«Не лейте воду!» — слышим мы иногда в адрес пустослова. Но... при чем тут вода?!

Нелишне напомнить — сами мы состоим из воды примерно на две трети; дышится нам свобод­но только тогда, когда влажность воздуха составляет около 50%, да и самые первые живые орга­низмы на Земле появились, как считают ученые, именно в воде. Мы ходим по материкам, кото­рые всего лишь острова в Миро­вом океане, а под ногами у нас — в земной коре и мантии — почти такой же океан подземных вод. Иными словами, наша пла­нета — это шар, окутанный водя­ными парами и обладающий обо­лочкой, обильно смоченной во­дой. Один известный ученый как-то в шутку заметил, что, если бы марсиане наблюдали Землю в сверхмощные телескопы и гово­рили бы к тому же на одном из земных языков, они назвали бы нашу планету Океаном.

Много ли мы знаем о воде? Если судить по тысячам томов, написанных о ней физиками, хи­миками, гидрогеологами, гидро­техниками, учеными многих дру­гих специальностей, то немало. Да и нельзя людям плохо знать воду — ведь почти невозможно отыскать и какой-либо производ­ственный процесс, в котором бы не участвовала вода.

Может быть, потому-то, из-за обыденности воды и огромности уже накопленных о ней знаний нас и подстерегает представле­ние о простоте воды, о том, что все главное в ней давно открыто и что осталось только уточнить некоторые ее свойства.

Но вот история недавнего от­крытия. Ее вполне можно было бы озаглавить: «Открытие воды».

Началась она, когда молодой выпускник МГУ Олег Яковлевич Самойлов пришел работать в про­славленный Институт общей и неорганической химии имени Курнакова. В университете он вовсе не специализировался на изуче­нии воды, но так уж случилось, что очень скоро пришлось за­няться именно ею. В лаборатории, где он стал трудиться, исследо­вали явление так называемой гид­ратации, то есть взаимодействия воды с ионами растворенных в ней веществ.

Не слишком благодатной каза­лась молодому исследователю эта тема. Действительно, явление гидратации было уже хорошо из­учено, а суть его представлялась ясной настолько, что усвоить ее мог школьник. Вот в воде ока­зался ион какого-либо вещества. В силу своего электрического за­ряда он, естественно, притягивает к себе молекулы воды и сковы­вает их тепловое движение, ко­торому вода обязана многими свойствами, например текучестью. Если заряд иона меньше — при­тяжение слабее, и напротив — ион большого заряда сковывает молекулы воды сильнее. Для на­учных исследований нужна и ко­личественная оценка гидратации. Ученые вычислили для ионов раз­личных веществ особый пара­метр, названный энергией гидра­тации. Это энергия, необходимая для отрыва от иона «прилипшей» к нему молекулы воды и удале­ния ее на расстояние, где напря­женность электростатического по­ля иона исчезающе мала. Но ион сковывает не одну, а сразу не­сколько молекул воды. Для ха­рактеристики гидратационных свойств иона была подсчитана еще одна физическая величина — гидратационное число. Оно уточ­няет, сколько молекул тот или иной ион может одновременно удержать возле себя.

Такую модель явления и вы­воды из нее считал вполне логич­ными и Олег Яковлевич. Насто­раживало, правда, одно странное обстоятельство: подсчитанные раз­ными учеными с помощью разных методов гидратационные числа одного и того же иона весьма от­личались. Для натрия, к примеру, эти числа колебались от 1 до 71... Неверны методики измерения? Недостаточно чисто поставлены эксперименты?.. Вряд ли. Во вся­ком случае, сомнениям зацепить­ся пока было не за что.

Самойлову даже после знаком­ства с этими противоречиями еще не приходило в голову заняться именно этой проблемой. Он про­должал кропотливо исследовать вязкость воды и растворов, руко­водствуясь все теми же класси­ческими представлениями. Но од­но дело совсем еще молодому ученому некритично относиться к научной классике — это вполне можно понять, и совсем другое — когда и в результатах собствен­ных опытов царит полнейшая не­разбериха. В экспериментах Са­мойлова вязкость растворов ка­лия, брома, цёзия, рубидия раз за разом оказывалась меньше, чем у... чистой воды!

Невероятно?.. Так считал и Са­мойлов. Ионы, несомненно, долж­ны делать раствор гуще, раз они связывают молекулы воды. Нель­зя же, скажем, сироп считать бо­лее жидким, чем чистую воду.

Эксперименты продолжать не имело смысла. Самойлову стало ясно, что еще сотня-другая опы­тов ничего не изменит. Тогда и пришла впервые мысль: может быть, ошибочно само понимание сути гидратации?

Конечно, будь у ученого ка­кой-либо надежный прибор, позволяющий увидеть внутреннюю структуру воды, проследить, как в кино, кадр за кадром движение молекул, разгадка бы тогда силь­но облегчилась. Сделать рентге­новские снимки воды? Увы, они позволяют хорошо разобраться в строении твердого тела или че­ловеческих легких, но для воды дают картину слишком расплыв­чатую.

