Удивительные свойства воды

Оглавление:

1. Структура воды
2. Плотность воды
3. Поверхностное натяжение
4. Теплоемкость
5. Другие интересные свойства воды

Вода – самое распространенное вещество на нашей планете. Знаменитому русскому ученому В.И.Вернадскому принадлежат слова: «Нет земного вещества, минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее не включало». Но она же является и самым уникальным веществом.

Жизнь на Земле возникла около 4 млрд лет именно в водной среде. Вода – главный компонент всех живых организмов. Сложно представить, какая сфера жизнедеятельности человека не включает взаимодействие с водой.

Вода – один из важнейших факторов, определяющий природные и климатические условия на планете. Гидросфера стабилизирует тепловой режим, она является мощным поглотителем солнечной энергии. Мировой океан – это легкие нашей планеты. Половина всего кислорода нашей атмосферы производится планктоном океана.

Как и любое другое вещество, вода обладает целым рядом свойств, но многие из них являются необычными или даже уникальными. Именно эти свойства обеспечивают жизнь на планете.

До конца 18 века считалось, что вода является неделимым веществом. Только в 1871 году английским ученым Генри Кавендишем было доказано, что вода состоит из двух элементов. Позже французский химик Антуан Лавуазье дал им названия: кислород и водород.

Особенности этих элементов в значительной степени определяют свойства воды. Атом водорода, соединяясь с атомом кислорода, имеет возможность создания так называемых водородных связей, которые оказывают влияние на физические свойства воды в твердом и жидком состоянии.

Благодаря водородным связям, молекулы воды способны образовывать многомолекулярные структуры – ассоцианты или кластеры. В жидкой воде кластеры постоянно образуются и распадаются, так как молекулы находятся в непрерывном хаотичном движении.

В воде, находящейся в твердом состоянии, молекулярное движение минимально, а число водородных связей максимально. В этих условиях формируются организованные и устойчивые структуры. В твердом состоянии в упорядоченной решетке молекул воды размеры пустот больше, чем в жидкой воде.

Кстати, именно упорядоченностью структуры воды в твердом состоянии объясняется то, что плотность льда меньше, чем плотность жидкой воды. Кристаллизация любого другого вещества, напротив, приводит к увеличению плотности. При медленном таянии льда организованная структура воды сохраняется еще некоторое время. Это и определяет особые свойства талой воды, например, при поливе талой водой всхожесть семян увеличивается, а растения лучше растут.

Этой же способностью сохранять упорядоченную структуру объясняется и так называемая «память» воды. Под воздействием внешних факторов возможно изменение положения одного структурного элемента, входящего в состав кластера. Этот процесс обеспечивает восприимчивость информационной системы воды.

Если степень возмущения не очень высока, полной перестройки структуры воды не происходит, и после спада возмущения примерно через полчаса система возвращается в первоначальное состояние. В том случае, когда энергетическое воздействие оказалось достаточно сильным, происходит изменение расположения структурных элементов воды, и в это новое расположение «встраивается» информация о том воздействии, которое было произведено.

Одно из самых удивительных свойств воды – это ее аномальная плотность при температуре, близкой к условиям замерзания.  Известно, что у всех жидкостей при снижении температуры плотность увеличивается, а кристаллы, образованные в результате замерзания, имеют большую плотность, чем плотность жидкости.

Вода является исключением. Она имеет максимальную плотность при температуре 4°C, при дальнейшем снижении температуры плотность тоже снижается. Лед имеет меньшую плотность, чем плотность жидкой воды, поэтому он плавает на ее поверхности. Эта особенность позволяет сохранять жидкую воду под толщей льда.

Если бы вода не обладала эти уникальным свойством, лет постепенно опускался бы на дно, и водоемы промерзали бы полностью. Солнцу уже невозможно было бы за несколько летних месяцев отогреть превратившиеся в сплошную ледяную массу северные моря и океаны. Существование большинства живых организмов во льду стало бы невозможным, климат планеты был бы более сухим и в целом очень суровым.

Ученым известно, что на Земле периодически наступали так называемые ледниковые периоды, но до сих пор не определена однозначная причина того, почему это происходило и какое влияние эти процессы оказали на развитие жизни на планете.

