Вода – необъяснимое творение природы. - Свойства воды - Каталог статей - Aquabionica: здоровье, красота, бизнес
Пятница, 28.10.2011, 07:23

Логин:
Пароль:
Контакты
Мини-чат
300

Каталог статей

Главная » Статьи » Свойства воды » стоимость купания в горячем источнике » » датчик температуры qam 21.20 описание

Вода – необъяснимое творение природы.

Вода в нашей жизни — самое обычное и самое распространенное вещество. Действительно, почти 3/4 поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой — снегом и льдом — покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров.

На каждого жителя Земли приходится приблизительно 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% — в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод. Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. В чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным.

Ее поведение в условиях изменения температуры, давления и других факторов существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение может быть объяснено исходя из самых общих физических принципов. К таким нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты). В чем же суть аномалий?

Аномалия плотности

Аномалия носит двоякий характер. Во-первых, после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при 4°С и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.

                

   Рис.1. Водородные связи  в молекуле H2O          Рис.2. Структура льда
        
Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2–4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.

Эти удивительные превращения возможны по той причине, что в твердой воде (лёд) атом кислорода каждой молекулы уча­ствует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры льда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноимён­ными полюсами. Молекулы образуют слои, причём каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, раз­меры которых несколько превышают размеры молекулы H2O.

При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жид­кой воде сохраняются водородные связи между молекулами: обра­зуются ассоциаты — как бы обломки структуры льда, — состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время: по­стоянно происходит разрушение одних и образование других агре­гатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды ста­новится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объём, занимаемый водой, уменьшается, а её плотность возрастает.

По мере нагревания воды, обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.

Что из этого следует. Если бы при понижении температуры и при переходе из жид­кого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более тёплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоём промерзал бы на всю его глубину. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°С, то перемещение ее слоёв, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлаждённый слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Удивительные свойства воды создают благоприятные возможности, своеобразный инкубатор и для сохранения жизни в водной среде в период отрицательных внешних температур.

Скорее всего, жизнь на земле в принципе бы не состоялась, имей вода стандартные для большинства других веществ характеристики зависимости плотности от температуры.

Аномалия сжижаемости

Необычное температурное поведение ее сжимаемости, т.е. степени уменьшения объема при увеличении давления.

Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется минимум при 45°С. На этих двух примерах мы видим, что необычные свойства воды характеризуются экстремальным поведением, то есть появлением максимумов (как в плотности) или минимумов (как в сжимаемости) на кривых их зависимостей от температуры. Такие экстремальные зависимости означают, что в воде имеет место противоборство двух процессов, каждый из которых обусловливает противоположное поведение рассматриваемого свойства.

Один процесс — это обычное тепловое движение, усиливающееся с ростом температуры и делающее воду (как и любую другую жидкость) более раз упорядоченной; другой процесс необычный, присущий только воде, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах. Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температуре.

Аномалия теплоемкости,
температур плавления и кипения

Сравнивая воду — гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической системы Д. И. Менделеева, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при –70°С, а замерзать при –90°С. Но в обычных условиях вода замерзает при 0°С и закипает при 100°С.

Особого внимания заслуживает тот факт, что в интервале от 0 до 37°С теплоемкость воды падает и только после 37°С начинает повышаться. Минимум теплоемкости воды соответствует температуре 36–39°С — нормальной температуре человеческого тела. Вряд ли это можно объяснить только случайным совпадением.

Такое резкое отклонение свойств воды от общих закономерностей объясняется наличием между разноименными полюсами биполярных молекул воды водородных связей. Именно ассоциированность молекул воды обуславливает аномально высокую теплоемкость воды и огромную величину теплоты ее парообразования. Вода также абсолютный рекордсмен по величине скачка теплоемкости в момент плавления льда. Таких характеристик не наблюдается ни у одного другого вещества в природе.

Таким образом, вода представляет собой уникальный по своим характеристикам теплоноситель — аккумулятор тепла, который сглаживает скачки температур, обусловленные неравномерностью инсоляции поверхности нашей планеты.

Именно вода во всех своих проявлениях создает на земле тот неповторимый умеренный климат, который только и мог стать колыбелью человечества.

Вода — универсальный растворитель

Вода имеет первостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности и биохимических. Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество.

Древнее положение алхимиков: «Тела не действуют, пока не растворены» — в значительной степени справедливо.

Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду — она всегда содержит растворенный материал сосуда. Вода химически не изменяется под действиям большинства тех соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде.

Эти уникальные свойства воды объясняются тем, что в отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены относительно друг друга так, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных — вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода — протонов.

Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай. Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде.

Под воздействием диполей воды, на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Именно этим объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

              

Таким образом, вода, являясь универсальным инертным растворителем, способна переносить по живому организму в достаточном количестве практически все необходимые для его жизнедеятельности вещества и молекулы. Вода с растворенными компонентами твердых веществ становится средой питания и поставщиком микроэлементов, необходимых для жизни растений, животных и человека.

Вся жизнь на земле построена на этом удивительном качестве воды. Не обладай вода этими свойствами в полной мере, жизни бы просто могло не состояться.

Аномалия поверхностного натяжения

Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием еще одно — ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20°С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку.

Свойства пленки определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердую опору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью не смачиваемых щетинок, а маленькие улитки (прудовики и катушки) ползают по ней в поисках добычи.

Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объема поверхность.

Вода  — незаменимый окислитель и катализатор

Вода — весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода. Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха.

Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так называемые гидраты газов. Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа («гостя») межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды («хозяина»); они называются соединениями включения или клатратами. В клатратных соединениях между молекулами «гостя» и «хозяина» образуются лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных затруднений, поэтому клатраты — неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких температурах.

Диаграмма состояния воды

Cамое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на нашей планете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невидимый глазу пар).

Рис.3. Диаграмма состояний воды в области низких давлений.

При давлении 1 атм вода замерзает при температуре 0, а кипит при 100°С. При повышении давления вдвое вода закипает при тем­пературе 120°С, а при понижении вдвое — при 81°С. Однако при уменьшении давления температура плавления льда (или замерзания воды) повышается.

Диаграмма состояний воды в области низких давлений представлена на рис. 3. Видно, что при низких давлениях вода может существовать только в виде льда или пара, а при высоких температурах — только в виде пара. Существуют также критические значения давления и температуры воды. При давлении свыше 22,1 атм. и тем­пературе свыше 374,4°С исчезает разница между жидкостью и паром — вода существует в газообразном состоянии.

Не удивительно ли, что на Земле значения давления и температуры атмосферы сложились таким образом, что именно при этих значениях вода присутствует на планете в жидком виде, обеспечивая развитие всех существующих форм жизни. Именно при этих параметрах происходит максимальное растворение в воде кислорода, необходимого для обеспечения жизни водных организмов, а пары воды в атмосфере создают оптимальный баланс влажности.

Таким образом, вода, несмотря на кажущуюся простоту и непритязательность, обладает целым рядом уникальных свойств, которые не могут пока получить адекватного объяснения в рамках традиционных представлений.

Источник: www.life.aquabionica.ru



Категория: Свойства воды | Добавил: Lwsja (02.11.2010)
Просмотров: 611 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0