Самойлов углубился в самые основы теории жидкостей, кото­рую выдвинул к тому времени профессор Я И. Френкель. Вкратце главные ее принципы были таковы. Каждая частица жидкости непрерывно колеблется вокруг какого-то своего центра равновесия, подобно атомам в твердом теле. Но, например, в металле плотная упаковка ато­мов ограничивает размах коле­баний до ничтожно малых ампли­туд — переход в другое равно­весное положение крайне затруд­нен, если только рядом нет свое­образной дырки — свободного места в кристаллической решет­ке. В воде молекулам такие дыр­ки не нужны, так как структура ее более рыхлая. (Принято счи­тать воду несжимаемой, но в действительности это не так. Рых­лая структура воды позволяет сжать ее, хотя и в небольших пределах.) Все перемещения происходят так быстро, что хотя молекула и успевает сделать возле своего равновесного положения около тысячи колебаний, она проводит в нем всего 10-12 с. Даже свет успевает преодолеть за это вре­мя лишь сотые доли миллиметра! Потому на рентгеновском сним­ке воды получаются только рас­плывчатые тени.

Но вот в этот хаос теплового малостесненного движения попа­дает ион. Сила притяжения у него в десятки и сотни раз больше, и тепловое движение молекул воды сразу сковывается настоль­ко, что переход молекул в новое положение становится почти не­возможным.

Круг замкнулся. Самойлов при­шел к тому, с чего начал: в тео­рии вроде бы все очень логично, а в экспериментах происходит непонятная путаница с гидратационными числами и вязкостью растворов.

Как вырваться из этого круга?.. Олег Яковлевич снова переходит к экспериментам, вновь и вновь скрупулезно анализирует их ре­зультаты. И вот наконец рож­дается первый счастливый во­прос-догадка: почему в роли «на­рушителей» теории особенно вы­деляются калий, бром, натрий, рубидий?.. Все эти ионы отлича­ются крупными размерами и сильным электрическим зарядом. Значит, поля их довольно мед­ленно убывают с расстоянием. Молекула перемещается в поле иона от одного центра равнове­сия к соседнему. Это путь всего в 1,4 ангстрема. Следовательно, для «скачка» молекуле здесь нуж­но преодолеть не полную вели­чину поля иона, а лишь неболь­шое изменение этого поля в пре­делах ее перемещения. Иными словами, молекуле совершенно необязательно перемещаться в поле иона сразу на бесконечно большое расстояние, ведь новое положение равновесия рядом — до него всего 1,4 ангстрема.

Посмотрите рисунок. Ордината на графике — энергия связи, абс­цисса — расстояние. Представим, что в начале координат молекула воды. Вторая молекула находится в своеобразной потенциальной яме. Приблизиться к соседке она не может — мешает сила оттал­кивания между электронными оболочками молекул, а чтобы ей оторваться от первой и перейти в новое положение, нужно преодо­леть потенциальный барьер Е.

Теперь мысленно поместим в начало координат рядом с пер­вой молекулой ион. Под графи­ком дана кривая напряженности создаваемого им поля. Полная энергия связи молекул с ионом

гораздо больше, чем просто меж­ду собой. Но кривая напряжен­ности поля иона очень медленно изменяется с расстоянием. Поэто­му, чтобы отодвинуться от иона на 1,4 ангстрема, молекулы долж­ны преодолеть потенциальный барьер много меньший, чем в предыдущем случае. Они как бы взбираются в гору. Нужно сде­лать всего один шаг. Полная вы­сота горы почти не играет роли. Куда важнее, крута она или по­лога... Потому-то растворы и мо­гут быть более текучими, чем чи­стая вода!

Свои рассуждения Самойлов подытожил парадоксальной для своих коллег формулировкой: чем больше энергия гидратации иона и его геометрические размеры, тем легче перемещаться молеку­лам воды в его поле. Эти слова, произнесенные на заседании Фарадее ского общества в Оксфор­де, произвели настоящую сенса­цию. Причиной тому была не только парадоксальность откры­тия. Ведь оно как бы заново от­крывало воду — вездесущий рас­творитель в живой и неживой природе, во всех областях произ­водства!

Но открытие признают только тогда, когда оно однозначно под­тверждается экспериментами. Та­ких данных Олег Яковлевич пред­ставить не мог. Американский ученый Генри Фрэнк выдвинул контртеорию. Он спрашивал: от­куда известно, что подвижность повышается у молекул, находя­щихся вблизи иона? Наверное эффект обусловливает их следую­щий, отдаленный слой. Ион при­тягивает ближайшие молекулы воды и тем самым нарушает ее структуру, создает своего рода разрывы, дыры в воде. Окружаю­щие молекулы становятся свобод­ными, подвластными тепловому движению...

Много времени и труда затра­тил Самойлов, прежде чем был поставлен тончайший опыт с применением ядерного магнитного резонанса, который доказал, что на девять десятых падение вяз­кости раствора обусловлено как раз ближайшими к ионам части­цами.

Но еще до официального под­тверждения открытие Олега Яков­левича начало служить практике. Борьба с закупоривающими тру­бопроводы гидратами природною газа и разделение редкоземель­ных элементов, обогащение ура­нового сырья и опреснение мор­ской воды, медицина и биохими­ческие исследования, словом, всюду, где нужно управлять тон­кими свойствами воды и раство­ров, это можно делать, вводя в жидкости те или иные ионы, то есть благодаря работам Са­мойлова.

М. ФИН, инженер