"Вода - це життя" - це висловлювання ми знаємо з дитинства, але не завжди надаємо значення тому, що нас оточує постійно, без чого ми не можемо обійтися.

А Ви знаєте, що таке "ВОДА"?

"Вода, у тебе немає ні смаку, ні кольору, ні запаху, тебе неможливо описати, тобою насолоджуються, не знаючи, що ти таке".

Антуан де Сент-Екзюпері.

Спочатку я наведу кілька прикладів з історії, щоб Ви зрозуміли, що це питання не таке вже й просте!

Згідно з хроніками, в 1472 абат Карл Гастінстінгс був по хибному доносу схоплений і допитаний у справі про наведення хвороби на якусь шановану жінку. Ув'язненому в темницю абату щодня давали лише шматок сухого хліба та ківш гнилої смердючої води. Через 40 днів тюремник зауважив, що за цей час преподобний Карл не тільки не втратив, але здавалося, набув здоров'я та сили, що тільки переконало інквізиторів у зв'язку абата з нечистою силою. Пізніше, під жорстокими катуваннями Карл Ґастінстінґс зізнався, що над гнилою водою, яку йому приносили він читав молитву, завдяки Господу за послані йому випробування. Після чого вода ставала м'якою на смак, свіжою та прозорою.

В історії відомі випадки зміни структури води у вигляді дії думки. Наприклад, взимку 1881 року корабель «Лара» прямував рейсом з Ліверпуля до Сан-Франциско. На третій день колії на кораблі почалася пожежа. Серед тих, хто залишив судно, був капітан Нейл Кері. Потерпілі лихо стали відчувати муки спраги, які зростали щогодини. Потім, коли вони після болісного блукання морем благополучно досягли берега, капітан, людина дуже тверезого ставлення до дійсності в наступних словах описав те, що врятувало їх: «Ми мріяли про прісну воду. Ми стали уявляти, як вода навколо шлюпки з блакитної морської перетворюється на зелену прісну. Я зібрався з силами та зачерпнув її. Коли я спробував, вона виявилася прісною».

Коротко про воду з точки зору біохімії

Вода – найпоширеніша Землі речовина. Її кількість досягає 1018 тонн, і вона покриває приблизно чотири п'яті земної поверхні. Вода займає 70% Землі. Стільки ж (70%) їх у організмі людини. Ембріон майже повністю (95%) складається з води, у тілі новонародженого її – 75%. Лише в старості кількість води в організмі людини - 60%. Це єдина хімічна сполука, яка в природних умовахіснує у вигляді рідини, твердої речовини (лід) та газу (пари води). Вода грає життєво важливу роль у промисловості, та побуті; вона необхідна підтримки життя. З 1018 т води на Землі на прісну воду припадають лише 3%, з яких 80% недоступні для використання, оскільки являють собою лід, що утворює полярні шапки. Прісна вода виявляється доступною людині в результаті участі в гідрологічному циклі, або кругообігу води в природі. Щорічно до кругообігу води, внаслідок її випаровування та випадання опадів у вигляді дощу або снігу, залучається приблизно 500 000 км 3 води. За теоретичними підрахунками максимальна кількість прісної води, доступна для використання, становить приблизно 40 000 км3 на рік. Йдеться про ту воду, яка стікає з поверхні землі до моря та океанів.

Властивості води є унікальними. Прозора рідина без запаху, смаку та кольору (молекулярна маса – 18,0160, щільність – 1 г/см 3 ; унікальний розчинник, здатна окислювати майже всі метали та руйнувати тверді гірські породи). Спроби представити воду як асоційовану рідину з щільною упаковкою молекул води, подібно до кульок будь-якої ємності, не відповідали елементарним фактичним даним. У цьому випадку питома щільність води мала б бути не 1 г/см 3 , а більше 1,8 г/см 3 .

Сферичні краплі води мають найменшу (оптимальну) поверхню об'єму. Поверхневий натяг дорівнює 72,75 дин/див. Питома теплоємність води вища, ніж більшість речовин. Вода поглинає велику кількість теплоти, мало нагріваючись.

Другий важливий доказ на користь особливої ​​структури молекули води полягала в тому, що на відміну від інших рідин вода – це було вже відомо – має сильний електричний момент, що становить її дипольну структуру. Тому не можна було уявити наявність дуже сильного електричного моменту молекули води в симетричній конструкції двох атомів водню щодо атома кисню, розмістивши всі атоми, що входять до неї, по прямій лінії, тобто. Н-О-Н.

Структура води у живому організмі багато в чому нагадує структуру кристалічних ґрат льоду. І саме цим пояснюються зараз унікальні властивості талої води, яка тривалий час зберігає структуру льоду. Тала вода набагато легша за звичайну вступає в реакцію з різними речовинами, і організму не треба витрачати додаткову енергію на розбудову її структури.

У рідкому вигляді зв'язку сусідніх молекул води утворюють непостійні та швидкоплинні структури. У замерзлому вигляді кожна молекула льоду жорстко пов'язана з чотирма іншими.

Доктором біологічних наук С.В.Зеніним було виявлено стабільні довгоживучі кластери води. Виявилося, що вода є ієрархією правильних об'ємних структур. В основі яких лежать кристалоподібні утворення, що складаються з 57 молекул. І це призводить до появи структур більше високого порядкуу вигляді шестигранників, що складаються з 912 молекул води. Властивості кластерів залежать від співвідношення кисню, що виступає на поверхню, з воднем. Конфігурація реагує на будь-яку зовнішню дію та домішки. Між гранями елементів кластерів діють кулонівські сили тяжіння. Це дозволяє розглядати структурований стан води як особливої ​​інформаційної матриці.

Нерозгадані властивості води

Вода завжди була собою велику загадкудля людського розуму. Багато незбагненного нашому розуму залишається ще у властивостях та діях води. Спостерігаючи за поточним або струменевим потоком води, людина може знімати свою нервову та психічну напругу. Чим це спричинено? Наскільки відомо, вода не містить жодних речовин, здатних надати такий ефект. Вчені стверджують, що вода має здатність приймати та передавати будь-яку інформацію, зберігаючи її в недоторканності. У воді розчинено минуле, сьогодення, майбутнє. Ці властивості води широко використовувалися і використовуються в магії та цілительстві. Досі ще існують народні цілителі та цілительки, які «нашіптують на воду», що виліковують цим хвороби. Поточна вода постійно забирає енергію Космосу і в чистому вигляді віддає її в навколишній навколоземний простір, де вона поглинається всіма живими організмами, що розташовуються в межах досяжності потоку, оскільки утворене водою біополе постійно збільшується за рахунок енергії, що віддається. Чим швидше рухається водний потік, тим сильніше це поле. Під впливом цієї сили відбувається вирівнювання енергетичної оболонки живих організмів, закриваються «пробої» у невидимій простій людині оболонці тіла (аурі), організм зцілюється.

Аномальні властивості води

Перша аномальна властивість води – аномалія точок кипіння та замерзання: Якби вода – гідрид кисню – Н 2 Про була б нормальною мономолекулярною сполукою, такою, наприклад, як її аналоги за шостою групою Періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва гідрид сірки Н 2 S, гідрид селену Н 2 Se, гідрид телуру Н 2 Ті, то в рідкому стані вода існувала б в діапазоні від мінус 90 o С до мінус 70 o С. При таких властивостях води життя на Землі не існувало б.

"Ненормальні" температури плавлення та кипіння води далеко не єдина аномальність води. Для всієї біосфери надзвичайно важливою особливістю води є її здатність при замерзанні збільшувати, а чи не зменшувати свій обсяг, тобто. зменшувати густину. Це друга аномалія води, яка називається аномалією щільності. На це особливе властивість води вперше звернув увагу ще Г. Галілей. При переході будь-якої рідини (крім галію і вісмуту) у твердий стан молекули розташовуються вже, а сама речовина, зменшуючись в обсязі, стає щільнішою. Будь-які рідини, але не води. Вода і тут є винятком. При охолодженні вода спочатку веде себе як інші рідини: поступово ущільнюючись, вона зменшує свій обсяг. Таке явище можна спостерігати до +4°С (точніше +3,98°С). Саме за температури +3,98°С вода має найбільшу щільність і найменший об'єм. Подальше охолодження води поступово призводить вже не до зменшення, а збільшення обсягу. Плавність цього процесу раптом переривається і при 0 ° С відбувається різкий стрибок збільшення обсягу майже на 10%! Цієї миті вода перетворюється на лід. Унікальна особливість поведінки води при охолодженні та утворенні льоду відіграє винятково важливу роль у природі та житті. Саме ця особливість води оберігає від суцільного промерзання в зимовий період усі водоймища землі – річки, озера, моря і тим самим рятує життя.

