н2 кислород захватывает 2 электрона у двух атомов водорода. Потенциальная энергия системы (ОН2)1 уменьшилась, а два протона связываются с атомом кислорода. Важно отметить, что атом кислорода «удовлетворён», а атомы водорода по-прежнему остались акцепторами.

Следуя [1], геометрию мономолекулы (ОН2)1 (далее всюду ММ) представим на рис 1. На этом рисунке точка О – центр тяжести трех атомов. Направление осей координат произвольное. В [1] рассчитаны моменты инерции системы относительно осей координат, получаем вектор момента инерции. Следовательно, ММ является ассиметричным волчком. Вращение происходит вокруг вектора момента инерции, сам вектор момента инерции тоже вращается (прецессия волчка). Автор [1] рассчитал величину угловой скорости вращения волчка: ω(00)=12,8*10+9 гц, ω(1000)=116,8*10+9 гц.

Оказалось, что геометрия ММ сильно зависит от внешних воздействий, от подвода/отвода энергии из внешней среды. Протоны могут быть ближе/дальше от атома кислорода, угол α

Иллюстрация геометрии мономолекулы воды

Рис. 1. Иллюстрация геометрии мономолекулы воды.

может быть больше/меньше. Это изменяет момент инерции и, следовательно, угловую скорость волчка и прецессии.

При фазовом переходе воды существенно изменяются размеры внешнего электронного облака вокруг ММ (см. рис. 2). Молекула воды увеличивает свои размеры при переходе от гидратного состояния к жидкой фазе, далее к насыщенному пару и ко льду.

Электроны на внешней орбите вокруг и кислорода, и водорода связаны с ядрами атомов много слабее, чем электроны вокруг ядра кислорода. Последние могут взаимодействовать только с жестким ультрафиолетовым, рентгеновским, гамма излучением. Зато водородные электроны легко взаимодействуют со слабыми излучениями, например, инфракрасным, биополевым. Действительно, давно известно об излучении инфракрасного потока от теплокровных животных, от растений. Экспериментально показано, что слой воды толщиной 3 – 5 мм полностью поглощает тепловое излучение от солнца. Люди давно приметили, что около «хороших» людей великолепно живут комнатные растения, а около мерзавцев – пустыня. Биополе человека воздействует на воду в растениях. Особенно показательна здесь работа [2] (просто поразительно – ругань на воду в Японии из США меняет структуру этой воды).

Комнатные растения можно сделать детекторами лжи: расставить горшки с растениями по кабинетам чиновников и через месяц станет ясно, кто вор и взяточник, а кто «голубчик».

Кластеры воды

Напомним, что атомы водорода, будучи в составе ММ, все ещё имеют избыток потенциальной энергии, так как являются акцепторами электронов. При встрече двух ММ может произойти захват недостающих электронов на орбиту вокруг протона. ММ стремятся объединиться в ассоциаты, которые автор [1] назвал кластерами. Происходит реакция:

(OH2)1 + (OH2)1 → (OH2)2

Два диполя объединяются, но вынуждены согласовать вектора угловых скоростей, сделать их равными по модулю и противоположными по направлению. Энергию для поворота (поляризации) вращения волчков дает избыток потенциальной энергии атомов водорода в каждой ММ. Время τ релаксации диполей воды в кластере, т.е. поворот оси диполя, характеризуется по Дебаю величиной

Иллюстрация геометрии мономолекулы в зависимости от фазового состояния.

Рис. 2. Иллюстрация геометрии мономолекулы (ОН2)1 в зависимости от фазового состояния.

Где μ - коэффициент динамической вязкости воды, к – константа Больцмана, Т – температура, ρ - размер диполя, d – плотность воды, NA – число Авогадро, М – молекулярный вес воды. Это время имеет порядок 10-11 секунд.

