Вода — одно из самых загадочных веществ на Земле. В Iron Mountain Hot Springs мы очень заботимся о том, чтобы уважать этот природный ресурс, и мы очень рады узнать, что вода может иметь и другие, хотя и неоднозначные свойства!

Пьем. Мы готовим с этим. Мы купаемся в нем. Обычный по всем параметрам, верно? Однако на протяжении всего На протяжении всего человечества вода заняла почетное место в научных и духовный царства.

• Биология говорит нам, что наши тела на 70 процентов состоят из воды, и без воды мы умрем в течение трех-пяти дней.
• В химии мы узнаем, что вода — единственное вещество, которое может существовать в обычных атмосферных условиях в трех состояниях — твердом, жидком и газообразном.
• Вода считается «универсальным растворителем», потому что она растворяет больше веществ, чем любая другая жидкость.
• Науки о Земле учат, что вода своими ручьями и ручьями прорезала самые глубокие каньоны в мире.
• Минеральная вода, богатая кальцитом, отложившаяся в течение долгих периодов времени, создала фантастические пещерные образования, подобные тем, что есть в парке приключений Glenwood Caverns.
• Иногда кажется, что вода нарушает законы физики — благодаря слабым водородным связям она удерживает себя вместе, несмотря на силы тяжести — физика называет это поверхностным натяжением.
• Астрономы назвали Землю «планетой воды», потому что ее обилие здесь резко контрастирует с остальными небесными сферами в нашей солнечной системе.
• Говорят, что нет двух одинаковых снежинок — никогда! Как такое возможно?
• В духовном плане все религии мира считают воду святой и используют ее в религиозных церемониях для очищения и очищения.

При жизни неоднозначный японский ученый и исследователь Др.Масару Эмото предложил несколько интересных, если не повсеместно признанных идей о воде. Он предположил, что вода сохраняет память; он несет в себе отголоски того, с чем он соприкасался на своем пути к нашим кранам, озерам, ручьям и океанам. Он также изучил, как звук влияет на воду. В экспериментах он подвергал воду воздействию классической музыки и хэви-метала, затем замораживал воду и позже смотрел на нее под микроскопом. Различия в кристаллических структурах между двумя музыкальными жанрами были действительно разительными.Самые красивые кристаллы воды образовались под влиянием Моцарта, а не Motörhead.

Верите ли вы открытиям доктора Эмото или нет, справедливо будет утверждать, что вода действительно является уникальным веществом. В Iron Mountain Hot Springs поддержание чистоты наших драгоценных горячих источников является нашим главным приоритетом. Все 16 наших бассейнов для замачивания заполнены 100% чистой геотермальной родниковой водой без добавления хлора и химикатов.Вода поступает из трех природных источников. Он проходит через несколько гравитационных песочных фильтров на нашей территории для удаления водорослей. Каждый бассейн для замачивания имеет отдельный водопровод, что исключает проточное загрязнение. Чтобы поддерживать его в первозданном виде, вода в бассейнах полностью обновляется каждые два часа. Чтобы удалить твердые минералы и другие загрязнения, бассейны для замачивания также регулярно сливают и промывают водой.

Открытия доктора Эмото могут иметь, а могут и не иметь достоинства, но если они это сделают, вода, в которую впадают гости в горячих источниках Железной горы, может иметь скрытые воспоминания о высоких альпийских снежных полях, волнообразных реках и тайные знания о том, что находится глубоко под земной корой .

Карин Гамба профессионально пишет для рынков путешествий и туризма почти два десятилетия. Она продвигала широкий спектр туристических продуктов, включая города назначения, курорты, поля для гольфа, горнолыжные курорты, спа, отели, рестораны и бесчисленные достопримечательности для посетителей. Карин особенно любит писать о своем родном городе Гленвуд-Спрингс.

ч3Ох! 10 загадок воды

Вода обладает множеством необычных свойств, многие из которых необходимы для жизни. Здесь мы собрали десять самых необычных

Майкл Маршалл и Дэвид Робсон

Странная вода: река Рона встречается с илом Арве в Женеве, Швейцария

Хенрик Садура / Алами Стоковое Фото

Ни одна жидкость не ведет себя так странно, как вода.Он демонстрирует множество необычных поведений, многие из которых необходимы для жизни, какой мы ее знаем. В статье на обложке мы рассмотрим, как новая спорная теория может, наконец, объяснить странное поведение воды. Здесь мы объясняем, как теория может объяснить 10 видов поведения воды, а затем кратко рассмотрим многие другие ее особенности.