На відміну від прісної води, морська вода при охолодженні поводиться інакше. Замерзає вона при 0°С, а при мінус 1,8-2,1°С – залежно від концентрації розчинених у ній солей. Має максимальну щільність при + 4°С, а при -3,5°С. Таким чином вона перетворюється на лід, не досягаючи найбільшої густини. Якщо вертикальне перемішування в прісних водоймищах припиняється при охолодженні всієї маси води до +4°С, то в морській воді вертикальна циркуляція відбувається навіть за температури нижче 0°С. Процес обміну між верхніми та нижніми шарамийде безперервно, створюючи сприятливі умови для розвитку тварин та рослинних організмів.

Усі термодинамічні властивості води помітно чи різко від інших речовин.

Найважливіша з них – аномалія питомої теплоємності. Аномально висока теплоємність води робить моря та океани гігантським регулятором температури нашої планети, внаслідок чого не відбувається різкого перепаду температур взимку та влітку, вдень та вночі. Континенти, розташовані поблизу морів і океанів, мають м'який клімат, де перепади температури в різні пори року бувають незначними.

Потужні атмосферні потоки, що містять величезну кількість теплоти, поглинену у процесі пароутворення, гігантські океанічні течії відіграють виняткову роль у створенні погоди на нашій планеті.

Аномалія теплоємності полягає в наступному:
При нагріванні будь-якої речовини теплоємність постійно підвищується. Так, будь-якої речовини, але не води. Вода - виняток, вона і тут не втрачає можливості бути оригінальною: з підвищенням температури зміна теплоємності води аномальна; від 0 до 37 ° С вона знижується і тільки від 37 до 100 ° С теплоємність постійно зростає. У межах температур, близьких до 37 ° С, теплоємність води мінімальна. Саме ці температури – область температур людського тіла, область нашого життя. Фізика води в області температур 35-41 ° С (межі можливих, нормально протікають фізіологічних процесів в організмі людини) констатує ймовірність досягнення унікального стану води, коли маси кристалічної та об'ємної води рівні один одному і здатність однієї структури переходити в іншу максимальна. Ця чудова властивість води зумовлює рівну ймовірність перебігу оборотних і незворотних біо хімічних реакційв організмі людини та забезпечує “легке управління” ними.

Загальновідома виняткова здатність води розчиняти будь-які речовини. І тут вода демонструє незвичайні для рідини аномалії, і насамперед аномалії діелектричної постійної води . Це пов'язано з тим, що її діелектрична постійна (або діелектрична проникність) дуже велика і становить 81, у той час як для інших рідин вона не перевищує 10. Відповідно до закону Кулону сила взаємодії двох заряджених частинок у воді буде у 81 раз менше, ніж, наприклад, у повітрі, де ця характеристика дорівнює одиниці. В цьому випадку міцність внутрішньомолекулярних зв'язків зменшується у 81 раз і під дією теплового руху молекули дисоціюють з утворенням іонів. Необхідно відзначити, що через виняткову здатність розчиняти інші речовини вода ніколи не буває ідеально чистою.

Слід згадати ще про одну дивовижну аномалію води – виключно високому поверхневому натягу. З усіх відомих рідин тільки ртуть має більш високий поверхневий натяг. Ця властивість проявляється у тому, що вода завжди прагне скоротити свою поверхню. Некомпенсовані міжмолекулярні сили зовнішнього (поверхневого) шару води, викликані квантовомеханічними причинами, утворюють зовнішню пружну плівку. Завдяки плівці багато предметів, будучи важчими за воду, не занурюються у воду. Якщо, наприклад, окуляри обережно покласти на поверхню води, то голка не тоне. Адже питома вага стала майже у вісім разів більшою за питому вагу води. Усім відома форма краплі води. Високе поверхневе натяг дозволяє воді мати кулясту форму при вільному падінні.

Поверхневе натяг та змочування є основою особливих властивостей води та водних розчинів, названого – капілярністю.Капілярність має велике значення для життя рослинного, тваринного світу, формування структур природних мінералів та родючості землі. У каналах, які у багато разів уже людського волосся, вода набуває дивовижні властивості. Вона стає більш в'язкою, ущільнюється в 15 рази, а замерзає при мінус 80-70°С.

Причиною наданомальності капілярної води є міжмолекулярні взаємодії, таємниці яких ще не розкрито.

Вченим та спеціалістам відома так звана порова вода . У вигляді найтоншої плівки вона встеляє поверхню пор і мікропорожниць порід та мінералів земної корита інших об'єктів живої та неживої природи. Пов'язана міжмолекулярними силами з поверхнею інших тіл, ця вода, як і капілярна вода, має особливу структуру.

Таким чином, аномальні та специфічні властивості води відіграють ключову роль у її різноманітній взаємодії з живою та неживою природою. Всі ці незвичайні особливості властивостей води настільки "вдалі" для живого, що робить воду незамінною основою існування життя на Землі.

КОРОТКИЙ ДОВІДНИК З ПРОЕКТУВАННЯ І БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН НА ВОДУ (2-ге вид.)
Рецензент – д-р техн. наук А.С. Білицький (Інститут біофізики МОЗ СРСР).
Зміст: ДОВІДНИК З БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН НА ВОДУ

Розділ І.
ПРОЕКТУВАННЯ СВЕРДЛОВИН НА ВОДУ
Глава 1. ДЕЯКІ ВІДОМОСТІ ПРО ВОДУ

Аномалії води

Найпростішу формулу має молекула пароподібної води (гідроль). Молекула води у рідкому стані є об'єднання двох простих молекул - дигидроль, а твердому стані - трьох простих молекул - тригидроль.

У складі льоду переважають молекули тригідролю, у складі водяної пари (при температурі понад 100°С) - молекули гідролю, а в краплинно-рідкій воді - суміш гідролю, дигідролю та тригідролю, співвідношення між якими змінюються зі зміною температури.

Особливостями структури води зумовлені її наступні аномалії:

1) найбільшу щільність вода має при 4 ° С, зі зниженням температури до 0 ° С або з підвищенням до 100 ° С щільність її зменшується;

2) обсяг води при замерзанні збільшується приблизно на 10%, при цьому тверда фаза стає легшою за рідку;

3) вода має високу питому теплоємність, яка з підвищенням температури до 40 ° С зменшується, а потім знову збільшується;

4) вода має дуже велику питому внутрішньою енергією(318,8 Дж/кг);

5) вода замерзає при 0 ° С, зі збільшенням тиску температура замерзання знижується і досягає свого мінімального значення (-22 ° С) при тиску 211,5 МПа;

6) вода має найбільшу питому кількість теплоти (2156 Дж/кг) при температурі 100 °С;

7) вода має найбільш високу діелектричну проникність при 20 °С;

8) вода має найбільший поверхневий натяг у порівнянні з іншими рідинами.

При взаємодії з лугами вода поводиться, як кислота, а за взаємодії з кислотами - як основа. У процесі реакції активних металів та води виділяється водень. Вода викликає процес обмінного розкладання (гідроліз), взаємодіючи із деякими солями.

Вода в нашому житті - звичайнісінька і найпоширеніша речовина. Однак з наукового погляду це найнезвичайніша, найзагадковіша рідина. Мабуть, лише рідкий гелій може змагатися із нею. Але незвичайні властивостірідкого гелію (такі, як надплинність) виявляються при дуже низьких температурах (поблизу абсолютного нуля) і зумовлені специфічними квантовими законами. Тому рідкий гелій – це екзотична речовина. Вода ж у нашій свідомості є прообразом усіх рідин, і тим більше дивно, коли ми називаємо її незвичайною. Але в чому полягає незвичайність води? Справа в тому, що важко назвати якусь її властивість, яка не була б аномальною, тобто її поведінка (залежно від зміни температури, тиску та інших факторів) суттєво відрізняється від такої у переважної більшості інших рідин, у яких ця поведінка схожа і можна пояснити з найзагальніших фізичних принципів. До таких звичайних, нормальних рідин відносяться, наприклад, розплавлені метали, зріджені благородні гази (за винятком гелію), органічні рідини (бензин, що є сумішшю, або спирти). Вода має першорядне значення за більшості хімічних реакцій, зокрема і біохімічних. Стародавнє становище алхіміків – «тіла не діють, доки розчинені» – значною мірою справедливо. Людина та тварини можуть у своєму організмі синтезувати первинну ("ювенільну") воду, утворювати її при згорянні харчових продуктів та самих тканин. У верблюда, наприклад, жир, що міститься в горбу, може шляхом окислення дати 40 л води. Зв'язок між водою та життям настільки великий, що навіть дозволив В. І. Вернадському «розглядати життя, як особливу колоїдальну водну систему... як особливе царство природних вод».Вода – речовина звична та незвичайна. Відомий радянський вчений академік І.В.Петрянов свою науково - популярну книгу про воду назвав "Найнезвичайніше речовина у світі". А доктор біологічних наук Б.Ф.Сергєєв почав свою книгу "Цікава фізіологія" з глави про воду - "Речовина, яка створила нашу планету". Вчені мають рацію: немає на Землі речовини більш важливої ​​для нас, ніж звичайна вода, і в той же час не існує іншої такої ж речовини, у властивостях якої було б стільки протиріч і аномалій, скільки в її властивостях.