Интересно также отметить, что при плавлении веществ плотность меняется скачкообразно. Так, например, при плавлении металлов плотность их уменьшается, а скачок плотности составляет около 2-4 %. При плавлении льда плотность увеличивается, причем сразу на 10 %. То есть мы наблюдаем аномальность изменения плотности не только по знаку, но и по величине.

Такие свойства воды, как максимальна плотность при 4°С и низкая плотность льда, создают условия для следующих явлений:

— перед замерзанием до 0°С охлаждается не только поверхность воды, но и вся ее масса

— замерзание водоемов происходит сверху вниз, что позволяет нижним слоям воды оставаться в жидком состоянии; замерзшая поверхность отражает солнечный свет обратно и допускает оттаивание

— функцию регулятора плотности выполняет температурная конвекция, она же создает условия для перемешивания водных масс.

Еще одно уникальное свойство воды – ее исключительно высокое поверхностное натяжение на поверхности раздела вода – воздух. Этот показатель при температуре 20°С равен 0,073 Н/м. Более высокое поверхностное натяжение среди всех жидкостей имеет только ртуть.

Поверхностное натяжение стремится к сокращению поверхности жидкости до минимума. Этим механизмом объясняется сферическая форма капли жидкости, так как сфера имеет наименьшую из всех геометрических фигур площадь. Благодаря высоким значениям поверхностного натяжения, дождевые капли обладают упругостью и, как следствие, значительной разрушительной силой.

Довольно часто можно увидеть, как некоторые насекомые, например, водомерки, не только могут передвигаться по поверхности воды, но и использовать ее как опору для «взлета» и «посадки». Удивительно, но живые организмы способны использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Так, личинки комаров повисают там с помощью специальных щетинок, а прудовики спокойно ползают по ней в поисках добычи.

Поверхность воды способна удерживать даже мелкие металлические предметы (иголки, маленькие монетки). Но и это еще не все. Довольно часто в Интернете можно встретить видеосюжет, в котором ящерица стремительно убегает от преследующей ее змеи прямо по поверхности воды. Следует учесть, что вес подобной ящерицы может достигать 600 г!

Одним из проявлений поверхностного натяжения воды является свойство смачивания. Этот процесс происходит при взаимодействии молекул воды с молекулами соприкасающегося с ней твердого тела. В зависимости от свойств вещества, из которого состоит тело, смачивание может быть частичным или полным.

Это свойство воды играет огромную роль в биосфере и геологии. Благодаря эффекту смачивания происходит перемещение воды по капиллярам грунтовых пород вопреки силе тяжести не только вниз, но и вверх на высоту до 10-12 м. Смачивание участвует в процессе удержания влаги в почве, а также в растениях.

Теплоемкость – это величина, которая показывает какое количество тепла нужно затратить, чтобы повысить температуру вещества на один градус. У большинства веществ теплоемкость жидкости после плавления кристаллов увеличивается не более чем на 10 %. При плавлении же льда теплоемкость от 9 кал/моль*град увеличивается до 18. То есть в два раза!

Теплоемкость воды намного выше, чем у других веществ в жидкой форме.  Это значит, что при поглощении определенного количества тепла температура воды повысится меньше, чем у любого другого вещества. И наоборот, при охлаждении вода отдает большее количество тепла, чем такое же количество любого другого вещества. Это свойство позволяет воде накапливать максимальное количество тепла по сравнению с другими веществами. Механизмы теплового регулирования живых организмов работают очень эффективно именно потому, что они содержат очень большое количество воды.

Теплота плавления и теплота испарения также являются уникальными свойствами воды. Для того, чтобы испарить воду, нужно затратить очень большое количество тепла. Это свойство воды объясняется ее структурой: при плавлении льда и испарении воды происходит разрыв водородных связей, для чего необходимо много энергии. Например, для того, чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100°C, требуется в шесть раз больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0°C до 80°C.

Эта особенность воды играет очень важную роль в природе. В процессе круговорота происходит не только перемещение больших водных масс, но и более равномерное распределение тепла по поверхности Земли. При более низких значениях теплоты испарения воды, климат нашей планеты был бы более континентальным, а, к примеру, область вечной мерзлоты Северного полушария сместилась бы к югу. Гидросфера накапливает тепловую энергию в течение теплого периода и отдает ее в течение холодного, выполняя тем самым роль основного регулятора тепла на планете.