Загадки воды

Представление воды в виде жидкости, способной образовывать два типа структур, одну тетраэдрическую, а другую неупорядоченную, могло бы объяснить многие из ее необычных свойств.Вот 10 из них.

1. Вода наиболее плотная при 4 ° C

ПОЯСНЕНИЕ: Нагревание уменьшает количество упорядоченных тетраэдрических структур в пользу более неупорядоченного расположения, в котором молекулы более плотно упакованы. Однако тепло также возбуждает молекулы в неупорядоченных областях, заставляя их расходиться дальше друг от друга. При температуре выше 4 ° C этот эффект имеет приоритет, делая воду менее плотной

2. Вода имеет исключительно высокую удельную теплоемкость: для повышения температуры воды на заданную величину требуется много тепловой энергии.

ПОЯСНЕНИЕ: Большая часть дополнительной тепловой энергии используется для преобразования большего количества молекул из тетраэдрических структур в неупорядоченные структуры, а не для увеличения кинетической энергии молекул и, следовательно, температуры.

3. Удельная теплоемкость минимальна при 35 ° C, но увеличивается с понижением или повышением температуры, тогда как…

Ancient Mysteries of Water — журнал Watkins MIND BODY SPIRIT

Вода — самое распространенное вещество на Земле и, как это ни парадоксально, самое загадочное. Доктор Паоло Консильи о жизненных силах воды, которые формируют нашу планету.

Эта статья впервые появилась в Watkins Mind Body Spirit, выпуск 51.

Фактически, на протяжении многих столетий ее истинная природа оставалась практически неизвестной науке, до такой степени, что химик Линус Полинг, двукратный лауреат Нобелевской премии, определил воду как «нейтральную зону химии».

Мы сами на 7⁄10 воды, как и голубая планета, на которой мы живем. Но эти 7⁄10 по-прежнему таят много загадок. Не все знают, что 99 процентов молекул нашего тела — это молекулы воды.Он составляет лучшую часть мира внутри и вне нас, а это означает, что, если мы хотим понять природу — как нашу собственную, так и нашу планету, — нам нужно более тщательно исследовать воду. Человеческие существа неумолимо тянутся к воде, потому что благодаря своей необычайной простоте, чистоте и прозрачности она раскрывает как истоки, так и цель нашей жизни. История и судьба воды пересекаются с нашей собственной — короче говоря, вода определяет наши начинания, поддерживает наше настоящее и является ключом к нашему будущему.

The Hidden Secrets of Water — это путешествие, посвященное открытию жизненно важных сил, присущих воде и высвобождаемых ею; приключение, в ходе которого мы пройдем тысячелетия и посетим тысячелетние культуры, каждая из которых обладает своим собственным дистиллированным видением того, что такое вода и что она означает. Мы будем исследовать воду через целенаправленно неиерархический ряд линз, от химии, биологии, физики и медицины до антропологии, психологии, философии и мистицизма, потому что не существует дисциплины, научной или нет, для которой вода не имеет никакого отношения.Благодаря очарованию своих ритмов и волнений вода органично объединяет науку и дух, технологии и гуманизм, разум и интуицию.

Книга также показывает, как вода в лучшую или худшую сторону влияет на наше самое сокровенное личное измерение. Вода своим собственным поведением раскрывает движущие ею принципы, то, что можно было бы назвать ее «моральными ценностями», которые мы, дети воды, должны были бы принять: вода учит нас жить более чутко и осознанно.

Вода, всегда готовая меняться, приспосабливаться, творить и трансформироваться, является лучшим проводником, который природа предлагает нам для понимания того, как жить с мудростью и безмятежностью, как достичь здоровой и полноценной жизни.Однако сначала мы должны понять его движения, его турбулентность, а также турбулентность, которую он вызывает в наших телах и умах. Когда мы поймем, почему вода движется так, как она движется, с чем она борется и к чему стремится, и в самом деле, почему это вообще происходит, мы намного больше поймем нашу глубинную сущность.

Большая часть этих знаний уже существует; нам просто нужно напомнить об этом. На протяжении многих веков ученые пытались понять природу и происхождение воды. Модель, придуманная древними китайскими учеными — знакомая полярность энергетических сил инь-ян — оказалась чрезвычайно подходящей для понимания законов, управляющих взаимодействием между водой и другими силами и веществами, присутствующими в природе.Подобные модели появляются в недавних научных теориях.