1. Поширення води планети Земля.

Майже ¾ поверхні нашої планети зайнято океанами і морями. Твердою водою – снігом та льодом – покрито 20% суші. Із загальної кількості води на Землі, що дорівнює 1 млрд. 386 млн. кубічних кілометрів, 1 млрд. 338 млн. кубічних кілометрів припадає на частку солоних вод Світового океану, і лише 35 млн. кубічних кілометрів припадає на частку прісних вод. Усього кількості океанічної води вистачило б на те, щоб покрити нею земною шарслою понад 2,5 кілометри. На кожного жителя Землі приблизно припадає 0,33 кубічних кілометрів морської води та 0,008 кубічних кілометрів прісної води. Але труднощі в тому, що переважна частина прісної води на Землі знаходиться в такому стані, що робить її важкодоступною для людини. Майже 70% прісних вод укладено в льодовикових покровах полярних країн і в гірських льодовиках, 30% - у водоносних шарах під землею, а в руслах всіх річок утримуються одночасно лише 0,006% прісних вод.

Молекули води виявлені у міжзоряному просторі. Вода входить до складу комет, більшості планет сонячної системита їх супутників.

2.Ізотопний склад води.

Атоми водню та кисню, що утворюють воду, або окис водню, можуть мати різні масові числа та відрізнятися один від одного своїми фізико-хімічними властивостямиале при цьому вони мають однаковий електричний заряд атомних ядер і тому займають у періодичній системі елементів одне й те саме місце. Такі різновиди атомів однієї й тієї ж хімічного елемента називаються ізотопами. Відомі п'ять водень та п'ять киснів. Щоправда, по два з них (4 H, 5 H, 14 O та 15 O ) радіоактивні і дуже короткоживучі. Наприклад, тривалість існування водню –4-4*10 -11 сек. Найбільш широко відомі такі ізотопи водню: протий 1 H (з відносною атомною масою 1), дейтерій 2 H , або D (c відносною атомною масою 2) та тритій 3 H , або T (c відносною атомною масою 3), найбільш важкий, але слаборадіоактивний водень (його період напіврозпаду 12,3 роки), та ізотопи кисню: 16 O , 17 O та 18 O . Ці шість ізотопів можуть утворювати 18 ізотопічних різновидів води: 1 Н 2 16 Про; 1 Н D 16; D 2 16; 1 Н T 16; DT 16; T 2 Про 16; 1 Н 2 17; 1 Н D 17; D 2 17; 1 Н T 17; DT 17; T 2 17; 1 Н 2 18; 1 Н D 18; D 2 18; 1 Н T 18; DT 18; T 2 18 Про.

На Землі на 6800 атомів протию припадає один атом дейтерію, а в міжзірковому просторі один атом дейтерію припадає вже на 200 атомів протию.

3. Будова молекули води.

Молекула води складається з двох атомів водню (Н) та одного атома кисню (О). Все різноманіття властивостей води та незвичайність їх прояву в кінцевому рахунку визначаються фізичною природою цих атомів та способом їхнього об'єднання в молекулу. В окремій молекулі води ядра водню і кисню розташовані так відносно один одного, що утворюють рівнобедрений трикутник з порівняно великим ядром кисню на вершині і двома дрібними ядрами водню біля основи. У молекулі води є чотири полюси зарядів: два негативні за рахунок надлишку електронної щільності у кисневих пар електронів і два позитивні - внаслідок нестачі електронної щільності у ядер водню - протонів. Така асиметричність розподілу електричних зарядівводи має яскраво виражені полярні властивості; вона є диполем з високим дипольним моментом -1,87 дебай

Завдяки цьому молекули води прагнуть нейтралізувати електричне поле. Під впливом диполів води на поверхні занурених у неї речовин міжатомні та міжмолекулярні сили слабшають у 80 разів. Така висока діелектична проникність з усіх відомих речовин властива лише воді. Цим пояснюється її здатність бути універсальним розчинником.

Допомагаючи "контактним з нею молекулам розкладатися на іони (наприклад, солям кислот), сама вода виявляє велику стійкість. З 1 млрд. молекул води дисоційованими при звичайній температурівиявляються лише дві, при цьому протон не зберігається в вільному стані, А найімовірніше входить до складу іона гідроксонію. ( Гідроксоній (Н 3 О+) – це гідратований іон водню; існує у водних розчинах кислот)

Вода хімічно не змінюється під впливом більшості сполук, які вона розчиняє, і змінює їх. Це характеризує її інертним розчинником, що важливо для живих організмів на нашій планеті, оскільки необхідні їх тканинам поживні речовини надходять у водних розчинах у порівняно стійкому вигляді. Як розчинник вода багаторазово використовується, несучи у своїй структурі пам'ять про раніше розчинені в ній речовини.Молекули обсягом води зближуються протилежними зарядами, виникають міжмолекулярні водневі зв'язки між ядрами водню і неподіленими електронами кисню, насичуючи електронну недостатність водню однієї молекули води та фіксуючи його стосовно кисню інший молекули. Тетраедрична спрямованість водневої хмари дозволяє утворити чотири водневі зв'язки для кожної водної молекули, яка завдяки цьому може асоціювати із чотирма сусідніми.У такій моделі кути між кожною парою ліній, що з'єднують центр (атом О) з вершинами, дорівнюють 109,5°С.

Водневі зв'язки в кілька разів слабші за ковалентні зв'язки, що поєднують атоми кисню і водню. Мікромолекулярна структура води з великою кількістю порожнин дозволяє їй розриваючи водневі зв'язки, приєднувати молекули або частини молекул інших речовин, сприяючи їх розчиненню.
Порівнюючи воду - гідрид кисню з гідридами елементів, що входять в одну з киснем підгрупу періодичної системи Д.І. Менделєєва, слід було б очікувати, що вода повинна кипіти при - 70 о С, а замерзати при - 90 про С. Але в звичайних умовах вода замерзає при 0 про С. Таке різке відхилення від встановленої закономірності якраз і пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Асоційованість її позначається і на дуже високій теплоті пароутворення. Так, для того щоб випарувати 1 г води, нагрітої до 100 о С, потрібно вшестеро більше тепла, ніж для нагрівання такої ж кількості води від 0 до 80 о С. Завдяки цьому вода є найпотужнішим енергоносієм на нашій планеті. У порівнянні з іншими речовинами, вона здатна сприймати набагато більше тепла, суттєво не нагріваючись. Вода виступає як регулятором температури, згладжуючи завдяки своїй великій теплоємності різкі температурні коливання. В інтервалі від 0 до 37 про З теплоємність її падає і тільки після 37 про починає підвищуватися. Мінімум теплоємності води відповідає температурі 36 - 39 про З - нормальній температурі людського тіла. Завдяки цьому можливе життя теплокровних тварин, у тому числі і людини.0 про З і закипає при 100 про З.

4.Фізичні властивості води, їхня аномальність.

Чиста вода є есцветнуюбез смаку запаху прозору рідину. Щільність води під час переходу їїіз твердого стану в рідке не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає.

Як добре відомо, вода прийнята за зразок міри - еталон для всіх інших речовин. Здавалося б, за зразок для фізичних констант слід би вибрати таку речовину, яка веде себе нормальним, звичайним чином. А вийшло якраз навпаки.

І перша, найдивовижніша, властивість води полягає в тому, що вода належить до єдиної речовини на нашій планеті, яка в звичайних умовах температури і тиску може перебувати в трьох фазах, або трьох агрегатних станах: у твердому (лід), рідкому та газоподібному ( невидимий для ока пара).

4.1. Аномалія густини.

Усім відома аномалія густини. Вона двояка. По-перше, після танення льоду щільність збільшується, проходить через максимум при 4про З і лише потім зменшується зі зростанням температури. У звичайних рідинах щільність завжди зменшується із температурою. І це зрозуміло. Чим більша температура, тим більша теплова швидкість молекул, тим більше вони розштовхують один одного, призводячи до більшої рихлості речовини. Зрозуміло, й у воді підвищення температури збільшує теплову швидкість молекул, але це призводить до зниження щільності лише за високих температурах.

Друга аномалія щільності полягає в тому, що щільність води більша за щільність льоду (завдяки цьому лід плаває на поверхні води, вода в річках взимку не вимерзає до дна і т.д.). Зазвичай при плавленні щільність рідини виявляється менше, ніж у кристала. Це також має просте фізичне пояснення. У кристалах молекули розташовані регулярно, мають просторову періодичність - це властивість кристалів всіх речовин. Але у звичайних речовин молекули в кристалах, крім того, щільно запаковані. Після плавлення кристала регулярність у розташуванні молекул зникає, і це можливо тільки при більш рихлій упаковці молекул, тобто плавлення зазвичай супроводжується зменшенням щільності речовини. Такі зменшення щільності дуже мало: наприклад, при плавленні металів вона зменшується на 2 - 4%. А густина води перевищує щільність льоду відразу на 10%! Тобто стрибок щільності при плавленні льоду аномальний не лише за знаком, а й за величиною.

