Структурная формула воды

Виктор Бабинцев
Вода - колыбель жизни. Но это всего лишь известная нам еще с детства Н2О. Известная ли? О том и речь.

Если к двум объемам водорода добавить один объем кислорода, получится гремучая смесь. При ее взрыве образуется только вода, и больше ничего. Применяем закон Авогадро (в равных объемах различных газов при равных условиях содержится равное количество молекул) и получаем  формулу воды - Н2О. С этого, однако, и началась аналитическая химия.

Эту формулу можно назвать количественной, так как из нее следует, что в любом количестве воды, даже в самом маленьком, атомов водорода количественно всегда ровно в два раза больше атомов кислорода. Но эту формулу можно назвать и "загадочной", ибо с ее помощью мы не можем объяснить ни одно известное нам физическое свойство воды. Да и химические свойства, кстати, - тоже. Например, кто нам с помощью количественной формулы воды ответит на вопрос: почему натрий, очень бурно взаимодействуя с водой, вытесняет всегда только один атом водорода из каждой Н-О-Н, хотя, как это мы видим из формулы воды, оба атома водорода в молекуле воды по отношению и к нему, и к кислороду находятся в равных условиях?

Можно очень долго доказывать и, в последствии, даже доказать, что, известная нам с детства Н - О - Н, просто не существует в природе, что жидкость под названием "вода" состоит не из аш два о. Но проще можно достичь этой же цели, если сразу показать объемную или структурную формулу воды и в дальнейших рассуждениях отталкиваться уже только от нее.

Так вот, на поверхности шара можно разместить шесть равноудаленных друг от друга точек, как минимум. Мысленно возьмем три различных по размерам шара и поместим их друг в друга. Шесть равноудаленных точек на самом маленьком внутреннем шаре обозначим символом Н; шесть точек на среднем шаре - символом О; и шесть точек на самом большом шаре - снова символом Н. Точки Н - О - Н на трех уровнях расположим друг напротив друга. Это и есть объемная формула воды и ее наименьшая структурная единица, частица перегретого пара и влажности воздуха.

В количественном выражении эта формула имеет вид Н12О6 и никак не противоречит закону Авогадро и экспериментальным данным аналитической химии. Но, глядя на нее, нам уже очень даже понятно, например, почему очень химически активный натрий вытесняет в каждой молекуле воды только внешние атомы водорода, не причинив при это вреда "гидро(к)сильному ядру" молекулы воды О6Н6. Кстати, это "ядро" молекулы воды сохраняется во всех химических реакциях с участием воды. Одно это обстоятельство уже утверждает право предлагаемой объемной формулы воды на ее существование в природе.

Другой важный момент: молекулярная масса Н6-О6-Н6 равна 108 а. е., а средняя молекулярная масса воздуха - 29. И это уже объясняет круговорот воды в природе. А теоретическая формула Н-О-Н с молекулярной массой равной 18 это объяснить никак не могла. На основании этого учёными был сделан вывод: дескать, в молекулярной форме вода в природе не встречается; мол, вся вода в Мировом океане - это одна большая молекула воды...


Каждый может представить детскую кроватку, наполненную до краев одинаковыми мячиками. Если мячики в кроватке уложить рядами строго один над другим, когда каждый мячик будет находиться строго над мячиком, то все мячики в кроватке уже не поместятся. Так вода расширяется при замерзании, которое частично начинается уже при +4С. Кстати, явление мгновенного замерзания переохлаждённой воды в пластиковой бутылке при её встряхивании, наверное, уже видели многие. Так вот, чтобы каждая молекула воды расположилась над каждой другой молекулой, неподвижным молекулам воды нужно сообщить движение; чтобы вода могла "сверхохладиться", ей нужен покой. Всё просто.

Если в кроватку, заполненную лёгкими мячиками или тенисными шариками положить ребёнка, то шустрый малыш вскоре окажется на дне кроватки. Если на дно кроватки положить мячик и заполнить кроватку, скажем, шариками от подшипников, то мячик останется на дне. Однако если потрясти кроватку, мячик тут же "всплывёт на поверхность". Если на дно кроватки поместить воронку в перевёрнутом виде и завалить её стальными шариками, то - хоть тряси, хоть затрясись - воронка останется на месте. Вот так же и на кессон, установленный на морском дне, сила Архимеда не действует. Стало быть, сила Архимеда обусловлена весом частиц воды, их подвижностью и их "подкатыванием" под погруженное тело, а не разницей давления на верхнюю и нижнюю части погруженного тела, как считает Википедия.