Вероятность парной встречи ММ много больше вероятности тройной. Следовательно, множество ММ развивается в сторону увеличения числа бикластеров и уменьшения числа ММ. Дальнейшее развитие системы идет в сторону укрупнения кластеров по схеме:

(ОН2)1 → (ОН2)2 → (ОН2)4 → (ОН2)8

Автор [1] утверждает, что крупнее кластеров не бывает, хотя его гипотезу можно строго доказать с помощью [3]. В [1] показывается, что среднее по множеству всех ММ число ММ в кластерах равно 3,46 при 1000С и 8 при 00С. Иными словами, при больших температурах больше всего тетракластеров и немного бикластеров. Зато при малых температурах вода состоит из самых крупных кластеров.

Геометрия кластеров воды.

Рис. 3. Иллюстрация геометрии кластеров воды.

Автор [1] утверждает, что взаимодействие ММ при образовании кластеров происходит без взаимного проникания облаков электронов двух ММ и без их деформации. Следовательно, жидкая вода представляет собой полидисперсное плотно упакованное множество кластеров. Мера полидисперсности зависит от энергетического взаимодействия с внешней средой.

На рис.3 представлена фотография моделей кластеров, изготовленная из шариков пластилина и палочек. Черные шарики – мономолекулы воды в (ОН2)4 и (ОН2)8. Наверное, можно увидеть, что оба эти кластера имеют 4 оси симметрии: это перпендикуляры, опущенные из «черных» шариков на основание тетракластера. Следовательно, оба вида кластеров способны вращаться вокруг этих 4-х осей. Для плотной упаковки кластеров в жидкой воде или во льду такое вращение исключено. Зато в паровой фазе вращение вполне возможно.

Из геометрии кластеров (см. рис. 3) следует, что внутри кластеров с n > 4 (n - число ММ в кластере) имеется свободное пространство, карманы, в которых может разместиться какое-то тело. Эти карманы в [1] названы дырами. Размер дыр поддается расчету с помощью стереометрии. У кластера с n = 4 ровно одна дыра, при n = 8 таких дыр 5 (см. рис. 3).

Интересно, что размер дыры при 40С в точности равен размеру ММ. Поэтому чистая жидкая вода при этой температуре имеет максимальную плотность и минимальную сжимаемость. Соответственно, при стремлении температуры к 00С жидкая вода уже состоит только из кластеров с n = 8 , размер ММ в составе этих кластеров увеличивается (см. рис. 2), размер дыр уменьшается. Кластер как бы вытесняет из себя и ММ и все, что было в дырах. Одновременно, уменьшается плотность воды. Таков механизм очистки кластеров от примесей и уменьшения плотности воды при замерзании.

Организующая роль кластеров воды

Клетки человека, бактерии, простейшие микроорганизмы во многом состоят из воды. Для нормального существования и развития клеток необходим непрерывный поток различных веществ из/внутрь клетки. Например, необходим калий/натрий обмен клетки с внешней средой. Ион калия имеет малые атомные размеры, следовательно, большую электрическую напряжённость в своей окрестности. Мембрана клетки имеет двойной электрический слой зарядов. «Голый» ион калия не может проникнуть в клетку. Закон Кулона неумолим.

При температурах T < 400C жидкая вода состоит преимущественно из кластеров с n = 8. Размеры иона калия таковы, что вполне могут разместиться в дырах кластеров. Теперь кластер может транспортировать ион калия внутрь/наружу клетки, так как напряженность электрического поля существенно уменьшилась. Обмен веществами, различными радикалами между клеткой и межклеточной жидкостью без крупных кластеров просто невозможен.

Мозг двухнедельного эмбриона человека на 98% состоит из воды, после рождения - на 96%. Развитие мозга у плода начинается с образования нейронов. Каждый нейрон выпускает в пространство несколько аксонов. Каждый аксон оканчивается системой синапсов, которые касаются другого какого-то нейрона. На первый взгляд образование мозга человека какое-то хаотическое, аксоны растут в совершенно произвольном направлении.