4.2.Переохолоджена вода.

Останнім часом багато уваги приділяється вивченню властивостей переохолодженої води, тобто що залишається в рідкому стані нижче точки замерзання.про З . (Переохолодити воду можна або в тонких капілярах, або ще краще - у вигляді емульсії: маленьких крапельок в неполярному середовищі - "маслі"). Що ж відбувається з аномалією густини при переохолодженні води? Вона веде себе дивно. З одного боку, щільність води сильно зменшується в міру переохолодження (тобто перша аномалія посилюється), але, з іншого боку, вона наближається до щільності льоду при зниженні температури (тобто друга аномалія слабшає).

4.3.Аномалія стисливості.

Ось ще приклад аномалії води: незвичайна температурна поведінка її стисливості, тобто ступеня зменшення об'єму при збільшенні тиску. Зазвичай стисливість рідини зростає з температурою: при високих температурах рідини рихліші (мають меншу щільність) і їх легше стиснути. Вода виявляє таку нормальну поведінку лише за високих температур. При низьких ж стисливість поводиться протилежним чином, внаслідок чого в її температурній поведінці з'являється мінімум при 45про З.

На цих двох прикладах бачимо, що незвичайні властивості води характеризуються екстремальною поведінкою, тобто появою максимумів (як у щільності) або мінімумів (як у стисливості) на кривих їх залежностей від температури. Такі екстремальні залежності означають, що у воді має місце протиборство двох процесів, кожен з яких обумовлює протилежну поведінку аналізованої якості. Один процес - це нормальний тепловий рух, що посилюється зі зростанням температури і робить воду (як і будь-яку іншу рідину) більше разів упорядкованою; інший процес незвичайний, властивий тільки воді, за рахунок нього вода стає більш упорядкованою за низьких температур. Різні властивості води по-різному чутливі до цих двох процесів, і тому становище екстремуму спостерігається кожної властивості при своїй температурі.

4.4.Поверхневий натяг

Серед незвичайних властивостей води важко залишити без уваги ще одне - її винятково високе поверхневе натяг 0,073 Н/м (при 20 o С). З усіх рідин більш високий поверхневий натяг має тільки ртуть. Воно виявляється в тому, що вода постійно прагне стягнути, скоротити свою поверхню, хоча вона завжди набуває форми ємності, в якій знаходиться в даний момент. Вода лише здається безформною, розтікаючись на будь-якій поверхні. Сила поверхневого натягу змушує молекули її зовнішнього шару зчіплюватися, створюючи пружну зовнішню плівку. Властивості плівки також визначаються замкнутими та розімкненими водневими зв'язками, асоціатами різної структури та різного ступеня впорядкованості. Завдяки плівці деякі предмети, будучи важчими за воду, не занурюються у воду (наприклад, обережно покладена плашмя сталева голка). Багато комах (водомірки, ногохвостки та інших.) як пересуваються на поверхні води, але злітають із неї і сідають, як у тверду опору. Понад те, живі істоти пристосувалися використовувати навіть внутрішній бік водної поверхні. Личинки комарів повисають на ній за допомогою щетинок, що не змочуються, а маленькі равлики - прудовики і котушки - повзають по ній у пошуках видобутку.

Високий поверхневий натяг дозволяє воді приймати кулясту форму при вільному падінні або в стані невагомості: така геометрична форма має мінімальну для даного об'єму поверхню. Струмаючи хімічно чистої води перетином 1 см 2 за міцністю на розрив не поступається сталі того ж перерізу. Водний струмінь цементує сила поверхневого натягу. Поведінка води в капілярах підпорядковується і складнішим фізичним закономірностям. Сент-Дьєрдьї зазначав, що у вузьких капілярах виникають структурно впорядковані шари води поблизу твердої поверхні. Структурування поширюється в глиб рідкої фази на товщину шару порядку десятків і сотень молекул (раніше припускали, що впорядкованість обмежується лише мономолекулярним шаром води, що примикає до поверхні). Особливості структурування води у капілярних системах дозволяють з певною підставою говорити про капілярний стан води. У природних умовах цей стан можна спостерігати у так званої порової води. У вигляді найтоншої плівки вона встеляє поверхню порожнин, пор, тріщин порід та мінералів земної кори. Розвинені міжмолекулярні контакти з поверхнею твердих тіл, особливості структурної впорядкованості, ймовірно, і є причиною того, що порова вода замерзає за більш низької температури, ніж звичайна - вільна - вода. Дослідження показали, що при замерзанні пов'язаної води виявляються не тільки зміни її властивостей, - іншими стають і властивості тих гірських порід, з якими вона безпосередньо стикається.

4.5.Аномалія теплоємності.

Що ж це за незвичайний процес, що відбувається у воді і робить її несхожою на інші рідини? Щоб усвідомити його фізичну сутність, розглянемо ще одну, як на мене, найсильнішу аномалію води - температурну поведінку її теплоємності. Величина теплоємності, як відомо, показує скільки потрібно витратити тепла, щоб підняти температуру речовини на один градус. Для переважної кількості речовин теплоємність рідини після плавлення кристала збільшується трохи - не більше 10%. Інша справа – вода. При плавленні льоду теплоємність скаче від 9 до 18 кал/моль "град, тобто в два рази! Такого величезного стрибка теплоємності при плавленні не спостерігається в жодної іншої речовини: тут вода абсолютний рекордсмен. У льоду енергія, що підводиться для нагрівання, витрачається в Здебільшого на збільшення теплової швидкості молекул.Скачок теплоємності після плавлення означає, що у воді відкриваються якісь нові процеси (і дуже енергоємні), на які витрачається тепло, що підводиться, і які зумовлюють появу надлишкової теплоємності. процеси існують у всьому діапазоні температур, при яких вода знаходиться в рідкому стані, вона зникає тільки в парі, тобто ця аномалія є властивістю саме рідкого стану води, теплоємність води аномальна не тільки за своїм значенням, питома теплоємність різна при різних температурах, причому характер температурної зміни питомої теплоємності своєрідний: вона сни ся у міру збільшення температури в інтервалі від 0 до 37 o С, а при подальшому збільшенні температури - зростає. Мінімальне значення питомої теплоємності води виявлено при температурі 36,79 o С, але це нормальна температура людського тіла! Нормальна температура багатьох теплокровних живих організмів також знаходиться поблизу цієї точки. При сильному переохолодженні теплоємність сильно зростає, тобто аномальний внесок у неї ще більше збільшується. Переохолоджена вода ще аномальніша, ніж звичайна.

5.Структура та форми льоду.

Вода при охолодженні в нормальних умовах нижче 0 про З кристалізується, утворюючи лід, щільність якого менша, а об'єм майже на 10% більше обсягу вихідної води. Охолоджуючись, вода поводиться як багато інших сполук: потроху ущільнюється-зменшує свій питомий обсяг. Але за 4 про З (точніше, при 3,98 про З) настає кризовий стан: за подальшого зниження температури обсяг води не зменшується, а збільшується. З цього моменту починається впорядкування взаємного розташуваннямолекул складається характерна для льоду гексагональна кристалічна структура. Кожна молекула у структурі льоду з'єднана водневими зв'язками із чотирма іншими. Це призводить до того, що у фазі льоду утворюється ажурна конструкція з "каналами" між фіксованими молекулами води. У водних розчинах деяких органічних речовин навколо молекул домішок виникають упорядковані групи водних молекул. рідкого льоду", що мають кубічну структуру, яка відрізняється великою пухкістю в порівнянні з гексагональною. Поява такого льоду викликає значне розширення всієї замерзлої маси. При появі льоду руйнуються зв'язки не тільки далекого, а й ближнього порядку. Так, при 0 про С9-15% молекул Н 2 Про втрачають зв'язки зі сполуками, в результаті збільшується рухливість частини молекул і вони занурюються в ті порожнини, якими багата ажурна структура льоду. зростає приблизно 10%, і вважатимуться, що ця величина певним чином характеризує кількість молекул Н 2 Про, що у порожнини.

У твердій воді (лід) атом кисню кожної молекули бере участь в утворенні двох водневих зв'язків із сусідніми молекулами. куламиводи згідно зі схемою, в якій водневі зв'язки показані пунктиром

Утворення водневих зв'язків призводить до такого розташування молекул води, при якому вони стикаються один з одним своїми різноіменними полюсами. Молекули утворюють шари, причому кожна з них пов'язана з трьома молекулами, що належать до того ж шару, і з однієї - з сусіднього шару. яких дещо перевищують розміри молекули .