Представим три одинаковых соприкасающихся шара на горизонтальной поверхности, расположенные по прямой. Каждый человек при некоторой силе и ловкости может поднять их на вытянутых руках. Заменим средний мячик на значительно более тяжёлый или более лёгкий и мы получим наглядное представление о силе Архимеда: более тяжелый мячик всегда будет выдавливаться вниз, а более легкий - вверх.


А теперь ответим по-новому на главный вопрос: что делает возможным существование в воде живых организмов? Снова представим себе детскую кроватку, наполненную мячиками. Между мячиками есть пустоты, и ребенок в кроватке под мячиками вовсю смеется. Между объемными молекулами воды тоже есть пустоты, которые заполнены атмосферным воздухом. Концентрация кислорода в "атмосфере воды" 35,6% против 21 в воздухе. Это можно объяснить тем, что молекулы кислорода несколько тяжелее молекул азота - 32 против 28, поэтому в "атмосферу воды" их из воздуха проникает несколько больше и они вытесняют азот из пустот воды. Но азот и кислород (или воздух) вытесняются из воды тяжелым сероводородом Н2S с молекулярной массой 34 а.е. и углекислым газом 44 а.е., что и делает существование жизни в такой "отравленной" воде невозможным. Тут уместен пример безжизненных глубин нашего Черного моря. И другой пример: если пойманных рыб поместить в прохладную влажную среду, то они могут жить несколько суток, потребляя кислород прямо из воздуха.

Закон Генри применительно к воде: растворимость воздуха в воде при данной температуре пропорциональна его давлению над водой. Способность воды к аэрации и деараци известна очень давно, но почему-то никто не пытался объяснить это свойство воды "ажурностью" или "пористостью" ее вещества.

Известно, что при 0 градусов Цельсия количество воздуха в воде наибольшее, а при 100 градусах - наименьшее. То есть при нагревании воды происходит как бы выдох, а при охлаждении - вдох. Явление "вдоха воды" связано с уменьшением объемных молекул воды при охлаждении и увеличением пространства между ними. При нагревании структурные (или объемные) молекулы воды расширяются, деформируются и пространства между ними становится меньше. Вследствие чего вода "делает выдох". На очень большой глубине в следствии высокого давления сжимаются и деформируются и холодные молекулы воды, поэтому воздуха там несколько меньше. В соленой морской воде воздуха меньше по той же причине - меньше межмолекулярного пространства, которое частично заполнено солью. В воде Мертвого моря воздуха практически нет.

Есть у воды и еще одно интересное свойство - это ее большая теплоёмкость. Проще говоря, вода долго нагревается, а нагревшись, долго остывает. В чем причина этого свойства?

 
Подобным свойством обладают и постоянные магниты. Они тоже медленно нагреваются и долго остывают. Если магнитные свойства объяснить синхронным движением ядерных спутников во всех атомах магнита, при котором их свойства складываются, то все встает на свои места. Магнит как бы сопротивляется нагреванию извне сихронным и слаженным движением своих атомов и синхронным и слаженным внутриатомным движением, то есть своими внутренними ритмами. Это при нагревании. Но и охлаждению магнит сопротивляется тем же самым. А чем еще? Так вот, вода тоже может сопротивляться нагреванию и охлаждению только тем же самым, то есть слаженным или синхронным атомным и внутриатомным движением. А такая внутренняя "зацикленность" движения возможна только в вышеописанной структурной молекуле воды. Это еще раз может навести на мысль, что вода, как и магниты, может обладать так называемой памятью, о которой сейчас так много говорят, и не только гомеопаты.

