Необычные свойства обычной воды

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

«Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь. Ты восполняешь нас радостью, которую не объяснишь нашими чувствами. С тобою возвращаются к нам силы, с которыми мы уже простились. По твоей милости в нас вновь начинают бурлить высохшие родники нашего сердца. » (Антуан де Сент Экзюпери).

Мало кто из нас задумывался над тем, что представляет собой вода. Она сопровождает нас повсюду и, кажется, нет ничего более обычного и простого. Однако это далеко не так. Многие поколения учёных изучают свойства воды. Совершенствуется научное оборудование и методы исследований, и на каждом этапе развития науки и техники открываются новые удивительные свойства воды. В настоящее время о воде известно очень много — наверное, в природе не существует химического соединения, о котором было бы накоплено больше научной информации, чем о воде. Несмотря на это можно с уверенностью говорить о том, что природа этого вещества ещё не познана до конца и нам предстоит узнать немало. Вода особенно интересна тем, что она является универсальным растворителем многих соединений и приобретает в растворах необычные свойства, которые и представляют первоочередной интерес для исследователей.

Вода — вещество привычное и необычное. Известный советский ученый академик И. В. Петрянов свою научно-популярную книгу о воде назвал «Самое необыкновенное вещество в мире». А доктор биологических наук Б. Ф. Сергеев начал свою книгу «Занимательная физиология» с главы о воде — «Вещество, которое создало нашу планету».

Ученые правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

Вода — единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях — жидком, твёрдом и газообразном.

Кроме того, вода — весьма распространенное на Земле вещество. Почти поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.

Её аномальные свойства обеспечивают условия для жизни на нашей планете. 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 °C и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0 °C. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4 °C, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры, При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/ (г·К)] Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

Вода как регулятор климата

Океаны и моря являются регуляторами климата в отдельных частях земного шара. Суть этого заключается не только в океанических течениях, которые переносят теплую воду из экваториальных районов в более холодные (течение Гольфстрим, а также Японское, Бразильское, Восточно-Австралийское), но и противоположные им холодные течения — Канарское, Калифорнийское, Перуанское, Лабрадорское, Бенгальское. Вода обладает очень высокой теплоемкостью. Для нагревания 1 м3 воды на 1° требуется энергия, которая позволяет нагреть на такую же температуру 3000 м3 воздуха. Естественно, что при охлаждении водоемов эта теплота передается в окружающее пространство. Поэтому в районах, прилегающих к морским бассейнам, редко бывают большие перепады температур воздуха в летнее и зимнее время. Водные массы сглаживают эти перепады — осенью и зимой вода подогревает воздух, а весной и летом охлаждает.

Другой важной функцией океанов и морей является регулирование содержания в атмосфере углекислого газа (диоксида углерода). Основную роль в регулировании содержания CO2 в атмосфере играют океаны. Между Мировым океаном и атмосферой Земли устанавливается равновесие: углекислый газ CO2 растворяется в воде, превращаясь в угольную кислоту H2CO3, и далее превращается в донные карбонатные осадки. Дело в том, что в морской воде содержатся ионы кальция и магния, которые с карбонатным ионом могут превращаться в малорастворимый карбонат кальция CaCO3 и магния MgCO3.

Трудно представить, какой была бы наша планета, если бы океаны не связывали атмосферный углекислый газ.

Одному зеленому покрову Земли невозможно было бы справиться с задачей удержания примерно на одном и том же уровне содержания CO2 в атмосфере. Подсчитано, что наземные растения для построения своего тела ежегодно потребляют из атмосферы 20 млрд. т CO2, а обитатели океанов и морей извлекают из воды 155 млрд. т в пересчете на CO2.

История изучения воды

То, что вода обладает уникальными свойствами, знали ещё в древности. Эта загадочность влекла (да и сейчас влечёт) к себе поэтов, художников, философов, ученых, всех людей, так как каждый человек немного (а иногда и много) поэт, художник, философ. Есть что-то такое, что заставило Фалеса из Милета сказать: адщс мЮн Ьтйуфпн — «воистину, вода лучше всего». Фалес был грек и жил на берегу моря. Когда сидишь у моря и смотришь на него, то кажется, что вот-вот раскроются самые сокровенные тайны мироздания.