Характерною особливістю структури льоду і те, що у ній молекули упаковані рихло. Якщо зобразити молекулу кулею, тоущільненій упаковці куль навколо кожного з них буде 12 сусідів. У льоду їх всього чотири. Якби молекули води у льоду були щільно упаковані, його щільність становила б 2,0 г/см3, тоді як насправді вона дорівнює 0,92 г/см3. Здавалося б, рихлість упаковки частинок, тобто наявність у ній великих обсягів незаповненого молекулами простору, повинна призводити до нестійкості структури. Наприклад, можна було б очікувати, що при стисканні льоду зовнішнім тиском сітка водневих зв'язків руйнуватиметься, порожнечі структури з легкістю плескатимуться, заповнюючись молекулами, вирваними з цієї сітки. Але не тут було! Насправді сітка водневих зв'язків не руйнується, а перебудовується. При підвищенні тиску звичайний гексагональний льодовик свою структуру.

Наразі відомо десять форм льоду, стійких при високих тисках. І в усіх зберігається чотири рази координована сітка водневих зв'язків, тобто кожна молекула води зберігає в них усі свої чотири водневі зв'язки.

I - звичайний лід, що існує при тиску до 2200 атм., подальшому збільшенні тиску переходить у II;

II – лід із зменшенням обсягу на 18%, тоне у воді, дуже нестійкий і легко переходить у III;

III – також важчий за воду і може безпосередньо бути отриманий з льоду I;

IV – легше води, існує при невеликих тисках та температурі трохи нижче 0° З, нестійкий і легко переходить у кригу I;

V – може існувати при тисках від 3600 до 6300 атм., він щільніший за льоду III , при підвищенні тиску з тріском миттєво перетворюється на лід VI;

V I – щільніше за льоду V , при тиску близько 21 000 атм. має температуру +76° З; може бути отриманий безпосередньо води при температурі +60° З тиску 16 500 атм.

Структура льоду, у якої всі кути між сусідніми водневими зв'язками рівні тетраедричного кута, має мінімальну щільність (найбільшу пухкість), можливу для чотири рази координованих сіток. При деформації такої сітки щільність неминуче збільшується, тому, наприклад, для льоду III вона становить 1,15 г/см3, тобто на 25% більше, ніж у льоду.

Отже, при зовнішніх впливах (підвищенні тиску) сітка водневих зв'язків у льоду не руйнується, а перебудовується, зберігаючи свою координацію. Більш вигідним виявляється не розірвати деякі водневі зв'язки, а зберегти їх усі лише деформуючи сітку, дещо змінюючи кути між зв'язками. У цій дивовижній структурній стійкості полягає найважливіша властивість сіток водневих зв'язків між молекулами води.

6.Структура та перебудова структури води.

Тепер легко уявити, що відбувається при плавленні льоду. Сітка водневих зв'язків тут не повинна руйнуватися, але кристалічний порядок повинен зникнути. Це означає, що кожна молекула води і в рідкому стані повинна зберегти свої чотири водневі зв'язки, але кути між ними відрізнятимуться від qТ, що призводить до підвищення її щільності в порівнянні з льодом Ih. Чим відрізняється структура сітки водневих зв'язків у рідкій воді від структур сіток у формах льоду, стабільних при високих тисках? Відсутністю просторової періодичності. На відміну від льоду у водній сітці неможливо виділити ділянки у різних її місцях, які були б тотожні за структурою. Сітка у воді випадкова. У ній кути між зв'язками відхиляються від qТ за якимось певним законом, як і кристалах, а випадково. У кристалі навколо кожної молекули сусідні частки розташовані однаково, в рідині оточення кожної молекули влаштовано особливим (але випадковим) чином. Тому структуру випадкової сітки неможливо встановити рентгеноструктурним аналізом, який розкриває закономірності тільки одноманітно оточених частинок.

Отже, молекулярну структуру води, тобто конкретне становище всіх її молекул, неможливо визначити експериментально. Тут потрібно використовувати інші методи дослідження та насамперед моделювання. За допомогою комп'ютера можна моделювати рухи невеликого комплексу частинок (близько тисячі) і отримувати інформацію про положення кожної молекули, якщо зробити певні (модельні) припущення про закони їхньої взаємодії. Цим захоплюючим завданням зараз займаються вчені в усьому світі. Усі дослідники згодні у цьому, що основою структури є сітка водневих зв'язків, що охоплює всі молекули води; розбіжності стосуються переважно пристрою цієї сітки.

Отже, найбільш реалістичною картиною структури води є випадкова чотириразово координована сітка водневих зв'язків. Така спільна ідея є достатньою для нашого обговорення. Як пояснити з цього погляду аномалії води? Будь-які зміни сітки при зовнішніх впливах можуть бути: без зміни структури (наприклад, зміни довжин зв'язків); 2) із зміною структури сітки (без зміни довжин зв'язків). Подовження всіх зв'язків зі збільшенням температури відноситься до змін першого роду і є загальним всім речовин, включаючи воду. Але у воді важливу роль грає і другий фактор. При низьких температурах структура більш упорядкована, тобто кути між водневими зв'язками в сітці меншою мірою відхиляються від тетраедричного кута qТ, тому вона ажурніша (більш рихла, має меншу щільність) і її важче деформувати. При зміні температури сітка змінюється, змінює свою структуру. Це потрібно розуміти не тільки як зміна кутів між зв'язками, але і як зміна характеру зв'язності вузлів сітки (молекул): наприклад, зміна кількості кілець різного типу, аналогічна тому, що відбувається при переході від льоду льоду III. Але якщо при низьких температурах, кристалічної фазі структура кожної з десяти форм льоду залишалася незмінною в кінцевому інтервалі температур і перебудова сітки відбувалася при переході від однієї дискретної форми до іншої, то в рідині структура сітки водневих зв'язків перебудовується при зміні температури безперервно.

7.Діаграма стану води.

Діаграма стану (або фазова діаграма) є графічним зображенням залежності між величинами, що характеризують стан системи, і фазовими перетвореннями в системі (перехід з твердого стану в рідкий, з рідкого в газоподібний і т. д.). Діаграми стану широко застосовують у хімії. Для однокомпонентних систем зазвичай використовують діаграми стану, що показують залежність фазових перетворень від температури і тиску, вони називаються діаграмами стану в координатах Р-Т.

На малюнку наведено у схематичній формі діаграма стану води. Будь-якій точці на діаграмі відповідають певні значення температури та тиску.

Діаграма показує стан води, які термодинамічностійкі при певних значеннях температури і тиску. Вона складається з трьох кривих, що розмежовують всі можливі температури та тиску на три області, що відповідають льоду, рідини та парі.

Розглянемо кожну з кривих докладніше. Почнемо з кривої ОА, що відокремлює область пари від області рідкого стану Уявімо собі циліндр, з якого видалено повітря, після чого в нього введено деяку кількість чистої, вільної від розчинених речовин, у тому числі від газів, води; циліндр забезпечений поршнем, який закріплений у певному положенні. Через деякий час частина води випарується, і над її поверхнею буде знаходитися насичена пара. Можна виміряти його тиск і переконатися, що воно не змінюється з часом і не залежить від положення поршня. Якщо збільшити температуру всієї системи та знову виміряти тиск насиченої пари, то виявиться, що вона зросла. Повторюючи такі вимірювання за різних температур, знайдемо залежність тиску насиченої водяної пари від температури. Крива ОАє графік цієї залежності: точки кривої показують ті пари значень температури і тиску, при яких рідка вода і водяна пара знаходяться в рівновазі один з одним - співіснують. Крива ОАназивається кривою рівноваги рідина-пар або кривою кипіння. У таблиці наведено значення тиску насиченої водяної пари за кількох температур.

Температура	Тиск насиченої пари		Температура	Тиск насиченої пари
	кПа	мм рт. ст.		кПа	мм рт. ст.
	0,61			12,3	92,5
	1,23			19,9
	2,34	17,5		31,2
	4,24	31,8		47.4
	7,37	55,3		101,3

Спробуємо здійснити в циліндрі тиск, відмінний від рівноважного, наприклад, менший, ніж рівноважний. Для цього звільнимо поршень і піднімемо його. У перший момент тиск в циліндрі, дійсно, впаде, але незабаром рівновага відновиться: додатково випарується деяка кількість води і тиск знову досягне рівноважного значення. Тільки тоді, коли вся вода випарується, можна здійснити тиск менший, ніж рівноважний. Звідси випливає, що точкам, що лежать на діаграмі стану нижче або правіше кривої ОА,відповідає область пари Якщо намагатися створити тиск, що перевищує рівноважний, цього можна досягти, лише опустивши поршень до поверхні води. Інакше кажучи, точкам діаграми, що лежать вище або лівіше за криву ОА, відповідає область рідкого стану.