И еще. Чистая или дистиллированная вода является прекрасным диэлектриком или изолятором. Почему? В гравитационной физике все физические явления, обусловленные синхронным внутриатомным  движением синхронных атомов проводника, при котором происходит сложение их гравитационных моментов, называются электромагнитными. Вода потому и является диэлектриком, что имеет собственные ритмы и собственную память движения в атомах, которыми она и сопротивляется воздействию на нее внешних и чуждых ей ритмов и частот токов в металлах. А вот сможет ли она так же успешно сопротивляться токам в полимерах или поличастотным токам? Уверен, что нет. В микроволновке вода тоже очень быстро нагревается...



        Ретурнинговый теплообмен и парадокс Мпембы

Танзанийский школьник Эрасто Мпемба в 1963 году случайно заметил, что горячая смесь для приготовления мороженного замерзает в морозилке быстрее, чем смесь комнатной температуры,  и сообщил об этом учителю физики. Учитель над ним посмеялся. В 1969 году о "парадоксе Мпембы" стало известно из научной печати. И тут вдруг оказалось, что о свойстве горячей воды в некоторых условиях замерзать быстрее холодной упоминалось еще Аристотелем. Сейчас результат этого нелогичного опыта иногда называют эффектом Аристотеля-Мпембы, но он все еще ждет своего объяснения. И Британское Королевское химическое общество в 2012 году объявило международный конкурс для разгадки "Парадокса Мпембы".

Однако увидеть эффект Мпембы удается далеко не всем желающим. Например, если полное ведро горячей и полное ведро холодной воды выставить на морозец с ветерком, то холодная вода замерзнет быстрее; если в одну морозильную камеру поставить контейнеры с горячей и холодной водой, то холодная вода замерзнет быстрее. В этом каждый может легко убедиться, если еще не убеждался на практике.

Для домашнего опыта берем два одинаковых пластиковых стакана, например,  из-под сметаны вместимостью продукта 450г. На высоте 20мм от дна стаканов делаем риски – это будет уровень наливаемой воды. В один стакан наливаем теплую воду, а в другой – холодную. Ставим оба стакана в морозилку с температурой около минус 18 градусов; ставим на дощечку, книжку или пенопласт. Вот и все: вода в стаканчике с надписью "гор" замерзает быстрее.

Но может случиться так, что именно вы пропустите время замерзания воды, и вода успеет замерзнуть в обоих стаканах. В этом случае, заглянув в стаканы, вы увидите, что весь иней, образовавшийся из испарившейся воды, находится на внутренних стенках стаканов на расстоянии не более 20мм от поверхности льда и на самом льду. То есть, даже следов инея нет больше нигде – ни на стенках стакана выше отметки в 40мм, ни на потолке морозилки. И главное - инея в стаканчике с надписью "гор" намного больше. Вам, возможно,  в это трудно поверить и трудно объяснить наличие узкой полоски инея у кромки льда, но  именно так и будет в ста ваших опытах из ста.

Из этого опыта следует, что любая конкретная молекула или частица испаряющейся воды в неподвижном воздухе всегда возвращается обратно в воду, если поверхность воды для нее достаточно велика. Это закон ретурнинга или закон возврата. И объясняется этот закон проще простого: структурная молекула воды - Н12О6 - весит в три раза больше молекулы азата и молекулы кислорода.   

Горячая вода испаряется интенсивнее холодной, поэтому влажность воздуха в первом стакане  будет выше. Испарившиеся на морозе молекулы воды мгновенно конденсируются и превращаются в видимые даже невооруженным глазом кристаллики льда,  из которых и состоит пар или туман. Эти частички в морозном воздухе медленно падают вниз и способны преодолевать слабый восходящий поток более мелких частиц. Во время своего падения частички увеличиваются в размерах, соединяясь с другими частицами и как бы стремясь превратиться в снежинки. Следовательно, в первом стакане большее число таких частиц в каждую единицу времени вернется в воду, нежели во втором. Вспомнив о большой теплоемкости льда, делаем вывод: возврат (или «ретурнинг») бОльшего количества замерзших частиц воды в единицу времени и является причиной более интенсивного охлаждения на морозе горячей воды. Разумеется, возвращаются не только видимые глазу частички воды, но и успевшие охладиться и хаотически движущиеся в пограничной зоне молекулы воды. И их число, и их значение огромно!