Греческие мыслители считали воду одним из четырех элементов, из которых состоит все сущее. Конечно, вода Платона — не Н2О, изучаемая современной наукой. Это — некоторая абстракция. И не нужно искать аналогий между утверждением Платона, что частицы воды имеют форму икосаэдров, и додекаэдрической моделью Л. Полинга или теорией Дж. Бернала о строении жидкостей. Или серьезно считать, что слова Платона: «Что касается воды, то она делится, прежде всего, на два рода: жидкий и плавкий. Первый. содержит в себе исходные тела воды, которые малы и притом имеют разную величину… Второй род состоит из крупных и однородных тел…» — предвосхищают современные модели состояний воды. Древние учёные не занимались наукой в нашем понимании этого слова. Они не задавали вопросов природе. Они размышляли. Они придумали много интересного, но не смогли узнать, как устроен окружающий мир. Для этого надо не только и не столько выдвинуть теорию, но, что важнее, предложить способы ее проверки или опровержения. Нужно ставить эксперименты. Всерьез это стали делать только в XVI веке. На заре науки великий Декарт рассуждал о воде совсем еще в духе древних греков:

«Тогда частицы останавливаются в беспорядочном соединении, налагаясь друг на друга, и образуют твердое тело, именно лед. Таким образом, разницу между водой и льдом можно уподобить разнице между кучкой маленьких угрей, живых или мертвых, плавающих в рыбачьей лодке, через отверстия которой проходит колеблющая их вода, и кучкой тех же угрей, высохших и застывших от холода на берегу. Среди длинных и гладких частиц, из которых, как я сказал, состоит вода, большая часть сгибается или перестает сгибаться в зависимости от того, имеет ли материя, их окружающая, несколько больше или меньше силы, чем обычно. И когда частицы обыкновенной воды совсем перестают сгибаться, их наиболее естественный вид не таков, чтобы они были прямые, как тростинки, но многие из них искривлены различным образом, а поэтому они уже не могут поместиться в таком малом пространстве, как в том случае, когда разреженная материя, имея достаточно силы, чтобы их согнуть, заставляет их приспособить свои формы друг к другу». Как убедительно пишет мыслитель! Его уверенный тон не предполагает возражений. Как будто он заглянул внутрь воды и льда и подсмотрел, как устроены, расположены и движутся слагающие их частицы. И, кажется, ему и в голову не приходило, что можно предложить способ проверки нарисованной картины. Впрочем, тогда, разумеется, это было бы и невозможно.

Прошло полтора века. Лавуазье окончательно показал, что вода — не элемент (в современном понимании этого слова), а состоит из водорода и кислорода. Еще несколько десятилетий ушло на то, чтобы установить, что в воде на один атом кислорода приходится два атома водорода. Н2О. Эту формулу знают даже люди, очень далекие от естественных наук. Для многих — это единственная химическая формула, которую они могут написать и произнести… Со времен Лавуазье воду изучают непрерывно, всеми возможными способами. А число этих способов становится все больше и больше. Мы очень много знаем о воде. Но можем ли мы, как Декарт, спокойно, просто и уверенно рассказать, как она устроена и как движутся ее частицы? Современные методы исследования строения веществ позволили досконально изучить структуру воды во всех её агрегатных состояниях. Однако чем больше новых данных о воде было получено, тем больше новых загадок открывалось для исследователей.