Вода — мощная сила, которая, как скульптор, формирует нашу планету. Его непрекращающийся поток превращает горы в каньоны, в то же время обеспечивая пропитание каждому живому организму. Что скрывается в этой непреодолимой силе? В книге мы исследуем физическое поведение воды, ее вибрационную структуру и упорядоченные потоки, которые являются причинами ее удивительных терапевтических свойств.

Вода, конечно же, была решающим фактором в появлении такого вида, которого планета никогда не видела: Homo sapiens.Именно воде мы обязаны рождением и выживанием человечества, самого умного и самосознательного вида на Земле. Знаменитый английский биолог сэр Алистер Харди был первым ученым, выдвинувшим довольно интригующую гипотезу о том, что человеческий вид произошел от водного предка, — идея, которая пользуется доверием среди все большего числа экспертов.

Будучи эмбрионом, а затем плодом, мы проводим первые девять месяцев нашей жизни, как рыбы в соленом рассоле, также известном как околоплодные воды: каждый из нас возникает из мира воды.Таким образом, нетрудно представить себе значительные преимущества водных родов как для матери, так и для ребенка.

Вода — это общая матрица всего роста: все формы природы нарисованы ее невидимой кистью, открывая несовершенный мир, полный сложности и разума. Вода также формирует и определяет нас как духовную, сознательную часть этой планеты в поисках смысла. Давайте углубимся в его тайны, чтобы исследовать самые глубокие смыслы жизни.

Познакомьтесь с автором: Паоло Консильи — врач, психолог и практик холистической медицины и иглоукалывания.Он практикует в Милане и преподавал в Медицинской ассоциации китайской медицины в Европе.

Паоло Консильи
The Hidden Secrets of Water
12.99, можно приобрести в Watkins Books

Происхождение воды на Земле — большая загадка, но, возможно, у нас есть еще один кусочек головоломки.

Если бы на Земле не было воды, на ней не было бы жизни, и во Вселенной не хватало бы сырых мемов.Но как именно возникла вода на этой планете, всегда было вечной загадкой. Земля не просто волшебным образом появилась из эфира, покрытого океанами за океанами. У воды есть история происхождения, и ученые никогда полностью не соглашались, что это за история.

В новой статье, опубликованной в журнале Journal of Geophysical Research: Planets , исследователи из Университета штата Аризона предполагают, что вода на Земле возникла из материала, принесенного астероидами, чему способствовали остатки газа, разбросанные после образования Солнца.

Это, конечно, далеко не первый случай, когда люди предложили воду в том виде, в каком мы ее знаем (и пьем), имеет внеземное происхождение. Исторически самым простым объяснением было то, что вся вода на Земле поступила из астероидов, которые столкнулись с Землей в первые дни ее жизни 4,6 миллиарда лет. Почему? Вода с Земли имеет те же химические признаки, что и вода, содержащаяся в астероидах, в частности, отношение дейтерия (тяжелого изотопа водорода) к нормальному водороду. И предыдущие эксперименты показали, что, несмотря на все тепло и энергию, создаваемые этими чрезвычайно мощными столкновениями, эта вода могла быть сохранена в том виде, в котором она оказалась на пока еще не голубой планете.

Тем не менее, этих теорий никогда не было достаточно, чтобы заполнить некоторые другие белые пятна, которые у нас есть относительно происхождения воды. Водород, обнаруженный в океанах Земли, не обязательно того же типа водорода , присутствующего на всей остальной планете — образцы, собранные ближе к ядру Земли, содержат чрезвычайно низкое количество дейтерия, что, кажется, предполагает, что этот водород не из столкновения с астероидами.

«Хотя многие модели считают вероятным, что у Земли есть водород в ядре, ни одна из них не учитывала, насколько это изменит изотопные отношения водорода [дейтерия по отношению к водороду] в мантии», — говорит Стивен Деш, исследователь из штата Аризона. и соавтор нового исследования.«Земля, должно быть, началась с какого-то дополнительного источника водорода, у которого соотношение дейтерия к водороду ниже, чем у астероидов. Единственный возможный источник — газ солнечной туманности ».

Группа начала относиться к этой идее более серьезно, благодаря исследованиям в последние годы, которые начали иллюстрировать, как протопланетные тела могли сосуществовать с газом солнечных туманностей (который, как когда-то считали, исчезнет слишком рано, прежде чем начнется формирование планет). больше возможностей для внедрения водорода в более глубокие части растущей планеты.