Итак, в нашем опыте горячая вода на морозе охлаждается интенсивнее холодной. Это обязательно приводит к равенству температуры воды в первом и втором стаканах в какой-то момент времени. Теперь и тут, и там вода испарятся примерно с одинаковой интенсивностью. Однако и после выравнивания температур в стакане с надписью "гор" на какое-то время сохранится более высокая влажность воздуха, чем в стакане с изначально более холодной водой, что и станет причиной более быстрого замерзания в нем воды. Этот важный момент все толкователи парадокса Мпембы почему-то упустили.

Таким образом, никакого  физического эффекта Аристотеля-Мпембы и особого свойства горячей воды в природе не существует, а есть лишь неравенство влажности и плотности воздуха над поверхностью горячей и холодной воды и повышенный теплообмен в условиях большой влажности и плотности среды. Возможно, парадокс Мпембы просуществовал так долго лишь потому, что не существует еще и двух научных терминов -  «отрицательный ретурнинг» и «положительный ретурнинг».  Отрицательный ретурнинг – это возвращение в жидкость охлажденных молекул и частиц испаряющейся жидкости, а положительный ретурнинг – это возвращение нагретых молекул и частиц испаряющейся жидкости.  И эти термины нам нужны для понимания и объяснения природы теплообмена. Но не только.

Например, если озеро замерзает в тихую и слегка морозную погоду, то оно покрывается прозрачным, как стекло, ледком. Если же озеро замерзает в тихую и морозную погоду, то оно покрывается непрозрачным льдом. Это «ретурнинговый лед». И все объясняется просто: не замерзшее  еще озеро в сильный мороз «парит», и лед образуется не только из упорядоченных в пространстве  структурных молекул воды, но и из замерзших частиц тумана и мелких снежинок, падающих сверху.


Сейчас скажем о том, с чего должны были начинаться наши знания о воде.


               Современный Архимед. Трактат "О плавающих телах".

Трактат – это кратчайший путь логического познания реального мира через простое начало. «Простое начало» - это аксиома и отправная точка для всех последующих логичных выводов или теорем. Аксиома не требует доказательств, но требует открытия. А истинная простота – это как раз то, что даётся познанию труднее всего. Именно по этому поводу Архимед сказал своё знаменитое «Дай, где стать, и я поверну Землю».

«Теорема» - это чётко обозначенная ступень познания или "шаг вперёд". В логичном познании каждая теорема следует из предыдущей, а истинность первой теоремы трактата может доказываться справедливостью самой последней.

Научный трактат может поместиться всего лишь на одной стороне бумажного листа, но писать такой трактат можно всю жизнь. Сейчас мы встанем на этот путь познания, и нам откроется много чего такого, «что и не снилось здешним мудрецам».

В трудах нескольких философов древнего мира упоминается утерянный для нас трактат Архимеда «О плавающих телах». И в этом трактате, оказывается, было сразу две аксиомы, а не одна, как обычно. Причём начинался трактат с объяснения причин и условий для плавания в воздухе и в воде «малых твёрдых тел», то есть взвешенных  или броуновских частиц. Сейчас мы полностью восстановим этот трактат, и даже кое-что к нему добавим.

Древние люди считали то, чем они дышат, чем-то прозрачным и невесомым. Например, в русском языке составное слово «воз-дух» имеет следующее смысловое значение: невидимый, невесомый и дающий жизнь (-дух), который везде, которого много (воз-).

Древнегреческие философы-атомисты объяснили невесомость воздуха хаотическим движением его невидимых частиц и дали "вездесущему духу" научное название «хаос» (или газ, по-нашему): дескать, если нет веса у беспорядочно мечущейся частицы, то нет его и у целого. Однако мы знаем, что вес у воздуха всё же есть. Но не знаем имени того, кто этот вес открыл.

Сложных открытий не бывает. В ярком луче солнечного света, проникшем в тёмное помещение через узкую щель, Архимед увидел сверкающие частицы. Он сразу догадался, что так светятся частицы обычной пыли. А что есть пыль?  Это малые твёрдые тела, плавающие в воздухе точно так же, как частицы мути - в воде. Стало быть, у воздуха, как и у воды, есть вес! Значит, воздух – это не хаос, а, скорее, прозрачный кристалл, с равноудалённым расположением одинаковых и очень удалённых друг от друга частиц.