С другой стороны биохимики утверждают, что всякий белок представляет собой цепочку атомов углерода с боковыми ответвлениями, соединениями с какими-то фрагментами. Любой белок в «голове» цепочки обязательно имеет амидную группу NH2 и карбоксильную группу СООН. Если в составе белка есть еще одна амидная группа, то она обязательно существует на «хвосте» полимера белка [4]. Специалисты в области полимеров хорошо знают, что полимеры в растворителе очень подвижные образования. У них много степеней свободы перемещения. Фрагменты ответвлений вращаются вокруг атома углерода, сама цепочка непрерывно изгибается, может скручиваться в клубок. Причем «хвост» цепочки тянется к «голове».

У кластера воды (ОН2)8 имеется 5 дыр, карманов. При температурах T < 400С размер дыр больше размера NH2, и эта группа атомов вполне может разместиться в дыре кластера. Тем более, что атомы водорода в NH2 по-прежнему являются акцепторами электронов и стремятся попасть в облако электронов внутри кластера. Размер группы СООН довольно большой, эта группа не может разместиться в дыре кластера. Придется расположиться где-то рядом.

Если произошел захват амидной группы белка кластером, то подвижность цепочки белка существенно уменьшается. Не зря же опасным преступникам крепят на цепи к ноге тяжелое ядро. Таким образом, происходит фиксация в пространстве полимера – белка. Кластеры воды структурируют в пространстве сеть нейронов и их аксонов.

Возможность включения каких-то атомов, ионов, радикалов, фрагментов в дыры кластеров воды не является плодом воспаленной фантазии автора. Оказывается, среди всяких химий (неорганической, органической, аналитической, физической, коллоидной) существует еще химия соединений включения [5]. Молекулы с большим молекулярным весом образуют дыры, в которых могут расположиться малые объекты. Причем, без образования химических связей различной природы. Сам факт существования соединений включения доказан экспериментально.

К 5 годам жизни ребёнка количество нейронов стабилизируется. Дальнейшее развитие мозга идет за счет увеличения числа и длины аксонов. Внешняя среда, природа, биополя родителей, других воспитателей влияют на структуру воды и тем самым на разветвленность и густоту аксонной сети. За время младенчества и детства происходит образование или Маугли, или Человека. Не зря у армян существует правило: до 5 лет ребёнок - царь, после – раб. В этот же период жизни ребенок быстро осваивает и родной, и иностранные языки. К 25 годам развитие мозга прекращается, число нейронов, и вся сеть аксонов стабилизируется. Все специалисты, желая получить второе – третье высшее образование хорошо знают, как трудно происходит освоение новых знаний после 25 лет жизни. Содержание воды в мозге становится равным примерно 83%. Содержание воды в остальных частях тела примерно 70% в юности и 60% в старости. Сохнет, видите ли, человек!

Если один пьянчужка ударит другого по голове пивной кружкой, или полицейский ударит по голове демонстранта своей дубинкой, или просто человек при падении ударился головкой о камень, то в месте удара внутри мозга создается гидравлический удар. Резко растет давление. Фронт высокого давления распространяется во все стороны со скоростью звука, отражается от стенок черепа. Резкий рост давления приводит к деформации кластеров воды, кластеры начинают разрушать, рвать белковые сети. Связи между нейронами нарушаются. Кроме того, при ударе происходит разрыв белков кровеносных сосудов, капилляров в мозге. Кровь выливается, заполняет какой-то объем, деформируя мозг. Образуется гематома мозга. Нейрохирурги оперативным путем в состоянии удалить гематому, но не могут восстановить связи между нейронами. С вероятностью 1 такой пациент после операции становится инвалидом 1-ой группы из-за умственной недостаточности.

Первые робкие выводы

1. Жидкая вода – полидисперсный слой плотно упакованных кластеров (ОН2)n, n = 2, 4, 8. Распределение кластеров по числу ММ в их составе зависит от всего на свете (давления, температуры, рН среды, электромагнитных излучений, биополей теплокровных животных и растений).

2. Кластеры жидкой воды не имеют поступательного движения в плотно упакованной среде. Диффузии кластеров в общепринятом понимании – нет. ММ, входящие в состав кластера, являются ассиметричными волчками с прецессией. Сами волчки колеблются с какой-то частотой и амплитудой около состояния равновесия.