В конечном итоге исследователи использовали новую схему, которую они разработали, чтобы найти наиболее вероятный сценарий истории водных ресурсов Земли: астероиды, содержащие груды воды, начали сливаться друг с другом миллиарды лет назад, в то время как Солнце все еще сохраняло солнечную туманность. Эти астероиды создали то, что мы можем назвать планетными зародышами, сталкиваясь и сливаясь, и в конечном итоге разбиваясь с достаточной энергией, чтобы сформировать слой магмы за пределами зародыша.

В то же время газ солнечной туманности, который включает водород и другие благородные газы, начал взаимодействовать с магмой, создавая атмосферу.Водород из солнечной туманности растворился в железе магматического слоя. Химический процесс, называемый изотопным фракционированием, потянул нормальный водород еще дальше к ядру эмбриона, в то время как более тяжелый (и более редкий) дейтерий оставался в мантии. Меньшие эмбрионы, сделанные из других заполненных водой астероидов, воздействовали на растущий плод Земли, пока Солнечная система, наконец, не оказалась с полноразмерной Землей, которую она знает и любит, изобилующей водой.

В целом, эта история подтверждает, что большая часть воды на Земле поступала из астероидных источников, но также демонстрирует, что полоска — 0.От 1 до 0,2 процента океанов на планете образованы водородом, который образовался из газа солнечной туманности.

Кроме того, исследователи использовали эту модель, чтобы спрогнозировать, что на Земле достаточно водорода, чтобы произвести воду стоимостью около восьми океанов: один находится на поверхности, водород в мантии содержится в двух океанах, а водорода достаточно для пяти океанов, находящихся на поверхности. Ядро Земли.

В конечном счете, самым большим ограничением этих результатов является то, что мы работаем с моделями. Нет никакого реального способа доказать, что это произошло.

Тем не менее, есть кое-что, что ученые могут сделать, чтобы проверить некоторые возможности, предлагаемые этой новой теорией. Мы понятия не имеем, как выглядит изотопное фракционирование при таких глубинах и давлениях, которые были бы обнаружены в зародышах ранней Земли, но команда планирует продолжить лабораторные эксперименты, которые могут охарактеризовать этот процесс более подробно, чтобы модель могла лучше отражать то, что происходит на самом деле. Команда также стремится собрать и проанализировать больше образцов мантии, демонстрирующих очень низкое отношение дейтерия к водороду, что добавит дополнительной поддержки этой истории происхождения.

За пределами Земли наибольшее значение новой теории связано с обитаемостью в других мирах. «Даже планеты, которые образуются далеко от источников богатых водой астероидов, могут все еще иметь воду», — говорит Деш. «Возможно, не так много, как Земля, но дно водорода составляет от 0,1 до 0,2 океанов», что применимо к Венере и многим другим экзопланетам. «В той мере, в какой модель проверена, она решительно поддерживает идею быстрого роста планеты» и вызывает волнение по поводу возможности для обитаемых миров формироваться быстрее, чем мы думаем.«Это во многом меняет наши представления о планетах».

Дэвид П. О’Брайен, исследователь из Института планетологии в Тусоне, штат Аризона, не участвовавший в исследовании, считает, что новая модель довольно интересна тем, что включает в себя несколько различных механизмов для воды. «Большинство моделей в прошлом рассматривали эти различные механизмы изолированно, пытаясь показать, как они могут индивидуально объяснить всю воду на Земле», — говорит он. «Это новое исследование рассматривает их вместе и показывает, что они, вероятно, оба работали… и конечный результат согласуется с измеренными значениями отношения дейтерия к водороду и содержания благородных газов на Земле.«Хотя новая модель не совсем переворачивает то, что мы думали о происхождении воды на Земле, О’Брайен считает ее хорошей демонстрацией того, что такого рода процессы сложны и многогранны.

По крайней мере, новая газета является хорошим напоминанием о том, что в космосе есть куча камней, которые, вероятно, являются домом для кладов воды, и они могут стать приличными площадками для тренировок, детка, бурений.

молекул воды, все еще окутанных тайной

Причины для дальнейшего изучения структуры воды

Вода нам хорошо знакома, и ее простая молекулярная структура, H ₂ O, хорошо известна даже ученикам младших классов.Хотя трудно поверить, что состояние воды еще полностью не выяснено, вода по-прежнему окутана тайной. Хотя люди склонны думать, что научные исследования направлены только на неизвестные и новые явления, важной задачей научных исследований является попытка найти и прояснить загадочные явления в обычных веществах, таких как вода и лед. Вы можете быть удивлены, узнав, что структура воды изучается в SPring-8, одном из ведущих мировых центров оптических исследований.Однако для проведения такого исследования есть веские причины. Вы когда-нибудь задумывались, где лед хранит огромное количество энергии холода (энергии для охлаждения объектов), почему плотность воды максимальна при 4 ° C и уменьшается как ниже, так и выше 4 ° C, или почему плотность твердого льда ниже? чем у жидкой воды? Чтобы ответить на эти вопросы, важно прояснить структуру воды — вопрос, который до сих пор вызывает споры. Недавно на СПринг-8 был проведен структурный анализ воды и льда, и были обнаружены некоторые новые факты, которые могут привести к разрешению некоторых давних споров о природе воды.