Рис. 1. Рентгенограмма льда

Одно из величайших достижений науки XX века заключается в том, что люди научились отвечать на вопрос, как устроены кристаллы. В 1912 году известный физик-теоретик М. Лауэ вместе с коллегами В. Фридрих и П. Книппингу догадались, что дифракцию рентгеновских лучей можно применить для изучения их строения (рис. 1). Так был открыт рентгенофазовый анализ. Теперь мы знаем, как устроен кристалл твёрдой воды — льда. Атомы кислорода распределены во льду таким образом, что каждый из них окружен четырьмя другими на практически равных расстояниях, по вершинам правильного тетраэдра. Если центры атомов кислорода соединить палочками, то возникнет ажурный изящный тетраэдрический каркас. А атомы водорода? Они сидят на этих палочках по одному на каждой. Тут есть два места для атома водорода — вблизи (на расстоянии приблизительно 1Е) каждого из концов палочки, но занято бывает только одно из этих мест. Атомы водорода размещены так, что около каждого атома кислорода их оказывается по два, так что в кристалле можно выделить молекулы Н2О. Два атома водорода связаны с атомом кислорода так, что они образуют почти прямой угол, точнее, угол в 105 градусов. Если бы это был угол в 109 градусов, молекулы замерзшей воды соединились бы в кубическую решетку, подобную кристаллу алмаза. Но в этом случае такая структура была бы неустойчивой из-за нарушения связей. Строение молекул воды подтверждено и другими методами.

Строение жидкой воды будет рассмотрено ниже для объяснения некоторых аномальных свойств воды.

Необычные свойства воды

Тепловые свойства

При постепенном повышении температуры и сохраняющемся внешнем давлении вода последовательно переходит из одного фазового состояния в другое: лед — вода — пар.

Известно, что водяной пар при температурах 300 — 400 К имеет молярную теплоемкость (при постоянном объеме) СV = 3R? 25Дж/ (моль·К). Величина 3R соответствует теплоемкости идеального многоатомного газа, имеющего шесть кинетических степеней свободы — три поступательные и три вращательные. Это означает, что колебательные степени свободы самих молекул воды в этом диапазоне температур еще не включены. Естественно, что при более низких температурах они не включены тем более.

Удельная теплоемкость воды в жидком состоянии, равная 4200Дж/ (моль·К), соответствует молярной теплоемкости 75,9Дж/ (моль·К)? 9,12R. На один моль атомов (и кислорода, и водорода), входящих в состав жидкой воды, приходится около 3,04R — вода формально подчиняется закону Дюлонга и Пти для твердых тел, хотя и не является твердым телом. На это обстоятельство стоит обратить пристальное внимание!

Молярная теплоемкость льда при температуре 273К равна примерно 4,5R, т. е. вдвое меньше, чем для жидкой воды. Классическое объяснение теплоемкости твердых тел основано на предположении, что каждый атом в составе твердого тела имеет три колебательные степени свободы. Атомы не имеют вращательных степеней свободы, поэтому, в соответствии с правилом о равнораспределении энергии по степеням свободы, молярная теплоемкость атомов, входящих в состав твердого тела, равна 3R и не зависит от температуры. Это правило действительно выполняется при достаточно высоких температурах для большинства твердых тел и носит название закона Дюлонга и Пти.

С чем же связана такая высокая теплоемкость? Ответ лежит в межмолекулярных силах, связывающих молекулы воды в единое целое. Водород отличается от других элементов тем, что его атомы имеют лишь по одному электрону. Однако они могут соединяться с другими атомами не только с помощью своих электронов (валентные связи), но и привлекая своей свободной, положительно заряженной стороной электроны, других атомов. Это так называемая водородная связь. В воде связанные с каждым кислородным атомом два атома водорода в то же время могут быть сцеплены с другими атомами посредством водородных связей. Так молекулы Н2О соединяются друг с другом. Поэтому воду следует рассматривать не как совокупность отдельных молекул, но как единую их ассоциацию. На деле вся масса воды, содержащаяся в каком-либо сосуде — это одна молекула.

Водородные связи легко обнаруживаются при исследовании воды инфракрасным спектрометром.