Сейчас мы знаем о почти мгновенной «самоорганизации плазмы», то есть о её превращении в светящийся газ, и о том, что вещества с хаотическим движением частиц действительно невесомы. Например, нет веса у огненного шара атмосферного атомного взрыва, у шаровой молнии, у плазмоидов… Но Архимед первым объяснил не только вес газов, но и прозрачность всех веществ – твёрдых, жидких и газообразных; объяснил всё тем же равноудалённым расположением одинаковых и неподвижных частиц. А то, что плазма непрозрачна для света и других эл. магнитных колебаний или радиоволн, это мы тоже знаем. Но плазма «непрозрачна» и для звука. Так что, будь воздух хаосом, мы были бы слепыми и глухими. Впрочем, нас бы просто не было. Пример плазменной атмосферы - солнечная корона.

Архимед знал, что высоко в горах «воздуха мало», поэтому людям  там «нечем дышать». Значит, где-то ещё выше в небе воздуха уже нет совсем. Отсюда: Земля окружена довольно тонкой «атомо-сферой»; окружена благодаря тому, что у каждой частицы воздуха есть хоть и маленький, но  вес. Кроме того, Архимед знал, что звук наиболее хорошо передаётся на большие расстояния только в неподвижном и холодном воздухе… А вот и сам трактат.


                Трактат «О плавающих телах».

Аксиома 1. «Все жидкости и газы имеют вес и находятся под давлением силы веса собственных и выше расположенных слоёв» (здесь и далее в кавычках приводятся определения самого Архимеда).

Теорема 1. Давление в любой точке жидкости или газа равно напряжению взаимного отталкивания частиц в этой точке и по силе равно весу всех выше расположенных над этой точкой частиц.

Теорема 2. Все прозрачные жидкости и газы состоят из одинаковых, равноудалённых и условно неподвижных (колеблющихся или дрожащих) частиц, находящихся в состоянии взаимного отталкивания и относительного (или «чуткого») равновесия, которые взаимно отталкиваются в газах на расстояниях много больших, чем в жидкостях.

Теорема 3.  Малые твёрдые тела могут плавать в жидкостях и газах только по причине сдавленности этих сред и их упругости, то есть по причине равного на них давления со всех сторон, в любом из возможных направлений превышающего по силе силу веса самих малых тел.

Теорема 4. Малые твёрдые тела могут совершать в жидкостях и газах заметные движения во всех возможных направлениях, когда давление среды на них становится асимметричным, то есть больше или меньше с одной из сторон.

Теорема 5. Звук передаётся в сдавленных и упругих средах посредством фронтов повышенного или пониженного давления.

Теорема 6. Единичное смещение взвешенной частицы происходит в момент прохождения через неё фронта повышенного или пониженного давления в сдавленной и упругой среде.

Теорема 7. Наблюдаемое хаотическое движение броуновских частиц обусловлено почти одновременным прохождением в упругих средах как прямых фронтов аномального давления, идущих от их источников, так и отражённых от любых поверхностей.

Теорема 8. Если источник звука, ультразвука или ИК-излучения расположен к броуновским частицам ближе, чем отражающая поверхность, то частицы движутся в направлении от него к этой поверхности...

Формулировать теоремы, позволяющие нам управлять движением броуновских частиц, можно и дальше, но, думаю, на сегодня хватит и этого.  Последняя теорема уже доказана всем имеющимся опытом применения ультразвука и ИК-излучения в промышленности и в медицине. Для ознакомления с этим опытом могу посоветовать «Применение ультразвука в промышленности» и «Форезы».  А это означает, что и все предыдущие теоремы тоже были правильными.

Ещё прошу обратить внимание на тот факт, что, например, частичка тумана весит больше молекулы азота воздуха в квинтиллион (число с 15 нулями) раз. А Эйнштейн научил всех математиков тому, что единичное смещение броуновской частицы есть результат её случайного столкновения с хаотической частицей среды. Вопрос профессору на засыпку: чему равно число частиц среды в пограничном с броуновской частицей слое? (Правильный ответ: оно равно числу капелек росы на бортах, палубах и палубных надстройках «Титаника»)

Более того, все физики давно знают, что для столкновения атомов в ускорителях нужны огромные скорости и энергии, потому что взаимное отталкивание встречных атомов начинается на расстояниях много больших их линейных размеров. Это как раз и доказывает, что и в веществах колеблющиеся атомы взаимно отталкиваются на значительных расстояниях друг от друга. Эйнштейн в 1905 году этого не знал, а математики этого не знают и сейчас. Но не будем о грустном.

