Чудо-молекула — вода. Поверхностное натяжение

Как вы догадываетесь, значительная часть химии и физики дайвинга связана с водой. Но вы можете и не осознавать, что вода - это особенное вещество. Хотя вода является простым соединением, она обладает необычными свойствами и отличается от большинства других жидкостей. Если бы вода не обладала такими свойствами, то Земля бы замерзла, а жизнь на планете - такая, какой мы знаем ее сейчас - не существовала бы.

Применительно к дайвингу: Отличительные свойства воды оказывают на нас существенное влияние во время погружения, особенно в связи с поглощением водой тепла и необходимостью использовать гидрокостюм.

Полярная структура.Как вы уже знаете, два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода, образуя молекулу воды. В соответствии с теорией отталкивания пар электронов валентной орбиты (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory - VSEPR) форма молекулы частично определяется такой структурой, при которой сила отталкивания между электронами минимальна (одинаково заряженные частицы отталкиваются). В результате молекула воды представляет собой два атома водорода на одной стороне и атом кислорода на другой, как показано на рисунке. Несмотря на то, что общий заряд молекулы воды ней трален, из-за ее формы со стороны кислорода существует небольшой отрицательный заряд, тогда как со стороны водорода - слегка положительный. Из-за наличия положительно и отрицательно заряженных сторон молекула воды является полярной.

Так как молекула воды полярна, молекулы образуют связи друг с другом между позитивно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. Такая связь между молекулами называется водородной или полярной. Хотя эта связь далеко не такая сильная, как ковалентная или ионная, именно она придает воде ее отличительные свойства.

Поверхностное натяжение.Поверхностное натяжение - первое отличительное свойство воды по сравнению с другими жидкостями. Полярная связь между молекулами делает поверхность воды плотной, препятствующей проникновению внутрь и расслоению. Именно из-за поверхностного натяжения капли воды держатся вместе, а иголка не тонет, несмотря на то, что ее плотность более чем в пять раз превышает плотность воды. На самом деле иголка не плавает по поверхности (о плавучести мы поговорим позже), а просто она настолько мала и легка, что ее вес не может преодолеть силу поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение играет важную роль в окружающей среде, т.к. многие небольшие организмы приспособились жить на поверхности воды. Один из них - паук-водомерка, насекомое, которое благодаря поверхностному натяжению перемещается по поверхности воды, охотясь за добычей или убегая от хищников. Еще более важную роль играют в природе нейстон - крошечные организмы (разновидность планктона), живущие на поверхности океана. Многие из них не плавают, но они настолько малы, что могут спокойно существовать в своей биологической нише благодаря поверхностному натяжению. Одной из причин для беспокойства по поводу загрязнения окружающей среды является то, что загрязняющие вещества нарушают поверхностное натяжение. Таким образом, в загрязненной среде целая ниша в экосистеме может прекратить свое существование.

Растворимость.Еще одна особенность воды заключается в том, что она растворяет больше веществ, чем любая другая простая жидкость. Это опять-таки обусловлено полярностью молекулы воды. Когда вы добавляете какое-либо вещество, например соль, в воду, молекулы начинают взаимодействовать друг с другом в зависимости от полярности. Положительно заряженные частицы молекулы соли притягиваются к молекуле воды со стороны кислорода (отрицательно заряженной), а отрицательно заряженные частицы молекулы соли притягиваются к молекуле воды со стороны водорода (положительно заряженной). Таким образом, растворяясь в воде, ионные вещества буквально разрываются на части.

Способность воды растворять большое количество различных молекул делает ее ключевым элементом для существования жизни. Практически в каждом живом организме вода несет клеткам питательные вещества и газы, необходимые для жизни, и выводит продукты распада. В простых организмах этот процесс естественным образом происходит в воде - в среде, где они живут. В сложных организмах (как мы с вами) этот процесс происходит внутри организма - вода, которая осуществляет этот процесс, является основным компонентом крови. Внутри каждой клетки как простых, так и сложных организмов вода необходима для всех процессов: от потребления энергии до воспроизводства.

Несмотря на способность воды растворять большое количество веществ, в воде растворяется не всё. Это к лучшему, потому что, если бы вода растворяла всё, то жизни бы не существовало, так как создать клеточные структуры было бы невозможно — они бы растворились.

Не очень хорошо растворяются в воде неполярные молекулы. Масла и жиры являются неполярными, поэтому масло с водой плохо смешиваются. Действие мыла основано на том, что его молекулы могут образовывать связи как с полярными, так и с неполярными молекулами. Когда вы моете руки, молекулы мыла связываются с жирами, содержащимися в грязи, и с водой, создавая связи, которые позволяют воде смывать грязь.