Водородная связь, как мы установили, сильнее всего поглощает лучи с длиной волны около трех микронов (они расположены вблизи инфракрасной области теплового излучения, то есть рядом с видимой частью спектра). В жидком состоянии вода так сильно поглощает эти лучи, что если бы наши глаза воспринимали их, вода казалась бы нам черной, как смоль. Частично ею поглощаются и лучи красного конца видимого спектра; отсюда характерный голубой цвет воды.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим и объясняется высокая теплоемкость воды.

Рис. 2. Изменение температур плавления и кипения водородных соединений элементов VIA группы

Прочность связи водяных молекул ведет к тому, что у воды необычно высокие точки плавления и кипения (рис. 2).

Если определить температуру кипения гидрида кислорода по положению кислорода в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при восьмидесяти градусах ниже нуля. Значит, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения, наиболее обычное свойство воды, оказывается необычайным и удивительным.

Можно представить себе, что если бы наша вода потеряла вдруг способность образовывать сложные, ассоциированные молекулы, то она, вероятно, кипела бы при той температуре, какая ей положена в соответствии с периодическим законом. Океаны закипели бы, на Земле не осталось ни одной капли воды, а на небе никогда больше не появилось ни одного облачка.

Оказывается, что гидрид кислорода — по его положению в таблице Менделеева — должен затвердевать при ста градусах ниже нуля.

Вода — удивительное вещество, не подчиняющееся многим физико-химическим закономерностям, справедливым для других соединений, потому что взаимодействие ее молекул необычайно велико. Согласно расчетам, общая энергия водородных связей в одном моле воды эквивалентна 6 тысячам калорий. И требуется особенно интенсивное тепловое движение молекул, чтобы преодолеть это дополнительное притяжение. В этом — причина неожиданного и резкого повышения температур ее кипения и плавления.

Из всего сказанного следует, что температура плавления и кипения гидрида кислорода — его аномальные свойства. Следует, что в условиях нашей Земли жидкое и твердое состояние воды — также аномалии. Нормальным должно было быть только газообразное состояние.

Вязкость и поверхностное натяжение

Еще одна физическая величина, связанная со структурой воды, имеет особенную зависимость от температуры — это вязкость. В обычной, неассоциированной жидкости, скажем, такой, как бензин, молекулы свободно скользят одна вокруг другой. В воде же они скорее катятся, чем скользят. Так как молекулы соединены между собой водородными связями, то, прежде чем произойдет какое-либо смещение, нужно разорвать хотя бы одну из этих связей. Эта особенность и определяет вязкость воды.

Вязкость воды уменьшается при изменении температуры от 0 °C до 100 °C в семь раз, тогда как вязкости большинства жидкостей с неполярными молекулами, не имеющими, соответственно, водородных связей, уменьшаются при таком же изменении температур всего в два раза! Спирты, молекулы которых являются полярными, как и молекула воды, тоже изменяют вязкость в 5−10 раз при таком изменении температуры.

Исходя из оценки количества разорванных связей при нагревании воды от 0 °C до 100 °C (порядка 4%), следует признать, что подвижность воды и ее малая вязкость обеспечиваются весьма малой долей всех молекул.

У воды есть ещё одна замечательная особенность… Вода сама поднимается вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вверх по капиллярам сосудов деревьев. Сама движется вверх в порах промокательной бумаги или в волокнах полотенца. В очень тонких трубках вода может подняться на высоту нескольких метров…

Это объясняется её исключительно большим поверхностным натяжением. Силы молекулярного притяжения действуют на молекулу жидкости на её поверхности только в одну сторону, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэтому каждая молекула втягивается с поверхности внутрь жидкости. Возникает сила, стягивающая поверхность. У воды она особенно велика: поверхностное натяжение составляет 72 дины на сантиметр (0,073Н/м).

Эта сила и придаёт мыльному пузырю, падающей капле и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она поддерживает бегающих по поверхности пруда жуков, лапки которых водой не смачиваются. Она поднимает воду в почве, а стенки тонких пор и отверстий в ней, наоборот, хорошо смачиваются водой. Вряд ли вообще было бы возможно земледелие, если бы вода не обладала этой способностью.