Доки тягнуться вліво області рідкого та пароподібного стану? Намітимо по одній точці в обох областях та рухатимемося від них горизонтально вліво. Цьому руху точок на діаграмі відповідає охолодження рідини або пари при постійному тиску. Відомо, що якщо охолоджувати воду за нормального атмосферного тиску, то при досягненні 0°С вода почне замерзати. Проводячи аналогічні досліди при інших тисках, прийдемо до кривої ОС,відділяє область рідкої води від льоду. Ця крива - крива рівноваги твердий стан - рідина, або крива плавлення,- Показує ті пари значень температури і тиску, при яких лід і рідка вода знаходяться в рівновазі.

Рухаючись по горизонталі вліво в області пари (у нижній частині діаграми), аналогічним чином прийдемо до кривої 0В.Це-крива рівноваги твердий стан-пар, або крива сублімації. Їй відповідають ті пари значень температури до тиску, за яких у рівновазі знаходяться лід і водяна пара.

Усі три криві перетинаються у точці О.Координати цієї точки-це єдина пара значень температури та тиску. при яких у рівновазі можуть бути всі три фази: лід, рідка вода і пара. Вона має назву потрійний точки.

Крива плавлення досліджена до дуже високих тисків, У цій галузі виявлено кілька модифікацій льоду (на діаграмі не показано).

Справа крива кипіння закінчується в критичній точці. При температурі, що відповідає цій точці, - критичної температури- величини, що характеризують фізичні властивості рідини та пари, стають однаковими, так що різниця між рідким та пароподібним станом зникає.ОС на діаграмі стану води йдевліво, тоді як майже для всіх інших речовин вона йде вправо.

Перетворення, що відбуваються з водою при атмосферному тиску, відбиваються на діаграмі крапками або відрізками, що розташовані на горизонталі, що відповідає 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавлення льоду або кристалізація води відповідає точціD, кипіння води-точці Е,нагрівання або охолодження води – відрізкуDEі т.п.

Діаграми стану вивчені для низки речовин, що мають наукове чи практичне значення. У принципі вони подібні до розглянутої діаграми стану води. Однак на діаграмах стану різних речовин можуть бути особливості. Так, відомі речовини, потрійна точка яких лежить при тиску ІІ, що перевищує атмосферне. У цьому випадку нагрівання кристалів при атмосферному тиску призводить не до плавлення цієї речовини, а до його сублімаці і -перетворенню твердої фази безпосередньо на газоподібну.

8.Пояснення аномалій.

Тепер ми можемо пояснити походження численних аномалій води. Розглянемо аномалії густини. Перша – різке збільшення щільності при плавленні льоду – пов'язана з тим, що сітка водневих зв'язків льоду сильно спотворюється після плавлення: у водній сітці кути між зв'язками відхиляються від оптимальних тетраедричних, внаслідок чого зменшується обсяг порожнього простору між молекулами води. Друга визначається тепловою розбудовою структури водної сітки. Чим нижча температура, тим ажурнішою стає сітка, обумовлюючи зменшення щільності при зниженні температури нижче 4 С. При високих температурах перебудова структури сітки вже мало впливає на щільність, оскільки сітка тут дуже відрізняється від ажурної тетраедричної конфігурації. Тоді стає видно загальне всім речовин (нормальне) явище збільшення відстаней між частинками при нагріванні. Зауважимо, що наближення щільності води при її переохолодженні до щільності льоду означає, що структура води стає дедалі більше схожою структуру льоду. Хоча кути між водневими зв'язками при цьому наближаються до тетраедричних, але структура випадкової ажурної водної сітки при низьких температурах не має нічого спільного з регулярною структурою льоду Ih .

Аналогічним чином можна пояснити аномальну поведінку та інших властивостей води за низьких температур, наприклад, стисливості. Загальна причина такої аномальної поведінки полягає в тому, що при низьких температурах сітка водневих зв'язків води ще не дуже спотворена в порівнянні з тетраедричною конфігурацією, і при зміні температури має першорядне значення перебудова структури цієї сітки, яка визначає аномальний внесок у поведінку спостережуваної нами властивості води . При високих температурах, коли водна сітка сильно деформована, її перебудова менш впливає на спостережувану властивість і вода поводиться, як і всі звичайні рідини.

Щоб деформувати сітку за зміни температури, перебудувати її структуру, потрібно витратити енергію; це пояснює аномальний внесок у теплоємність. Зміна структури сітки можна назвати зміною її конфігурації, тому аномальний внесок у теплоємність, який описує витрати енергії на зміну структури сітки (при збільшенні температури на один градус), називають конфігураційною теплоємністю. Аномальний внесок у теплоємність не зникає аж до 100°С (при звичайному тиску) та його величина мало змінюється з температурою. Це означає, що сітка водневих зв'язків у воді існує на всьому інтервалі існування рідини – від точки плавлення до точки кипіння: зі зростанням температури водневі зв'язки не розриваються, а поступово змінюють свою конфігурацію.

Таке різке відхилення від встановленої закономірності таки пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Асоційованість її позначається і на дуже високій теплоті пароутворення. Так, для того щоб випарувати 1 г води, нагрітої до 100 о С, потрібно в шість разів більше тепла, ніж для нагрівання такої ж кількості води від 0 до 80 о С. Завдяки цьому вода є найпотужнішим енергоносієм на нашій планеті.

9. Література

Ахмет Н.С., Неорганічна хімія. Москва, 1992р.

Глінка Н.Л., Загальна хімія. Ленінград, 1984р.

Дерпгольц В. Ф. Вода у всесвіті. - Л.: "Надра", 1971.

Хрестів Г. А. Від кристала до розчину. – Л.: Хімія, 1977.

Хомченком Г.П. Хімія для вступників до ВНЗ. - М., 1995р.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru//

Розміщено на http://www.allbest.ru//

Вступ

Вода в нашому житті - звичайнісінька і найпоширеніша речовина. Однак з наукового погляду це найнезвичайніша, найзагадковіша рідина. Мабуть, лише рідкий гелій може змагатися із нею. Але незвичайні властивості рідкого гелію (такі, як надплинність) виявляються при дуже низьких температурах (поблизу абсолютного нуля) і зумовлені специфічними квантовими законами. Тому рідкий гелій – це екзотична речовина. Вода ж у нашій свідомості є прообразом усіх рідин, і тим більше дивно, коли ми називаємо її незвичайною. Але в чому полягає незвичайність води? Справа в тому, що важко назвати якусь її властивість, яка не була б аномальною, тобто її поведінка (залежно від зміни температури, тиску та інших факторів) суттєво відрізняється від такої у переважної більшості інших рідин, у яких ця поведінка схожа і можна пояснити з найзагальніших фізичних принципів. До таких звичайних, нормальних рідин відносяться, наприклад, розплавлені метали, зріджені благородні гази (за винятком гелію), органічні рідини (бензин, що є їх сумішшю, або спирти). Вода має першорядне значення при більшості хімічних реакцій, зокрема біохімічних. Стародавнє становище алхіміків - «тіла не діють, доки розчинені» - значною мірою справедливо. Людина та тварини можуть у своєму організмі синтезувати первинну ("ювенільну") воду, утворювати її при згорянні харчових продуктів та самих тканин. У верблюда, наприклад, жир, що міститься в горбу, може шляхом окиснення дати 40 л води. Зв'язок між водою та життям настільки великий, що навіть дозволив В. І. Вернадському «розглядати життя, як особливу колоїдальну водну систему... як особливе царство природних вод». Вода - речовина звична та незвичайна. Відомий радянський вчений академік І.В.Петрянов свою науково-популярну книгу про воду назвав "Найнезвичайніше речовина у світі". А доктор біологічних наук Б.Ф.Сергєєв почав свою книгу "Цікава фізіологія" з розділу про воду - "Речовина, яка створила нашу планету". Вчені мають рацію: немає на Землі речовини важливішого для нас, ніж звичайна вода, і в той же час не існує іншої такої ж речовини, у властивостях якої було б стільки протиріч і аномалій, скільки в її властивостях.

Аномалія щільності

Аномалія щільності, що полягає в тому, що щільність льоду менша, ніж у рідкої води, і максимум щільності близько 4 З пояснюються внутрішньою структурою води. При плавленні льоду порушується його регулярна структура та частина комплексів руйнується. У воді поряд з ділянками, що мають структуру, аналогічну кристалічних ґрат льоду, з'являються одиночні молекули. Порушення регулярної структури супроводжується підвищенням щільності та зменшенням об'єму, так як поодинокі молекули води заповнюють порожнини, що збереглися в ділянках з льодоподібною структурою. З підвищенням температури проявляється дія двох факторів: теплового розширення та порушення регулярної структури льоду. Теплове розширення, що супроводжується незначним збільшенням обсягу, пов'язане із зменшенням упорядкованості розташування молекул. При 4 З ці два фактори однакові за абсолютною величиною, але протилежні за спрямованістю дії. При подальшому підвищенні температури знижується дія другого фактора, сильніше виявляється дія теплового розширення та щільність води зменшується.