Водородная связь между молекулами воды

Есть шесть электронов на внешней орбитали атомов кислорода и один электрон на орбитали атомов водорода (рис. 1). Когда атом кислорода и два атома водорода связываются, образуя молекулу воды (H ₂ O), атомы водорода разделяют свой единственный электрон с орбиталью атома кислорода, но также разделяют электрон с атомом кислорода, таким образом образуя прочный связь. Атомы водорода и кислорода стабилизируются, когда их внешние орбитали заполнены двумя и восемью электронами соответственно.Следовательно, между двумя атомами водорода и атомом кислорода образуются прочные связи, называемые ковалентными связями. Таким образом, атомы водорода и кислорода образуют стабильную структуру, разделяя свои электроны.

Индивидуальные молекулы H ₂ O считаются существующими независимо и стабильно, поэтому почему они образуют твердые кристаллы (лед) или жидкость с максимальной плотностью при 4 ° C (вода)? Считается, что ключом к раскрытию этой тайны является водородная связь, механизм взаимного притяжения между молекулами H ₂ O.Поскольку электроны в двух атомах водорода притягиваются к атому кислорода ковалентной связью, сторона атома водорода, противоположная ковалентной связи, заряжена слегка положительно, тогда как оставшиеся четыре электрона на внешней орбитали атомов кислорода, которые являются не используются в ковалентных связях, образуют две неподеленные пары и имеют отрицательный заряд (рис. 2). Следовательно, две положительно заряженные стороны атомов водорода в молекуле H ₂ O притягивают отрицательно заряженные неподеленные пары в двух других молекулах H ₂ O, тогда как две отрицательно заряженные неподеленные пары притягивают положительно заряженные стороны водорода. атомов в двух других молекулах H ₂ O.Образованные таким образом связи называются водородными связями (рис. 3), и их прочность составляет примерно одну десятую прочности ковалентных связей.

Вышеупомянутый механизм означает, что молекула H ₂ O может притягивать четыре других молекулы H ₂ O вокруг себя. Легко представить пять молекул H ₂ O, размещенных в четырех вершинах и центре правильного тетраэдра. Такие базовые структуры расположены регулярно, образуя кристаллы, то есть лед. Традиционно состояние связи между молекулами H ₂ O во льду и их функции было трудно непосредственно наблюдать, и поэтому они анализировались с помощью моделирования молекулярной динамики, а именно путем моделирования взаимного взаимодействия между виртуальными атомами и его механизма с помощью компьютера.Однако недавно ученым удалось напрямую наблюдать структуру и функции льда в эксперименте по высокоточному комптоновскому рассеянию с использованием канала высокоэнергетического неупругого рассеяния (BL08W) на SPring-8, подтвердив точность моделирования молекулярной динамики.

Комптоновское рассеяние используется для изучения закономерностей движения электронов в целевых молекулах и атомах путем измерения разницы в энергии фотонов до и после столкновения рентгеновских частиц (фотонов) с электронами и их рассеяния.В вышеупомянутом исследовании было разъяснено, что часть холодной энергии во льду хранится в сетевой структуре, в которой прочность связи молекул H ₂ O увеличивается с понижением температуры, а оставшаяся энергия сохраняется в виде вибрации. энергия молекул H ₂ O. Ожидается, что это фундаментальное исследование внесет вклад в разработку теплоаккумулирующих материалов и проясняет характеристики теплоаккумулятора новых материалов в будущем. Оно было опубликовано в ведущем научном журнале США.

fig1． Схема атомов водорода и кислорода

fig2． Схема молекулы H ₂ O и ковалентные связи

Атомы водорода, ковалентно связанные с сильно электроотрицательными атомами, такими как атомы кислорода и азота, заряжены слегка положительно, потому что электроны атомов водорода притягиваются к электроотрицательным атомам.Это позволяет образовывать слабые связи с неподеленными парами в соседних молекулах воды с силой связи примерно в десять раз меньше, чем у ковалентных связей. Эти связи называются водородными связями. В случае молекул H ₂ O два из шести валентных электронов в атомах кислорода участвуют в двух связях ОН, а оставшиеся четыре валентных электрона образуют две неподеленные пары, что позволяет образовать в общей сложности четыре атома водорода. связи с соседними молекулами воды.