Плотность

Как известно, вода при атмосферном давлении в диапазоне температур от 0 °C до 4 °C увеличивает свою плотность (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость плотности воды от температуры

По-видимому, при 0 °C в жидкой воде имеется очень много островков с сохранившейся структурой льда. Каждый из этих островков при дальнейшем увеличении температуры испытывает тепловое расширение, но одновременно с этим уменьшаются количество и размеры этих островков вследствие продолжающегося разрушения их структуры. При этом часть объема воды между островками имеет другой коэффициент расширения.

Способность воды расширяться при замерзании приносит много хлопот в быту и технике. Практически каждый человек был свидетелем того, что замерзшая вода разрывает стеклянную емкость, будь то бутылка или графин. Гораздо большую неприятность доставляет промерзание водопровода, так как при этом почти неизбежным результатом являются лопнувшие трубы. По этой же причине в предстоящую морозную ночь вода сливается из радиаторов охлаждения автомобильных двигателей.

Поскольку вода при замерзании увеличивается в объеме, то в соответствии с принципом Ле Шателье увеличение давления должно приводить к плавлению льда. Действительно, это наблюдается на практике. Хорошее скольжение коньков на льду обусловливается именно этим обстоятельством. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое и лед под коньком подплавляется.

Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образующийся лед в условиях повышенного давления плавится не при 0 °C, а при более высокой температуре. Так, лед, полученный при замерзании воды, которая находится под давлением 20 000 атм., в обычных условиях плавится только при 80 °C.

Диэлектрическая постоянная воды

Диэлектрической постоянной воды называется ее способность нейтрализовать притяжение, существующее между электрическими зарядами. Если, например, растворить в воде хлористый натрий (поваренную соль), то положительно заряженные ионы натрия и отрицательные ионы хлора отделяются друг от друга. Это разделение происходит потому, что у воды высокая диэлектрическая постоянная — выше, чем у любой другой известной нам жидкости. Она уменьшает силу взаимного притяжения между противоположно заряженными ионами в сто раз. Причину сильного нейтрализующего действия воды нужно искать в расположении ее молекул. Водородный атом в них не делит поровну свой электрон с тем атомом кислорода, к которому он прикреплен: этот электрон всегда ближе к кислороду, чем к водороду. Поэтому водородные атомы заряжены положительно, а кислородные — отрицательно. Когда какое-либо вещество, растворяясь, распадается на ионы, кислородные атомы притягиваются к положительным ионам, а водородные — к отрицательным. Молекулы воды, окружающие положительный ион, направляют к нему свои кислородные атомы, а молекулы, которые окружают отрицательный ион, устремляются к нему своими атомами водорода. Таким образом, молекулы воды образуют как бы решетку, которая отделяет ионы друг от друга и нейтрализует их. Вот почему вода так хорошо растворяет электролиты (вещества, которые диссоциируются на ионы), например, хлористый натрий.

Воду обычно считают хорошим проводником электричества. Всякий монтер знает, как опасно работать с проводами высокого напряжения, стоя на сырой земле. Но электропроводность воды — следствие того, что в ней растворены различные примеси. Всякую влажную поверхность можно считать хорошим проводником именно потому, что вода служит отличным растворителем для электролитов, в том числе для углекислоты воздуха. Чистая же вода (ее очень трудно сохранить чистой, так как для этого нужно изолировать воду от всякого контакта с воздухом и хранить в сосуде из инертного материала, скажем, кварца) — прекрасный изолятор. Так как атомы водорода и кислорода в молекуле воды электрически заряжены, они связаны друг с другом и потому не могут переносить заряды.

Капиллярная вода

Рис. 4. Вблизи введенного в стеклянный капилляр столбика жидкости (а) возникают как бы дочерние столбики (б)

В 1962 году доцент Костромского текстильного института Н. Н. Федякин обнаружил, что вблизи введенного в стеклянный капилляр столбика жидкости (воды, метилового спирта, уксусной кислоты) возникают как бы дочерние столбики, которые медленно растут, по мере того как убывает длина первичного столбика (рис. 4).