Следует также отметить и аномальную зависимость теплоемкости воды от температуры. Практически у всех жидкостей, кроме ртути, при повышении температуры теплоемкость возрастает, у воды теплоемкость при повышении температуры от 0 до 36,8°C снижается, а потом растет.

Очень важна роль водяных паров в атмосфере: они поглощают инфракрасное излучение, создавая парниковый эффект. Роль паров воды в образовании парникового эффекта намного значительнее, чем роль углекислого газа (однако, деятельность человека никак не влияет на содержание в атмосфере водяного пара, а вот на содержание других парниковых газов влияет достаточно сильно).

Сегодня о парниковом эффекте говорят, как правило, с тревожным оттенком, однако он играет важную роль в создании благоприятных условий для жизни на планете. Если бы парникового эффекта не было, то средняя температура поверхности Земли с +15°Cупала бы до -14°C, и в большинстве районов планеты жизнь стала бы невозможной.

Достаточно высокое значение теплоты плавления льда обеспечивает плавный переход от зимы к лету. Для таяния льда необходимо большое количество тепла, поэтому этот процесс идет медленно. Если бы для плавления льда тепла нужно было бы меньше, мы ежегодно сталкивались бы с катастрофическими паводками.

Осенью при образовании льда происходит выделение скрытой теплоты замерзания. Установлено, что при замерзании 1 м³ воды выделяется столько же тепла, как при сжигании 10 кг угля. Поэтому наступление холодов происходит постепенно.

Благодаря полярности, малому размеру молекул и высокой диэлектрической постоянной вода является превосходным растворителем. Очень хорошо растворяются в ней ионные и полярные соединения, а также соли. Но и совсем неполярные соединения и газы, например, бензол, аргон, азот, тоже вполне растворимы в воде. Растворимость же в воде углекислого газа в десятки раз превышает растворимость, например, азота. По этой причине очень сложно получить абсолютно чистую воду.

Несколько лет назад было установлено, что дегазированная вода даже при отсутствии каких-либо моющих средств прекрасно смывает с одежды жирные пятна. В результате был получен патент на такой способ стирки. Лед же, наоборот, является очень плохим растворителем, поэтому цикл последовательного замораживания и оттаивания можно использовать при очистке воды.

Интересно, что свойства горячей и холодной воды очень сильно отличаются. В процессе нагревания от 0 до 4 вода сжимается; после того, как температура достигает 37°C, вода, в отличие от других жидкостей, становится очень неподатливой к сжатию. Теплоемкость уменьшается, в ней возрастает скорость звука, растворимость газов снижается, увеличивается ее показатель преломления.

Горячая вода при нагревании расширяется и легче поддается сжатию, скорость звука в ней становится меньше, растворимость газов в ней повышается, уменьшается ее показатель преломления. Процесс нагревания идет все труднее, вода хуже проводит температуру.

Кроме того, с возрастанием давления в холодной воде молекулы движутся быстрее, а молекулы горячей воды – медленнее. Известно, что горячая вода замерзает быстрее холодной, при сжатии лед тает (исключение составляют области высокого давления, где при сжатии вода замерзает). В природе нет ни одного вещества, кроме воды, которое существовало бы одновременно в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Вода – прекрасный проводник звуковых волн. Скорость распространения звука в воде в 4-5 раз выше, чем в воздухе. Звуковые и ультразвуковые волны в водной массе практически не подвержены искажению. Такие акустические свойства воды обеспечивают отличную коммуникацию многим водным животным, например, дельфинам.

Есть еще одно уникальное свойство воды – способность охлаждаться до некоторых отрицательных значений температуры, не преобразовываясь в лед. Это явление также можно объяснить способностью молекул воды к образованию упорядоченных структур, которые формируются при охлаждении, так что воду можно охладить ниже точки замерзания.

Известно, что в экспериментах с дистиллированной водой ее удавалось охладить до -70°C. Однако такое состояние воды очень неустойчиво: как только в эту воду попадает, например, песчинка или крупинка льда, начинается стремительный переход воды из жидкого состояния в твердое.

Несомненно, вода – самое известное вещество на планете, и в то же время изучение ее продолжается. Благодаря уникальным, зачастую даже аномальным свойствам воды на Земле возможна жизнь. В понимании неповторимых качеств воды и ее определяющей роли в природе лежит ключ к сохранению водных ресурсов планеты, а, следовательно, к сохранению жизни на Земле.