Аномалія щільності води має великий вплив на клімат планети, а також життя тварин і рослин. Коли вода річок, озер та морів охолоджується нижче 4, вона стає легшою і не йде на дно, а залишається на поверхні, де й замерзає. При цій температурі можливе життя. Якби щільність льоду була більшою за щільність води, то в міру утворення лід йшов би на дно і океани цілком замерзали, оскільки тепла, що отримується від Сонця в теплий час, було б недостатньо для їхнього розморожування.

Аномалія щільності води має велике значення для життя живих істот, що населяють водойми, що замерзають. Поверхневі шари води при температурах нижче 4 °С не опускаються на дно, оскільки при охолодженні вони стають легшими. Тому верхні шари води можуть тверднути, тоді як у глибинах водойм зберігається температура 4 СС. У цих умовах життя продовжується.

Аномалію щільності намагаються, отже, пояснити найбільшою щільністю дигідрольної води.

Чим пояснюється аномалія густини води.

Одне з пояснень аномалії щільності води полягає в тому, що їй приписується тенденція до асоціації її молекул, які утворюють різні групи [Н2О, (Н2О) 2, (Н2О) 3], питомий обсяг яких

різний за різних температур різні і концентрації цих груп, отже, різний та його загальний питомий обсяг.

Перше з них означає, що аномалії щільності, що виникають завдяки руху, не створюють потоку тепло через нижню гращу. На верхній межі щільність визначається, а на березі (х 0) нормальна компонента горизонтального потоку тепла вважається рівною нулю. Швидкості і на березі повинні звертатися в нуль через умови непротікання і прилипання. Наближення гідростатики, однак так сильно спрощує динаміку, що умова прилипання для і; може бути виконано.

Для третинних і вторинних спиртів характерна аномалія щільності пари при високих температурах (визначення за В. Третні спирти (до Cj2) дають при температурі кипіння нафталіну (218е) лише половинне значення молекулярної ваги, внаслідок їх розкладання на воду та алкілени; вторинні спирти (до С9) ) виявляють таку ж аномалію, але.

Позитивний знак роботи доводиться відносити за рахунок аномалії густини води.

Якщо, як стверджує Греба, роботи Сент-Клер Девіля сприяли, з одного боку, поясненню помічених аномалій щільностей пар і тим самим, хоч і побічно, підтверджували теорію Авогадро, то, з іншого

Сторони, ці роботи послужили стимулом вивчення хімічного спорідненості, оскільки сприяли з'ясування природи певних реакцій.

Для води рівняння (64) дає правильні результати до температури 4, оскільки вона, як відомо, має щільність аномалію. При 4 щільність води найбільша, нижче 4 спостерігається складний розподіл густини, що не враховується цим рівнянням.

З огляду на (8.3.56) параметр X є мірою відношення (L / LH) 2 і нерівність (8.3.19 а) означає просто, що аномалії щільності, створювані для досягнення, перемішуються на масштабі, малому порівняно з L.

За наявності основної стратифікації позитивний ротор дотичної напруги вітру і пов'язане з ним вертикальне рух у внутрішній області створюють у всій цій області позитивну аномалію щільності, до якої додається аномалія щільності через приплив тепла на поверхні.

Якщо зв'язки всередині поліедрів набагато сильніші, ніж між поліедрами, то ці останні будуть розпоряджені в розплаві, так що в розплаві існуватимуть одиниці у вигляді поліедрів. Деякі аномалії щільності в рідких сплавах А1 – Fe, мабуть, підтримують цю гіпотезу.

Формулювання завдання на стійкість такого основного стану буде дано для випадку зональної течії в атмосфері. Випадок океану може розглядатися як окремий випадок завдання для атмосфери у всьому, що стосується формулювання проблеми і виходить простою заміною стандартного профілю щільності s (z) постійним значенням щільності та заміною аномалії атмосферної потенційної температури в аномалією океанської щільності, взятої зі знаком мінус.

Підвищення тиску зміщує максимальну щільність води у бік нижчих температур. Так, при 50 атм максимальна щільність спостерігається близько ПРО. Вище 2000 атм аномалія щільності води зникає.

Таким чином, у широкому інтервалі температур найбільш енергетично стійке з'єднання водню та кисню – вода. Вона утворює на Землі океани, моря, льоди, пари та туман, у великій кількості міститься в атмосфері, у товщах порід вода представлена ​​капілярною та кристалогідратною формами. Така поширеність та незвичайність властивостей (аномалія щільності води та льоду, полярність молекул, здатність до електролітичної дисоціації, до утворення гідратів, розчинів та ін.)

роблять воду активним хімічним агентом, стосовно якого зазвичай розглядають властивості великої кількості інших сполук.

Рідина, як правило, помітно розширюється при нагріванні. У деяких речовин (наприклад, у води) має місце характерна аномалія значення ізобарного коефіцієнта розширення. При більш високих тисках максимум щільності (мінімум питомого об'єму) зсувається у бік менших температур, а при тисках вище 23 МПа аномалія щільності води зникає.

Ця оцінка обнадіює, оскільки величина Ба знаходиться в непоганій відповідності до глибини термокліну, що спостерігається, яка змінюється від 800 м у середніх широтах до 200 м в тропічній і полярній зонах. Оскільки глибина 50 значно менша за глибину океану, видається розумним розглядати термоклін як прикордонний шар; відповідно до цього при постановці граничної умови на нижній межі можна вважати, що температура на глибинах, більших БО, асимптотично прагне деякого горизонтально однорідного розподілу. Оскільки масштаб г вже дорівнює D, зручно перенести початок координат на поверхню та вимірювати г від поверхні океану. Таким чином, при z - - аномалія щільності повинна згасати, а повинна прагнути до невідомого поки асимптотичного значення, так само як вертикальна швидкість, створювана на нижній межі екманівського шару, не може бути задана апріорі.

Постійні УП повинні визначатися за умов на граїщі. У гідростатичному шарі внаслідок великих градієнтів щільності, створюваних вертикальним рухом (Ла S/Е) набагато перевершує vj за величиною. Разом про те v має задовольняти умові прилипання при f x О. Vn дорівнюють нулю і, отже, сам. Зазначена складність дозволяється, якщо згадати, що у внутрішній області вертикальне перемішування щільності врівноважує ефект вертикального руху, а в гідростатичному шарі аномалія щільності, створювана вертикальним рухом, балансується тільки ефектом горизонтального перемішування. Таким чином, повинна існувати проміжна область між внутрішньою областю та гідростатичним шаром, у якій вертикальна та горизонтальна дифузії однаково важливі. Як показує (8.3.20), ця область має горизонтальний масштаб Lff, так що розраховане з цим масштабом А дорівнює одиниці.

Як відомо, вода, при нагріванні від нульової температури, стискається, досягаючи найменшого об'єму і, відповідно, найбільшої щільності при температурі 4°С. У всіх 10 відомих формах льоду і у воді взаємодія найближчих молекул відбувається однаковим чином. Інакше справа з взаємодією більш віддалених молекул. У рідкій фазі, в тому інтервалі температур, де є аномалія щільності, стійкішим є стан з більшою щільністю. Крива залежності густини від температури, яку вчені розрахували, схожа на ту, що спостерігається для води.

Чиста вода прозора та безбарвна. Вона не має ні запаху, ні смаку. Смак та запах воді надають розчинені у ній домішкові речовини. Багато фізичних властивостей і характеру їх зміни у чистій воді аномальні. Це відноситься до температур плавлення та кипіння, ентальпій та ентропій цих процесів. Аномальний і температурний перебіг зміни густини води. Вода має максимальну щільність при 4 С. Вище та нижче цієї температури щільність води зменшується. При затвердінні відбувається подальше різке зменшення щільності, тому об'єм льоду на 10 % більший за масу об'єму води при тій же температурі. Всі зазначені аномалії пояснюються структурними змінами води, пов'язаними з виникненням та руйнуванням міжмолекулярних водневих зв'язків при зміні температури та фазових переходах. Аномалія щільності води має велике значення для життя живих істот, що населяють водойми, що замерзають. Поверхневі шари води при температурі нижче 4 °С не опускаються на дно, оскільки при охолодженні вони стають легшими. Тому верхні шари води можуть твердніти, у той час як у глибинах водойм зберігається температура 4 С. У цих умовах життя триває.

Властивості рідин. Поверхневий натяг

Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють упорядковані структури у всьому обсязі кристала і можуть здійснювати теплові коливання біля фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, як і у твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і робить теплові коливання близько певного становища рівноваги. Однак, іноді будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять кілька молекул. Це називається ближнім порядком (рис. 1)

Молекула води H2O складається з одного атома кисню та двох атомів водню, розташованих під кутом 104°. Середня відстань між молекулами пари в десятки разів перевищує середню відстань між молекулами води. Внаслідок щільної упаковки молекул стисливість рідин, тобто зміна об'єму при зміні тиску, дуже мала; вона у десятки та сотні тисяч разів менша, ніж у газах. Наприклад, зміни обсягу води на 1 % потрібно збільшити тиск приблизно 200 раз. Таке збільшення тиску в порівнянні з атмосферним досягається на глибині близько 2 км.