Этот удивительный рост вторичных столбиков можно было объяснить только пониженным давлением их пара по сравнению с первым столбиком. Следовательно, и другие свойства дочерних образований должны были заметно отличаться от материнских. Спустя некоторое время сотрудники отдела поверхностных явлений Института физической химии АН СССР занялись совместно с Н. Н. Федякиным широкими исследованиями этого интересного явления.

В термостатированной камере можно было создавать различную степень насыщенности водяными парами. Поэтому удалось точно установить, какая насыщенность камеры парами соответствует их равновесию со столбиками модифицированной воды. Степень насыщения оказалась равной 93−94 процентам. Было установлено, что эта цифра не зависит от радиуса капилляров. Отсюда был сделан вывод, что вновь рождающиеся дочерние столбики наделены аномальными свойствами во всем своем объеме независимо от их толщины и в целом представляют собой такое состояние жидкости, которое по свойствам резко отличается от нормального.

Действительно, пониженное давление насыщенного пара столбиков аномальной воды трудно понять, если не согласиться, что его причиной служит иная, модифицированная структура воды. Но ясно, что изменение структуры должно влиять и на другие свойства жидкости, в особенности на так называемые структурно-чувствительные свойства, к которым принадлежит, например, вязкость. Это и подтвердилось на самом деле: для модифицированной воды было зарегистрировано увеличение вязкости более чем в 15 раз.

Сравнительные исследования теплового расширения столбиков модифицированной и нормальной воды в интервале температур от — 100 до +50° С тоже дали исключительно важные результаты.

Известно, что длина столбика нормальной воды, как и вообще объем этой воды, достигает минимума при +4°С. Кристаллизуясь (после некоторого переохлаждения), вода превращается в лед нормальной плотности, который при нагревании плавится точно при 0 °C. Столбики же модифицированной воды, полученные при конденсации ненасыщенного пара, повели себя совершенно иначе.

Рис. 5

В чем заключалось отличие? Во-первых, минимум длины и, следовательно, максимум плотности оказался у них смещенным в область отрицательных температур (рис. 5).

Во-вторых, переход в твердое состояние обнаруживает у них мало общего с кристаллизацией обычной воды. При температуре около минус 30−50°С столбик мутнеет и испытывает скачкообразное удлинение. Однако это удлинение существенно меньше, чем при замерзании обычной воды (которое, кстати, не сопровождается помутнением).

После описанного скачка длина столбика полого меняется как при дальнейшем охлаждении, так и при нагревании на 10−20°. При более значительном повышении температуры длина столбика постепенно уменьшается по более крутой, но все же плавной зависимости. Одновременно микроскопическое наблюдение показывает, что картина помутнения как бы разрешается.

Становится отчетливо видно, что столбик модифицированной воды состоит из двух компонентов: он представляет собой капельки одной жидкости, распределенные в другой. Иными словами, перед нашими глазами предстает уникальная эмульсия воды в воде (рис. 6).

Теперь становится понятным, почему с повышением температуры исчезает помутнение: при нагревании капельки уменьшаются в размере, число их сокращается и, наконец, они полностью исчезают.

Рис. 6. Столбик аномальной воды при — 16,0°С

Наиболее интересным в наблюдениях нам показалось то, что, подвергая столбик модифицирован-ной воды медленному испарению, можно увеличивать степень ее аномальности, получать предельно-аномальную воду и, наоборот, приводя тот же столбик в контакт с нормальной водой или с пересыщенными парами, удается ослабить степень аномальности.

Рис. 7

Предельно-аномальная вода отличается в области положительных температур наибольшим коэффициентом расширения, который в несколько раз превышает средний коэффициент расширения обычной воды в том же температурном интервале (рис. 6). В то же время так и не удалось заметить, чтобы предельно-аномальная вода обнаруживала минимум объема при какой-нибудь температуре. Это напоминает поведение таких жидкостей, как стекло, спирт, способных при переохлаждении сразу застекловываться при соответствующем росте вязкости.

