2020-01-14
803
Вода - единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях - жидком, твёрдом и газообразном.
Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%.Аномально изменяется и плотность воды с изменением температуры. Вначале так же, как и у других веществ, с понижением температуры она увеличивается, но достигнув максимума при 4°С, начинает уменьшаться. Поэтому более тяжелая вода с температурой 4 °С перемещается в глубину, а лед остается на поверхности и изолирует из-за своей плохой теплопроводности воду от дальнейшего замерзания. "Аномальное" поведение воды объясняется ее способностью образовывать ассоциаты за счёт водородных связей, на разрыв которых требуется дополнительная энергия. При образовании ассоциатов, между молекулами воды образуются «пустоты».Ниже 4°С их количество уже приводит к тому, что плотность начинает уменьшаться. У льда, в котором каждая молекула воды связана водородными связями с четырьмя другими, размеры «пустот» превышают размеры молекул воды и плотность его небольшая. При плавлении водородные связи разрушаются, «пустоты» заполняются «одиночными» и «сдвоенными» молекулами воды - плотность возрастает.
Высокая полярность молекул воды обуславливает также её большую диэлектрическую проницаемость и способность растворять полярные вещества («подобное в подобном»).
Температурный коэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соответственно ниже -210°С и + 3,98 С.
Теплоёмкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от О 0 С до 100° С почти не зависит от температуры.
Вода имеет незакономерно высокие температуры плавления и кипения в сравнении с другими водородными соединениями элементов главной подгруппы VI группы таблицы Менделеева.
| теллуроводород Н2Те | селеноводород H2Se | сероводород H2S | вода Н2О | |
| t плавления | -510С | -640С | -82°С | 00С |
| t кипения | -40С | -420С | -610С | 1000С |
Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды. Благодаря этой особенности вода формирует климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым "выравнивает" климат. Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции.
Водяной пар создаёт мощный "парниковый эффект", который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не даёт ей охлаждаться. По расчётам М.И.Будыко, при уменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 5 0 С (с 14,3 0 до 9 0 С).
На смягчение земного климата, в частности на выравнивание температуры воздуха в переходные сезоны - весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды.
В 1932 году американцы Г. Юри и Э.Осборн обнаружили, что даже в самой чистой воде, которую только можно получить в лабораторных условиях, содержится незначительное количество какого-то вещества, выражающегося, по-видимому, той же химической формулой Н2О, но обладающего молекулярным весом 20 вместо веса 18, присущего обычной воде. Юри назвал это вещество тяжёлой водой. Большой вес тяжёлой воды объясняется тем, что её молекулы состоят из атомов водорода с удвоенным атомным весом по сравнению с атомами обычного водорода. Двойной вес этих атомов в свою очередь обусловливается тем, что их ядра содержат, кроме единственного протона, составляющего ядро обычного водорода, ещё один нейтрон. Тяжёлый изотоп водорода получил название дейтерия (D или 2Н), а обычный водород стали называть протием. Тяжёлая вода, окись дейтерия, выражается формулой D2O.
Вскоре был открыт третий, сверхтяжёлый изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, который был назван тритием (Т или Н). В соединении с кислородом тритий образует сверхтяжёлую воду Т2О с молекулярным весом 22.
В природных водах содержится в среднем около 0,016% тяжёлой воды. Тяжёлая вода внешне похожа на обычную воду, но по многим физическим свойствам отличается от неё. Точка кипения тяжёлой воды 101,4° С, точка замерзания + 3,8 С. Тяжёлая вода на 11% тяжелее обычной. Удельный вес тяжёлой воды при температуре 250 С равен 1,1. Она хуже (на 5 - 15%) растворяет различные соли. И в физиологическом отношении тяжёлая вода воздействует на живое вещество иначе: в отличие от обычной воды, обладающей живительной силой, тяжелая вода совершенно инертна. Семена растений, если их поливать тяжёлой водой, не прорастают; головастики, микробы, черви, рыбы в тяжёлой воде не могут существовать; если животных поить одной тяжёлой водой, они погибнут от жажды. Тяжёлая вода - это мёртвая вода.
