Вода — уникальное вещество, нарушающее законы физики!
07
Фев
Водой покрыта большая часть нашей планеты. Вода рассеяна по небу. Вода заполняет наши клетки в гораздо большей степени, чем мы себе представляем: они заполнены ею на две трети объема. Молекула воды настолько мала, что, если бы нам представилась возможность сосчитать все молекулы в нашем теле, 99 % составили бы молекулы воды.
Вода — самая известная жидкость на планете, поэтому большинство из нас убеждены, что ничего нового и интересного о ней сказать уже нечего. Однако, это большое заблуждение! Такая простая вода на самом деле не так уж проста. Какие же тайны и секреты хранит вода? Какими удивительными и даже уникальными свойствами она обладает? Об этом мы и расскажем в нашей статье.
Как появилась вода?
Существует несколько гипотез происхождения воды, которые условно можно разделить на две группы. Одна группа предполагает космическое происхождение, другая — земное. Согласно космической гипотезе, вода на Земле появилась в «готовом» виде вместе с падающими на нее в течение миллиардов лет обломков метеоритов, комет и астероидов. Также есть предположение что космические тела «доставили» на Землю лишь отдельные компоненты воды, которые затем вступали в реакцию и образовывали воду.
Больше приверженцев имеет гипотеза земного происхождения воды. Эта версия основана на предположении, что в период горячей фазы формирования наше планеты через трещины в ее коре на поверхность проникали различные газы, в том числе водород и кислород, а также их соединение — пар. Затем посредством конденсации на поверхности планеты они образовывали воду, которая скапливалась в местах понижения рельефа, образуя океаны, моря и озера.
По предположению ученых «геологическая» вода могла выходить на поверхность в объеме 0,5 — 1 кубических километров в год, отсюда можно определить, что за всю историю Земли воды должно было образоваться столько, сколько ее и содержит Мировой океан.
Запасы воды на нашей планете огромны. Если представить весь объем воды в виде гигантской капли, то ее диаметр окажется равным 1,5 тыс. км. А если бы вода была равномерно распределена по всей поверхности планеты, глубина такого океана составляла бы 2, 7 км!
Нарушитель законов природы
О том, что вода нарушает некоторые законы природы, люди узнали еще в начале XIX в. Чуть позже появилась периодическая таблица Менделеева, в которой он представил свойства и соединения элементов. Однако, оказалось, что вода частенько нарушает закономерности этой периодической системы.
Согласно логике, вытекающей из таблицы Менделеева, вода должна замерзать при -90° С, а она замерзает при 0° С, температура кипения должна быть на уровне -70° С, однако вода кипит при 100° С. И это еще не все свойства, которые определяют воду как уникальное вещество. Большинство физико-химических свойств воды являются исключительными.
Продолжая исследовать воду, ученые открывают все новые и новые ее характеристики, и многие из них пока не поддаются объяснению. Интересно, что вода является эталоном мер объема, плотности, количества теплоты и других показателей, но при этом она сама является практически аномальным веществом.
Уникальные свойства воды
Расширение при замерзании
Всем известно, что при переходе из жидкого состояния в твердое при замерзании все вещества сжимаются. Но только не вода! Она, наоборот, расширяется. При этом ее объем увеличивается на 9%.
Дело в том, что при замерзании молекулы воды начинают отдаляться друг о друга, в результате масса остается прежней, а объем увеличивается. Чтобы нагляднее представить этот процесс, можно на весы поставить банку с водой и точно такую же банку со льдом. Мы увидим, что вода будет тяжелее, чем лед.
Согласно закону природы, лед должен тонуть в воде, ведь при переходе из жидкого состояния в твердое плотность веществ увеличивается. Что бы тогда произошло? Очевидно, что, моря, океаны, озера и реки промерзли бы до дна, а все живое в них погибло.
К счастью, в природе этого не происходит, так как лед имеет меньшую, чем у воды плотность, благодаря чему остается на ее поверхности и выполняет роль барьера между холодным воздухом и водой, предупреждая ее дальнейшее охлаждение и полное промерзание водоемов.
Четыре градуса
Известно, что при +4°С вода обладает наибольшей плотностью, а, следовательно, и тяжестью. При этой температуре вода в водоеме (или емкости) всегда будет опускаться на дно и оставаться там до тех пор, пока не станет более теплой или более холодной, после чего поднимется на поверхность.
Благодаря этому свойству воды в водоемах происходит постоянное перемешивание слоев воды. Это очень важный процесс для любого живого организма водоема, ведь нижние слои бедны кислородом, и пополнение его запасов возможно только за счет высокого содержание его в верхних слоях.