Загадочная структура воды

В 1892 году Рентген, открывший рентгеновские лучи и получивший первую Нобелевскую премию по физике, предложил модель воды, в которой ледоподобная структура и неизвестная структура смешиваются с образованием воды.Однако в 1933 году, после исследования данных дифракции рентгеновских лучей для воды, профессора Кембриджского университета предложили теоретическую модель воды, в которой структура льда состоит из молекул H ₂ O, расположенных в четырех вершинах и центре правильного тетраэдра. , постоянно искажается, образуя воду. Эта модель не была общепринятой, но была поддержана многими учеными, поскольку подтверждающие результаты были получены в ходе различных последующих спектроскопических анализов и трехмерного моделирования молекулярной динамики, выполненных с использованием компьютеров, производительность которых быстро улучшалась с 1980-х годов.

В 2008 году Такаси Токусима, научный сотрудник RIKEN, и его коллеги проанализировали структуру воды с помощью мягкого рентгеновского излучения высокой яркости от RIKEN Physical Science III Beamline (BL17SU) и спектрометра мягкого рентгеновского излучения с мировым исследованием. с высочайшим разрешением, оснащенный недавно разработанным специальным контейнером (жидкостной проточной ячейкой) с окнами из прочных тонких пленок толщиной 150 нм с высоким коэффициентом пропускания мягкого рентгеновского излучения. Когда электрон вытесняется с внутренней орбитали атома кислорода, ковалентно связанного с атомами водорода при облучении мягким рентгеновским излучением, электрон с внешней орбитали перемещается на внутреннюю орбиталь, чтобы занять положительно заряженное свободное положение (дырку).В это время энергия, соответствующая разнице между энергией электрона на внутренней и внешней орбиталях, высвобождается в виде мягких рентгеновских лучей. Следовательно, мы можем определить состояние неподеленных пар, исследуя различия в распределении энергии испускаемого мягкого рентгеновского излучения (энергетический спектр). Это принцип структурного анализа воды методом мягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии (рис. 4). При исследовании мягким рентгеновским излучением спектра воды (жидкости) этим методом наблюдаются два пика интенсивности, соответствующие неподеленным парам, участвующим в водородных связях (рис.5). Это открытие предполагает, что одновременно существуют два состояния воды с разными типами водородных связей. Чтобы более точно изучить это открытие, ученые проанализировали структуру воды, используя различные методы, например, анализ малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, метод наблюдения тонких структур путем анализа картины рассеяния рентгеновских лучей, рассеиваемых с помощью малый угол при облучении материала рентгеновскими лучами и комбинационное рассеяние рентгеновских лучей для наблюдения молекулярных орбиталей без электронов.

Приведенный выше анализ выявил весьма неожиданную для воды структуру. В отличие от традиционно принятой модели, в которой упорядоченная структура льда непрерывно и постепенно искажается, чтобы сформировать однородную структуру воды, вода, по-видимому, имеет относительно большой разброс по плотности (плотный / тонкий), а именно, ледоподобные упорядоченные структуры (с низкая плотность) редко распределены в высокоплотном «море» молекул H ₂ O, которые искажаются из-за разрыва водородных связей, в результате чего возникает тонкая структура, напоминающая горошек (рис.5). Было также обнаружено, что изменение плотности становится небольшим при высоких температурах и большим при низких температурах. Из-за этого открытия необходимо переоценить модель, предложенную Рентгеном. С тех пор, как результаты были опубликованы в американском научном журнале, прозвучали призывы изменить новую модель воды на основе моделирования молекулярной динамики, и оживленные дискуссии о природе воды все еще продолжаются. Плотность льда ниже, чем у воды, и плотность воды, наибольшая при 4 ° C, теперь, по-видимому, частично объясняется рассмотрением межмолекулярного расстояния и среднего числа молекул H ₂ O, окружающих H ₂ O молекула (номер расположения).Однако до сих пор остается много неясных механизмов, например, скорость изменения между двумя состояниями воды и то, как на эту скорость влияет растворение вещества в воде. Таким образом, загадки воды до сих пор полностью не выяснены.