Имеется ещё один вид воды, отличающийся по физическим свойствам от обычной воды, - это омагниченная вода. Такую воду получают с помощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, по которому течет вода. Омагниченная вода изменяет свои физико-химические свойства: скорость химических реакций в ней увеличивается, ускоряется кристаллизация растворённых веществ, увеличивается слипание твёрдых частиц примесей и выпадение их в осадок с образованием крупных хлопьев (коагуляция). Омагничивание успешно применяется на водопроводных станциях при большой мутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждать загрязненные промышленные стоки. ВОДА - одно из главных богатств человечества на Земле
V АНОМАЛИИ ВОДЫ
Обычная вода на самом деле является загадочной жидкостью, поскольку многие ее свойства {плотность, сжимаемость, теплоемкость) являются аномальными - не похожими на свойства большинства других жидкостей. Причина этого заключается в особой структуре воды, обусловленной водородными связями между ее молекулами, которая изменяется с температурой или давлением.
Вода в нашей жизни - самое обычное и самое распространенное вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкого гелия (такие, как сверхтекучесть) проявляются при очень низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и обусловлены специфическими квантовыми законами. Поэтому жидкий гелий - это экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).
То, что обычная вода представляет собой еще весьма плохо изученное вещество, объясняется не только сложностью и неопределенностью ее структуры, но и тем, что это жидкое вещество. Значительно легче, нежели жидкое, исследовать твердое вещество или газ, так как в первом молекулы четко упорядочены, а во втором — они слабо взаимодействуют и обладают большой свободой передвижения. Ответа на вопрос: почему существуют две формы конденсированного из газа состояния вещества — жидкое и твердое, — близкие по плотности и энергии межмолекулярного взаимодействия и колоссально отличающиеся по кинетике межмолекулярного взаимодействия, пока еще нет. Не создано теорий, которые адекватно описывали бы жидкое состояние. Не разработана также теория плавления — перехода от порядка к беспорядку в системах с близкими плотностями и энергиями межмолекулярного взаимодействия. Поэтому, например, лед изучен лучше, чем вода. Не получена в лабораториях и абсолютно чистаявода, ее свойства до сих пор остаются загадкой.
| Свойство | Аномалия | Значение |
| Летучесть | Наименьшая среди соединении водорода с элементами подгруппы кислорода | Существенна для физиологии клетки: медленное снижение влажности различных материалов. |
| Скрытая теплота плавления и испаения. | Наиболее высокая из всех твердых и жидких веществ, за исключением аммиака; с повышением температуры несколько снижается (до 40 °С), затем - возрастает | Термостатирующий эффект в технологических процессах, перенос тепла водными течениями в природе, способствует сохранению постоянной температуры тела |
| Температура замерзания | Наиболее высокая, за исключением аммиака | Термостатирующий эффект в точке замерзания. Очень важна для сохранения теплового и водного баланса в атмосфере. |
| Температура кипения | Наиболее высокая из всех жидкостей | Большие затраты тепла на испарение в производственных процессах; экономия возможна при утилизации тепла, выделяющегося при конденсации пара |
| Теплопровод-ность | Наиболее высокая из всех жидкостей | Играет роль в теплообменной аппаратуре и процессах малого масштаба, например происходящих в живых клетках |
| Растворитель | Растворяет многие вещества в больших количествах, чем другие жидкости | Используется в технике как основной растворитель, связывает между собой явления физические и биологические |
| Плотность | Наибольшая при +4 °С | При замерзании водоемов, нижний слой воды, как наиболее тяжелый, находится при температуре +4 °С. При этом не замерзает и вода в живых организмах. |
| Вязкость | Уменьшается при увеличении давления | Обеспечивает большую подвижность глубоко в недрах планеты, где давление достигает огромных значений |
АНОМАЛИЯ ПЛОТНОСТИ
Всем известна аномалия плотности. Она двоякая. Во-первых, после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при 4 0 С и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.
Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.
ПЕРЕОХЛАЖДЕННАЯ ВОДА
В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды, то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 00 С. (Переохладить воду можно либо в тонких капиллярах, либо - еще лучше - в виде эмульсии: маленьких капелек в неполярной среде - "масле"). Что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно. С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает).
АНОМАЛИЯ СЖИМАЕМОСТИ
Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления. Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется минимум при 450 С.