Тепловые свойства
Одна из важнейших функций воды в любом живом организме — предохранение его от перегрева. Любая жидкость способна отдавать тепло в окружающую среду при испарении. Однако, никакое другое вещество не способно отдать такое количество тепла, как вода, поэтому именно она является наилучшим регулятором температуры нашего тела. Вода обладает также аномально высокой теплоемкостью: при нагревании на 1° С она поглощает в 5-30 раз больше тепла, чем любое другое вещество.
Эти уникальные качества воды важны не только для организма человека, но и для жизни всей нашей планеты. Благодаря такой теплоемкости вод Мирового океана, на планете не происходит резкого перепада температур зимой и летом, а также ночью и днем. Именно поэтому самым мягким, комфортным для проживания климатом обладают территории, расположенные на морском побережье. Удаленные вглубь континентов районы, напротив, характеризуются чрезмерными перепадами температур, даже в пределах одних суток. Так, в пустыне Сахара суточные перепады температур могут достигать 50° С.
Еще одно удивительное качество воды — высокая скрытая теплота плавления. Это свойство воды предохраняет нас от катастрофических наводнений. Почва успевает вбирать в себя большое количество влаги благодаря медленному таянию льда и снега, поэтому чаще всего весенние паводки носят сдержанный характер.
Вязкость и способность растворять
Еще одним интересным свойством воды является ее вязкость. Удивительно, но вязкость воды при повышении давления снижается, тогда как у любой другой жидкости, напротив, возрастает. Этим объясняется тот факт, что даже на очень больших глубинах при высоких температурах и давлении подземные воды способны перемещаться, в том числе и к поверхности земли. Это дает возможность использования подземных вод растениями для выживания и роста и человеком для его нужд. Вода — лучший растворитель из существующих в природе, что определяется особенностями структуры воды.
Способность воды «запоминать» информацию
Это одно из уникальных свойств воды, к которому кто-то относится скептически, а кто-тот продолжает его изучать. Возможно, скептицизм основан как раз на том факте, что это удивительное качество воды трудно поддается объяснению. Но если мы пока не знаем, как объяснить то или иное явление, это не означает, что этого явления нет.
Известно, что изменение магнитного поля оказывает воздействие на природную воду. Кроме этого свойства воды меняют звуковые сигналы, электрические поля, радиация, турбулентность и некоторые другие. Каков механизм этих воздействий?
Жидкости (как и газы) характеризуются хаотичным расположением в них молекул. Однако, вода и здесь является исключением. Рентгеновское исследование структуры воды позволяет сделать вывод о том, что вода по своей структуре ближе к твердым телам, а не к газам, так как в расположении молекул присутствует некоторая регулярность.
Кроме того обнаружено, что у воды, полученной в результате таяния льда и у воды, собранной путем конденсации пара, структура молекул различается, а значит будут иметь отличия и некоторые свойства. Известно, что благотворное влияние на живые организмы оказывает талая вода.
Структурные различия сохраняются в течение некоторого времени, поэтому считается возможным говорить о наличии у воды «памяти». В результате того или иного воздействия на воду, она «записывает» получаемую информацию, выстраивая свои молекулы в ту или иную структуру. Вот почему освященная в праздник Крещения вода считается целебной.
Очевидное невероятное
Какая вода замерзает быстрее?
Наверняка, многие из читателей проделывали опыт с горячей и холодной водой, помещая ее в морозильную камеру и отмечая время замерзания. Удивительно, но горячая вода (температура которой намного дальше от температуры замерзания!) замерзает быстрее. Почему же так происходит?
Считается, что на этот факт впервые обратил внимание в 1963 году танзанский студент Эрасто Б. Мпемба. После этого был проведен ряд экспериментов и изложено объяснение этого феномена, который с тех пор носит название «эффект Мпемба». Известно, однако, что задолго до любознательного студента на это удивительное свойство воды обращали внимание Аристотель, Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт.
Подчиняясь определенным законам, холодная вода начинает замерзать с верхних слоев, в горячей же воде вначале замерзают нижние слои. Образовавшийся на поверхности холодной воды лед препятствует тесному соприкосновению более глубоки слоев с холодным воздухом, и процесс замерзания сильно замедляется. В горячей же воде соприкосновение слоев с холодным воздухом идет без затруднений.
Сверхохлаждение
Известно, что вода превращается в лед при охлаждении до 0° С. Однако в определенных условиях вода может оставаться жидкой даже когда ее температура опускается ниже точки замерзания. Это возможно в том случае, если окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы вызвать образование кристаллов льда.