Вы можете быть удивлены, узнав, что вышеупомянутые фундаментальные исследования воды необходимы для выяснения механизма, лежащего в основе растворения веществ в воде, и роли воды в биологических организмах и химических реакциях.Однако, например, для выяснения функций биологических клеток, содержащих воду с различными ионами, необходимо полностью понимать структуру воды и состояния соответствующих электронов. Таким образом, ожидания того, что SPring-8 станет мировым лидером в фундаментальных исследованиях воды, растут.

fig4．Схема мягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии

(слева) Две кривые, полученные в новом эксперименте, т.е.е., один указывает на группу молекул H ₂ O, искаженных разрывом водородных связей, а другой указывает на тонкую структуру, подобную структуре льда. Эти кривые соответствуют одной кривой, указывающей на два различных состояния воды, ранее полученной путем анализа спектра излучения воды (H ₂ O) при комнатной температуре.
(Справа) Предлагаемая структура воды. Трехмерная структура для простоты выражена в двухмерной плоскости. Когда температура воды увеличивается, плотность компонентов с высокой плотностью уменьшается и приближается к плотности компонентов с низкой плотностью, и контраст в горошек, представляющий плотность, становится небольшим.Поэтому становится трудно наблюдать разницу между этими компонентами с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей. Вышеупомянутая структура постоянно меняется с рекомбинацией водородных связей (которые рекомбинируют за 1-2 пикосекунды; пикосекунда составляет одну триллионную долю секунды). Следовательно, изменения в структуре воды можно постоянно обнаруживать, если мы используем методы получения информации с фемтосекундным разрешением (фемтосекунда составляет одну квадриллионную долю секунды), то есть быстрее, чем рекомбинация водородных связей, такая как мягкое рентгеновское излучение. , малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и комбинационное рассеяние рентгеновских лучей.

Интервью и оригинальный текст Наричика Хонда

Вода: самая странная жидкость на планете | Наука

Вода — единственное вещество на Земле, химическая формула которого вошла в обиход. Все мы знаем h3O, даже если не понимаем, что именно он означает. Но если это звучит просто, на самом деле все иначе. Это обычное, кажущееся скучным вещество сбивает с толку и сбивает с толку любого, кто вглядывается в него достаточно долго.

Вода нарушает все правила.С 19 века химики разработали прочную основу для описания жидкостей и их функций. Эти идеи почти бесполезны для объяснения странного поведения воды. Его странность лежит в основе того, что происходит каждый раз, когда вы бросаете кубик льда в напиток. Задумайтесь на мгновение: перед вами твердое тело, плавающее на своей жидкости. Твердый воск не плавает на расплавленном воске; твердое масло не плавает на топленом масле в горячей кастрюле; камни не плавают на лаве, когда она извергается из вулкана.

Лед плавает, потому что вода расширяется при замерзании. Если вы оставили бутылку газировки в морозильной камере на ночь, вы поймете, что это расширение — мощная сила: достаточно сильная, чтобы разбить стекло. Это кажется небольшим и несущественным любопытством, но эта аномалия — одна из множества странных и уникальных поведений воды — сформировала нашу планету и жизнь, которая на ней существует.

Через эоны циклов замерзания и таяния вода просачивалась в гигантские валуны, раскалывала эти камни и превращала их в почву.Лед плавает в наших напитках, но также и через наши океаны в виде морского льда и сверкающих айсбергов. В замерзших озерах и реках лед не просто украшает поверхность; он изолирует воду под ней, удерживая ее на несколько градусов выше точки замерзания даже в самые суровые зимы.

Вода является самой плотной при 4 ° C и при этой температуре опускается на дно озера или реки. Поскольку водоемы замерзают сверху вниз, рыбам, растениям и другим организмам почти всегда будет где выжить в периоды сильного холода, и они смогут расти в размерах и количестве.За геологическое время эта странность позволила сложной жизни выжить и развиться, несмотря на последовательные ледниковые периоды Земли, периоды, когда хрупкие формы жизни в противном случае были бы уничтожены на иссушенной, мерзлой земле и — если бы вода вела себя как обычная жидкость — в затвердевшем состоянии. моря тоже.