Вот вторая часть трактата «О плавающих телах», которая почему-то смогла дойти до нас в своём первозданном виде.

Аксиома 2. «Тела, равнотяжёлые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости и не будут двигаться вниз».

Теорема 1. «Тело, более лёгкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объём жидкости, соответствующий погружённой части тела, имел вес, равный весу всего тела».

Теорема 2. «Тела, более лёгкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объём с телом,  будет тяжелее этого тела».

Теорема 3. «Тела, более тяжёлые, чем жидкость, опущенные в жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объёме, равном объёму погружённого тела».

Вот и весь трактат Архимеда «О плавающих телах». Как видите, в нём всё предельно просто, логично и полезно для применения. К примеру, технический термин «водоизмещение судна» как раз отсюда. Но у нас сейчас физика не логическая, а математическая. И это притом, что «Математики похожи на французов: что бы вы ни сказали, они всё переведут на свой собственный язык. Получится нечто противоположное» (Гёте). И вообще, что математик придумал и сосчитал, то для него и истина. Вот и закон Архимеда математики знают, но не понимают. Не верите? Нет? Тогда задайте любому профессору вопрос: если давление среды на погружённое тело больше снизу, чем сверху, то что происходит с телом?.. И он скажет, что данное тело всплывает: дескать, выталкивающая или архимедова сила равна положительной разнице разновекторных давлений среды на погружённое тело; мол, вычислять эту силу следует через дифференцирование давления по высоте столба жидкости или газа и его интегрирования по всем точкам поверхности погружённого тела (теорема Остроградского-Гаусса). Можете посмотреть в учебниках или в Википедии по запросу «Закон Архимеда». А на самом деле повышенное давление среды под телом может быть создано только таким телом, плотность вещества которого больше плотности воды, и такое тело, конечно же, погружается, а не всплывает.

Давление среды на макроскопическое погружённое тело в законе Архимеда не имеет никакого значения, поэтому самим Архимедом о нём не сказано ни слова. Возможно, для того, чтобы понять это, учёным не хватает простого опыта. Думаю, самым простым будет этот, с тремя шарами. Устанавливаем на горизонтальной поверхности три соприкасающихся одинаковых мяча или шара, расположенных по прямой… и, сдавливая их двумя руками, поднимаем над поверхностью. Это сделать может чуть ли не каждый. Но... Если средний шар будет значительно тяжелее или же легче крайних, то всегда получится в точности так, как и в теоремах Архимеда: тяжёлый шар всегда будет выдавливаться вниз, а более лёгкий – вверх. Запомнить этот опыт не так сложно, если самому попробовать это сделать, а ведь в нём физическая суть вытесняющей или архимедовой силы.

Вот, вкратце, то, чему нас сегодня научил древний философ Архимед. 

Тот, кто всё понял, думаю, сможет объяснить факт мгновенного замерзания переохлаждённой воды при её встряхивании, например, в пластиковой бутылке и сможет самостоятельно объяснить взаимодействие частиц в твёрдых веществах. Для начала советую дать определение температуре. Запомните: всё, что человек понимает, он когда-то понял сам; всё, что человек знает, он знает благодаря учёным или ещё кому-то. Знает, но мало что понимает… и легко забывает. К примеру, вчера в одной из телепередач доктор биологических наук сказала: дескать, на время Ледникового периода человек стал холоднокровным; мол, когда этот период закончился, он снова стал теплокровным. Эта «учёная»  уже даже не знает и не понимает, что очень важные химические реакции в организмах теплокровных животных управляются белковыми ферментами, многие из которых способны работать в интервалах температур от +32 до + 42 градусов С.

Самый короткий и, на мой взгляд, более совершенный вариант изложения темы в "Физическая формула воды, или Трактат "О воде": http://proza.ru/2020/04/29/340

На рисунке чья-то смешная фантазия из Инета.


15.07.2009.