3. Размер дыр в кластерах с n > 4 также сильно зависит от внешних воздействий. При температуре 300C < T < 400C этот размер достаточен, чтобы внутри кластера разместились атомы, ионы и радикалы различных веществ. В частности, могут разместиться ионы щелочных металлов. Большой кластер играет роль транспортера веществ в/из и внутри клетки живых организмов.

4. Вареная, жареная, пареная пища не содержит больших кластеров. Вода в компотах, супах, борщах, в чае содержит преимущественно бикластеры и очень немного тетракластеров. Такая вода не участвует в процессе переноса веществ из/внутрь клеток организма. Клетки хотят «пить». И если их не удовлетворить в этом, то начинают производить всякий мусор, шлаки, в том числе проклятый холестерин. Поставщиком «нужной» воды являются овощи, фрукты, ягоды, парное молоко, талая вода. Долгожители в горных районах потому ещё и долгожители, что пьют только талую воду ледников.

5. Бить людей по головке не надо. Умственно неполноценных и так хватает, и с избытком (достаточно посмотреть на реформы, которые проводят наши чиновники).

6. Выращивать полезных бактерий, грибков, плесеней и других микроорганизмов следует в чистой талой воде при температуре меньше 400С. Уничтожать эту мелочь можно, лишая ее больших кластеров воды. Например, в микроволновых печах напрочь разрушаются все крупные кластеры, все полезные вещества разваливаются на фрагменты. Сушку веществ органической природы следует производить при таких же температурах. Тогда не будет разрушения белков. Пастеризация молока (720С) разрушает все полезное в молоке.

7. Если внимательно просмотреть всю цепочку рассуждений, объясняющих некоторые «загадки и тайны» воды, то приходим к пониманию первопричины явлений – атом водорода во всех соединениях является акцептором электронов.

Постановка проблем

Итак, появился новый взгляд на строение воды в разных фазовых состояниях, новое осмысление, понимание зависимости свойств чистой воды от внешних воздействий.

Тогда что такое растворение водой различных веществ, каков механизм растворения, что такое состояние насыщения раствора, как начинается кристаллизация? Каков механизм гидрофильности и гидрофобности? Как происходят химические превращения в водном растворе, какова роль кластеров при этом? Каков механизм испарения чистой воды и водных растворов? Каков механизм энергопереноса в воде и в водных растворах? Как происходит процесс ад- и абсорбции, образование кристаллогидратов? Что делается на границе раздела фаз? Современная научная литература, например [6], довольно невнятна и не конструктивна.

Ответы на все эти «что и как» позволят понять, осмыслить и далее оптимизировать процессы химических превращений в водных растворах, процессы сушки, выпарки, экстракции, ректификации, смешения. Дисциплина «Процессы и аппараты химических технологий» в технологических вузах получит инструмент создания этих производств.

Да простят читатели автора за его гигантоманию и желание «объять необъятное»!

Список использованной литературы

  1. Сколунов А. В., Геометрия воды и льда. Микроструктура и свойства воды и льда в рамках кластерно – гироскопической модели. - М.: Компания Спутник+, 2005. – 126 с. (Тираж 50 экз). ISBN 5-93406-00005-2.
  2. Масару Эмото, Послания воды. Тайные коды кристаллов льда
  3. Богородский Ю. Л., Истоки мироздания (в облегченном изложении), - М.: Издатель Купцова И. Л., 1999. – 271 с. (Тираж 1000 экз.) ISBN 5-93153-005-3.
  4. Збарский Б. И., Иванов И. И. , Мардашев С. Р., Биологическая Химия, из-во «Медицина», Ленинградское отделение, 1965. – 519 с.
  5. Крамер Ф. Соединения включений, - М.: из-во «Иностранная литература», 1958. -169 с.
  6. Кесслер Ю. М., Петренко В. Е., Лященко А. К. и др. Вода: структура, состояние, сольватация. Достижения послед. лет. Отв. ред. А. М. Кутепов. – М.: «Наука», 2003. - 404 с. ISBN 5-02-006485-8 (в пер.)

Наверх