Но это только начало. Возьмите стакан воды и посмотрите на него сейчас. Возможно, самое странное в этой бесцветной жидкости без запаха то, что это вообще жидкость. Если бы вода следовала правилам, вы бы ничего не увидели в этом стакане, и на нашей планете вообще не было бы океанов.Вся вода на Земле должна существовать только в виде пара: части плотной, влажной атмосферы, расположенной над негостеприимной, сухой, как кости, поверхностью. Молекула воды состоит из двух очень легких атомов — водорода и кислорода — и в условиях окружающей среды на поверхности Земли это должен быть газ. Например, сероводород (h3S) представляет собой газ, хотя его молекулярная масса в два раза превышает молекулярную массу воды. Другие молекулы аналогичного размера, такие как аммиак (Nh4) и хлористый водород (HCl), также являются газами.

Если вам это показалось странным, как насчет этого: горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Это особенность, известная как эффект Мпембы, в честь старшеклассника из Танзании по имени Эрасто Б. Мпемба, который в 1963 году обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем более холодная смесь, в эксперименте в классе. Хотя его учитель высмеивал, Мпемба был не единственным, кто заметил это своеобразное действие воды — об этом писали Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт.

Чтобы понять, почему вода нарушает все правила, подумайте о том, как насекомое — например, водомер — может прыгать по поверхности пруда. Он не падает на глубину из-за поверхностного натяжения воды, которое огромно по сравнению с другими жидкостями. Это происходит из-за удивительной способности молекул воды прилипать друг к другу. В жидкой форме атомы водорода одной молекулы воды притягиваются к атому кислорода другой молекулы. Каждая молекула воды может образовывать до четырех таких водородных связей, и в совокупности они придают воде уникальную для жидкостей когезию.Это объясняет, почему вода является жидкостью на поверхности Земли: водородные связи удерживают молекулы вместе таким образом, что для их разделения требуется больше энергии, чем обычно, например, если вы хотите превратить жидкость в газ.

Трудно переоценить важность водородных связей в воде. Они позволяют молекулам воды протягивать друг друга через мельчайшие кровеносные сосуды в вашем теле — часто работая против силы тяжести — перенося кислород и питательные вещества к частям, которые иначе были бы труднодоступны.Тот же механизм означает, что растения могут всасывать воду из глубины земли, чтобы питать листья и ветви, растущие на солнце.

Липкость воды делает возможными и другие повседневные явления, которые мы принимаем как должное: это означает, что мы можем качать воду вокруг радиаторов отопления в наших домах, выжимать апельсиновый сок из картонной упаковки за завтраком и поливать клумбы в наших садах. Все это возможно, потому что воду трудно сжимать — молекулы притягиваются друг к другу и в своем естественном состоянии стремятся оставаться ближе друг к другу, чем молекулы в других жидкостях.Чем сложнее что-то сжать, тем легче это перемещать, если вы надавите на одну сторону. (Несжимаемость жидкости может показаться не слишком ненормальной, но вода переводит ее на разные уровни — даже на глубине мили вода в океане сжимается в объеме только примерно на 1%.)

Вода не только притягивается к себе, но и будет притягиваться. придерживайтесь практически всего остального, что встречается. Это наиболее близкий нам универсальный растворитель, способный разрушать другие соединения. Поваренная соль, состоящая из кристаллов хлорида натрия, легко растворяется в воде, потому что водородные связи оттягивают атомы натрия и хлора от кристалла, позволяя им свободно плавать в жидкости.Фактически, вода является настолько хорошим растворителем, что его практически невозможно найти в чистом виде; даже получение чистых образцов в лаборатории затруднительно. Почти все известные химические соединения растворяются в воде в небольшой (но обнаруживаемой) степени. Из-за этого вода является одним из самых активных и коррозионных химических веществ, которые мы знаем.

Умение взаимодействовать со многими вещами имеет решающее значение для жизни. Это означает, что вода может растворять широкий спектр питательных веществ и других ингредиентов и перемещать их по нашему телу.Основные молекулы жизни — ДНК, белки, молекулы, из которых состоят клеточные мембраны и т. Д. — не работали бы без воды. Эволюция сформировала эти длинные сложные молекулы так, что они имеют определенные участки, которые легко смешиваются с водой, используя водородные связи, и другие участки, которые избегают воды, например, масло отказывается смешиваться. Миллиарды белковых молекул внутри вашего тела складываются только в правильную форму, чтобы выполнять свою работу, потому что их взаимодействие с водой подталкивает их к правильному трехмерному формату.

Представьте себе жидкость, и это, скорее всего, будет вода. Даже если вы думаете о крови, пиве или яблочном соке, вы думаете о воде с небольшим количеством других веществ, растворенных или взвешенных в ней. Есть и другие чистые жидкости, которые встречаются в повседневной жизни, например, нефть или растительное масло, но их не так много, и мы не взаимодействуем с ними так часто.