Кстати, предельно-аномальная вода уже при положительных температурах обладает вязкостью, значительно большей, чем у обычной воды. Существенная особенность предельно-аномальной воды состоит в том, что она не расслаивается на эмульсию «вода в воде» ни при каком охлаждении (вплоть до — 100° С). Следовательно, в этом случае модифи-цированная вода ведет себя как жидкость, имеющая в своем составе только один сорт молекул, но в противоположность нормальной воде она не обнаруживает никакой аномалии теплового расширения.

Память воды

Благодаря изобилию изотопов у водорода и кислорода, вода состоит из 33 разных веществ. При испарении природной воды состав меняется как по изотопному содержанию дейтерия, так и кислорода. Эти изменения изотопного состава пара очень хорошо изучены, и так же хорошо исследована их зависимость от температуры.

Недавно ученые поставили замечательный опыт. В Арктике, в толще огромного ледника на севере Гренландии, была заложена буровая скважина и высверлен и извлечен гигантский ледяной керн длиной почти полтора километра. На нем были отчетливо различимы годичные слои нараставшего льда. По всей длине керна эти слои были подвергнуты изотопному анализу, и по относительному содержанию тяжелых изотопов водорода и кислорода — дейтерия и были определены температуры образования годичных слоев льда на каждом участке керна. Дата образования годичного слоя определялась прямым отсчетом. Таким образом была восстановлена климатическая обстановка на Земле на протяжении тысячелетия. Вода все это сумела запомнить и записать в глубинных слоях гренландского ледника.

В результате изотопных анализов слоев льда была построена учеными кривая изменения климата на Земле. Оказалось, средняя температура у нас подвержена вековым колебаниям. Было очень холодно в XV веке, в конце XVII века и в начале XIX. Самые жаркие годы были 1550 и 1930.

Рис.8. Температурная кривая мезозоя-кайнозоя для южной половины Русской равнины

Кроме того, по пыльце растений, содержащейся в кернах высокой глубины, можно было определить видовой состав растительности того или иного периода истории Земли. По этому составу учёные восстановили климатические условия древней Земли (рис. 7).

То, что сохранила в памяти вода, полностью совпало с записями в исторических хрониках. Обнаруженная по изотопному составу льда периодичность изменения климата позволяет предсказывать среднюю температуру в будущем на нашей планете.

За последние годы в науке постепенно накопилось много поразительных и совершенно непонятных фактов. Одни из них установлены твердо, другие требуют количественного надежного подтверждения, и все они еще ждут своего объяснения.

Например, еще никто не знает, что происходит с водой, протекающей сквозь сильное магнитное поле. Физики-теоретики совершенно уверены, что ничего с ней при этом происходить не может и не происходит, подкрепляя свою убежденность вполне достоверными теоретическими расчетами, из которых следует, что после прекращения действия магнитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была. А опыт показывает, что она изменяется и становится другой.

Из обычной воды в паровом котле растворенные соли, выделяясь, отлагаются плотным и твердым, как камень, слоем на стенках котельных труб, а из омагниченной воды (так ее теперь стали называть в технике) выпадают в виде рыхлого осадка, взвешенного в воде. Вроде разница невелика. Но это зависит от точки зрения. По мнению работников тепловых электростанций, эта разница исключительно важна, так как омагниченная вода обеспечивает нормальную и бесперебойную работу гигантских электростанций: не зарастают стены труб паровых котлов, выше теплопередача, больше выработка электроэнергии. На многих тепловых станциях давно установлена магнитная подготовка воды, а как и почему она работает, не знают ни инженеры, ни ученые. Кроме того, на опыте подмечено, что после магнитной обработки воды в ней ускоряются процессы кристаллизации, растворения, адсорбции, изменяется смачивание. правда, во всех случаях эффекты невелики и трудно воспроизводимы. Действие магнитного поля на воду (обязательно быстротекущую) длится малые доли секунды, а «помнит» вода об этом десятки часов. Почему — неизвестно. В этом вопросе практика далеко опередила науку. Ведь даже неизвестно, на что именно действует магнитная обработка — на воду или на содержащиеся в ней примеси. Чистой-то воды ведь не бывает.