Но если запустить процесс кристаллизации, то такая «сверхохлажденная» вода мгновенно превращается в лед. Следует отметить, что и «сверхнагретая» вода, температура которой превышает точку кипения, может оставаться жидкой.
Стеклянная вода
В любых условиях при температуре -38° С даже самая чистая сверхохлажденная вода мгновенно превратиться в лед. Что же будет происходить, если понижение температуры будет продолжаться и достигнет -120° С? Вода станет сверхвязкой и тягучей, похожей на патоку. Если же температура опуститься до -135° С, вода превратится в «стеклянную» или «стекловидную» воду, которая представляет собой твердое вещество без кристаллической структуры.
Вода кипит по-разному
В результате кипения воды на Земле образуются тысячи маленьких пузырьков пара. В условиях же невесомости кипящая вода образует один огромный пузырь. Впервые опыт был произведен на борту космического корабля в 1992 году. Полученные результаты физики объясняют вызванным гравитацией отсутствием конвекции и плавучести.
Поверхностное натяжение
Вода обладает уникальным поверхностным натяжением, благодаря которому верхний слой воды напоминает гибкую мембрану. Для наглядности можно провести простой опыт, аккуратно положив металлическую скрепку на поверхность воды. Металл плотнее воды, и по законам физики скрепка должна была бы утонуть, однако этого не происходит. Этот же эффект имеет место, когда мы наблюдаем некоторых насекомых (например, стрекоз), стремительно перемещающихся по поверхности водоема.
Кипящий снег
Это уникальное явление наблюдается в том случае, если между температурой воды и температурой окружающей среды наблюдается огромная разница. Например, если в сильный мороз вынести на улицу кастрюлю с кипящей водой и «выплеснуть» ее в воздух, вода мгновенно превратиться в снег.
Дело в том, что плотность холодного воздуха очень высока, молекулы так близко расположены друг к другу, что между ними почти нет места, чтобы удерживать пар. Кипящая же вода дает огромное количество пара, вода в воздухе разделяется на капли, в которых достаточно места для того, чтобы переносить пар. Так как пара намного больше, чем воздух может вместить, он «выпадает в осадок», цепляется за микрочастицы в воздухе и образует кристаллы. Так происходит формирование снежинок.
Неповторимое чудо
Раз уж мы заговорили о снежинках, следует сказать о том, что каждая из них уникальна, в природе не встречается двух одинаковых. В момент образования снежинка приобретает форму простой гексагональной призмы. При каждом замораживании создается неповторимый набор условий: теряется определенная часть молекул из-за разных температур, влажности, давления воздуха.
Эти условия постоянно меняются, даже незначительное изменение ведет повлечет за сбой образование уже другой снежинки. Количество вариантов сочетаний условий настолько огромно, что снежинки не повторяются. При этом удивительно и то, все снежинки всегда имеют идеальную гексагональную симметрию.
Капиллярный эффект
Если положить мокрый чайный пакетик на бумажную салфетку, вскоре большая часть ее намокнет. Вода может даже подняться и по вертикально подвешенной салфетке. Это явление называется «капиллярный эффект».
Пример с пакетиком и салфеткой — это вариант домашней демонстрации капиллярного эффекта. В лабораторных условиях это явление исследуется с помощью установки, включающей в себя тонкие трубки, названные «капиллярами». Кварцевые капиллярные трубки ставят вертикально в емкость с водой, очень быстро вода внутри трубки поднимается до уровня, превышающего уровень воды в емкости. Неужели вода бросает вызов гравитации?
Капиллярный эффект мы можем наблюдать не только в лаборатории или в быту. Это явление встречается и в природе, особенно в царстве растений. Иначе как объяснить тот факт, что вода поднимается по стволам высоких деревьев, достигая их крон? К примеру, высота секвойи составляет 100 метров. Вода от корней по узким сосудам-ксилемам поднимается до самой вершины кроны и поступает к каждому листочку.
Автор книги «Биография воды» Филипп Болл сказал: «Никто на самом деле не понимает воду. В этом стыдно признаться, но вещество, которое покрывает две трети нашей планеты, все еще остается загадкой. Хуже того, чем пристальнее мы смотрим на воду, тем больше накапливается вопросов…».
Очевидно, что впереди нас ждет еще немало открытий, связанных с водой. Несомненно, что бесцветная прозрачная жидкость без вкуса и запаха преподнесет нам еще немало сюрпризов. Но какие бы тайны не хранила вода, она всегда будет основой жизни на планете.