Рідини, як і тверді тіла, змінюють об'єм при зміні температури. Для невеликих інтервалів температур відносна зміна об'єму ДV/V0 пропорційно зміні температури ДT:

Коефіцієнт називають температурним коефіцієнтом об'ємного розширення. Цей коефіцієнт у рідин у десятки разів більший, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 ° С ст? 2 · 10-4 К-1, у сталі вст? 3,6 10-5 К-1, у кварцового скла вкв? 9 · 10-6 К-1.

має цікаву та важливу для життя на Землі аномалію. При температурі нижче 4 °С вода розширюється при зниженні температури (у< 0). Максимум плотности св = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4 °С.

Найцікавішою особливістю рідин є наявність вільної поверхні. Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь обсяг посудини, в яку вона налита. Між рідиною та газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. Молекули у прикордонному шарі рідини, на відміну молекул у її глибині, оточені іншими молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Сили міжмолекулярної взаємодії, що діють одну з молекул всередині рідини з боку сусідніх молекул, в середньому взаємно компенсовані. Будь-яка молекула в прикордонному шарі притягується молекулами, що знаходяться всередині рідини (силами, що діють на цю молекулу рідини з боку молекул газу (або пари) можна знехтувати). Внаслідок цього з'являється деяка рівнодіюча сила, спрямована вглиб рідини. Поверхневі молекули силами міжмолекулярного тяжіння втягуються усередину рідини. Але всі молекули, у тому числі молекули прикордонного шару, повинні бути в стані рівноваги. Ця рівновага досягається за рахунок деякого зменшення відстані між молекулами поверхневого шару та їх найближчими сусідами усередині рідини. Як видно із рис. 1 при зменшенні відстані між молекулами виникають сили відштовхування. Якщо середня відстань між молекулами всередині рідини дорівнює r0, то молекули поверхневого шару упаковані дещо щільніше, а тому вони мають додатковий запас потенційної енергії порівняно з внутрішніми молекулами (див. рис. 2). Слід мати на увазі, що внаслідок вкрай низької стисливості наявність більш щільно упакованого поверхневого шару не призводить до помітної зміни обсягу рідини. Якщо молекула переміститься з поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії зроблять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути деяку кількість молекул із глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), зовнішні сили повинні зробити позитивну роботу ДAвнеш, пропорційну зміні ДS площі поверхні:

Дaвнеш = уДS.

Коефіцієнт називається коефіцієнтом поверхневого натягу (у > 0). Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює роботі, необхідної збільшення площі поверхні рідини при постійній температурі на одиницю.

У СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в джоулях на квадратний метр (Дж/м2) або в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).

Отже, молекули поверхневого шару рідини мають надмірну порівняно з молекулами всередині рідини потенційною енергією. Потенційна енергія Ер поверхні рідини пропорційна її площі:

Eр = Aзовніш = уS.

вода аномалія щільність натяг

З механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини набуває кулястої форми. Рідина веде себе так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.

Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежать від площі поверхні рідини.

Деякі рідини, як, наприклад, мильна вода, мають здатність утворювати тонкі плівки. Всім добре відомі мильні бульбашки мають правильну сферичну форму – у цьому також проявляється дія сил поверхневого натягу. Якщо мильний розчин опустити дротяну рамку, одна зі сторін якої рухлива, то вся вона затягнеться плівкою рідини (рис. 3).

Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Для рівноваги рухомої сторони рамки до неї потрібно прикласти зовнішню силу Якщо під дією сили поперечина переміститься на Дx, то буде виконана робота ДAвн = FвнДx = ДEp = уДS, де ДS = 2LДx - збільшення площі поверхні обох сторін мильної плівки. Оскільки модулі сил і однакові, можна записати:

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, що обмежує поверхню.

Висновок

Вода - найвивченіша речовина на Землі. Але це зовсім так. Наприклад, нещодавно вчені виявили, що вода здатна нести інформацію, що стирається, якщо воду спочатку заморозити, а потім розморозити. Також вчені не можуть пояснити той факт, що вода здатна сприймати музику. Наприклад, при прослуховуванні Чайковського, Моцарта, Баха та наступному заморожуванні утворюються кристали правильної форми, а після важкого року щось безформне. Те саме спостерігається при порівнянні матері Терези та Гітлера; слів «любов», «надія» та слова «дурень». Крім того, вчені порівнювали і енергетику води, і виявилося, що вода зі столових гір Африки заряджена набагато сильніше, ніж вода з крана, а вода у величезних пляшках, яка б вона не була чиста, мертва. Ще, як би там не було парадоксально, без води неможливе горіння! Адже вода утримується скрізь та дуже багато що це каже. Якщо з бензину видалити всю воду, він абсолютно перестане горіти. І навіть сама вода горить! Правда не так інтенсивно, але все ж таки факт залишається фактом.

Багатьом відомо, що вода здатна утворювати дуже стійке з'єднання з нафтою, яке годиться для переробки. Але російські вчені вигадали спосіб їхнього поділу. Для цього на нафтовий субстрат вплинули електромагнітним полем протягом тижня. І після її закінчення він розділився на нафту і воду. Але найцікавіше те, що частота поля дорівнювала частоті біострумів серця.

Гідросфера - водна оболонка Землі: 3/4 поверхні планети покриті водою Загальний обсяг водних запасів 1 400 000 000 км3,з них:

97% - солона вода Світового океану;

2,2% - льодовики покривні та гірські та плаваючі льоди;

Детальні геологічні виміри показали, що з 80-100 млн. років вся земна суша зноситься водним стоком у Світовий океан. Рушійна сила цього процесу - кругообіг води в природі - один з головних планетарних процесів.

Під впливом сонячної енергії Світовий океан випаровує близько 1 млрд. тонн води за хвилину. Піднімаючись у верхні холодні шари атмосфери, водяна пара конденсується в мікрокраплі, які поступово укрупнюються та утворюють хмари. Середній термін життя хмари 8-9 днів. За це

час вітер може перемістити його на 5-10 тис. км, тому значна частина хмар опиняється над сушею.

Розміщено на Allbest.ru

...

Подібні документи

Фізичні властивостіводи, температура її кипіння, танення льоду. Цікаві досліди з водою, пізнавальні та цікаві факти. Вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу води, питомої теплоти плавлення льоду, температури води за наявності домішок.

творча робота, доданий 12.11.2013


Структурна будова молекул води у трьох її агрегатних станах. Різновиди води, її аномалії, фазові перетворення та діаграма стану. Моделі структури води та льоду та агрегатні види льоду. Терпературні модифікації льоду та його молекул.

курсова робота , доданий 12.12.2009


Дослідження структурних властивостей води за швидкого переохолодження. Розробка алгоритмів моделювання молекулярної динаміки води з урахуванням модельного mW-потенциала. Розрахунок температурної залежності поверхневого натягу крапель води водяної пари.

дипломна робота , доданий 09.06.2013


Вивчення явища поверхневого натягу та методика його визначення. Особливості визначення коефіцієнта поверхневого натягу за допомогою торсіонних ваг. Розрахунок коефіцієнта поверхневого натягу води та вплив домішок на його показник.

презентація , додано 01.04.2016


Водневий зв'язок у воді. Абсолютно чистої води Землі немає як наслідок і проблема. Щільність води та льоду. Грубодисперсні, колоїдні, молекулярні, іонні домішки у воді, їх небезпека та наслідки відкладень. Вода - як сильний полярний розчинник.

лекція, доданий 10.12.2013


Значення води в природі та житті людства. Вивчення її молекулярної будови. Використання води як унікальної енергетичної речовини в системах опалення, водяних реакторах АЕС, парових машинах, судноплавстві та як сировини у водневій енергетиці.

стаття, доданий 01.04.2011


Фізичні та Хімічні властивостіводи. Поширеність води Землі. Вода та живі організми. Експериментальне дослідження залежності часу закипання води від якості. Визначення найбільш економічно вигідного способу нагрівання води.

курсова робота , доданий 18.01.2011


Історичні відомості про воду. Кругообіг води у природі. Види освіти різних змін. Швидкість оновлення води, її типи та властивості. Вода як диполь та розчинник. В'язкість, теплоємність, електропровідність води. Вплив музики на кристали води.

реферат, доданий 13.11.2014


Принцип роботи лічильника води тахометра. Колективний, загальний та індивідуальний прилад обліку. Лічильники води вологого типу. Як зупинити, відмотати та обдурити лічильник води. Тарифи на холодну та гарячу водудля населення. Нормативи споживання води.

контрольна робота , доданий 17.03.2017


Поширеність, фізична характеристика та властивості води, її агрегатні стани, поверхневий натяг. Схема утворення молекули води. Теплоємність водойм та їх роль у природі. Фотографії замороженої води. Заломлення зображення у ній.