"Сухая" и "резиновая" вода

В еженедельнике «Wochenpost» (1966, № 50), издававшемся в ГДР, рассказывалось о том, что химикам завода «Рейнфельден» (Базель) удалось получить. сухую воду! Химик Курт Клейн, внесший решающий вклад в открытие сухой воды, сначала не мог найти слов для описания открытия. Потом он сделал следующее сравнение: «До сих пор сухой воды на Земле не было; может быть, она существует на каком-либо другом небесном теле. Впечатление такое, что Млечный путь опустился на Землю».

Сухая вода — похожий на муку порошок, который может висеть в воздухе, как табачный дым. Разумеется, это не чистая вода: столь необычные свойства ей придало небольшое количество гидрофобной, «водоотталкивающей» кремневой кислоты. В природе кремневая кислота встречается в гидрофильной форме. Из такой кислоты состоят, например, кварцы и некоторые полудрагоценные камни. Гидрофильную кремневую кислоту получают также синтетически и в больших количествах используют в химической промышленности. Гидрофобная кремневая кислота была получена несколько лет тому назад и также нашла широкое применение — в первую очередь, при производстве каучуков как вещество, усиливающее их естественные водоотталкивающие свойства.

И вот, когда исследователи встряхнули (совершенно случайно!) смесь из 90 процентов воды и 10 процентов гидрофобной кремневой кислоты, жидкая фаза совершенно неожиданно исчезла и образовался белый порошок — «сухая» вода. Этот порошок стабилен и может неограниченно долго храниться в контейнерах.

Образование «сухой» воды объясняется в указанной публикации следующим образом. Возникающие при встряхивании смеси воды с гидрофобной кремневой кислотой мельчайшие капли-шарики воды диаметром до 0,05 мм немедленно обволакиваются тончайшей «шубой» из молекул кислоты — и превращаются в частицы порошка.

И еще одно чрезвычайно интересное сообщение о воде было опубликовано в журнале «Wochenpost» (1967, № 2) со ссылкой на Союз химической промышленности ФРГ. В нем говорилось о синтезе на основе окиси этилена нового органического вещества, которое при добавлении к воде в пропорции один к миллиону вдвое увеличивает ее текучесть, уменьшая молекулярное трение.

Очень интересно сопоставить данные о свойствах «сверхтекучей» воды с открытием, сделанным аспирантом Калифорнийского технологического института Дэвидом Джеймсом. Им было установлено, что при растворении в обычной воде 0,5 процента полимера на основе окиси этилена образуется жидкость с необычайными свойствами: она продолжает вытекать из сосуда и после того, как тот возвращен из наклонного в нормальное (отверстием вверх) положение. Такая «резиновая» вода продолжает перетекать через край сосуда до тех пор, пока струю не перережут ножницами. Как на возможную причршу этого явления указывают на большую длину молекул полимера, переплетающихся в растворе и вытягивающихся из сосуда: вместе с ними из сосуда (как бы при помощи сифона)"вытягивается" и вода.

Случайно ли, что при получении «сверхтекучей» и «резиновой» воды основную роль играет добавка вещества на основе окиси этилена? Не связано ли свойство «сверхтекучести» с труднообъяснимой утечкой «резиновой» воды?

Эти свойства воды интересны не только с теоретической точки зрения. Они, несомненно, будут использованы в промышленности и технике. «Сухую» воду, например, можно применять во всех отраслях промышленности (пищевой, фармацевтической, косметической и др.), перерабатывающих порошки. Добавка только 0,5 процента «сухой» воды предотвращает их слеживание и комкование.

Нетрудно представить себе также технические и экономические выгоды, связанные с использованием свойств «сверхтекучей» воды. Быть может, при одинаковом сечении трубопроводов и каналов они смогут пропускать значительно большее количество воды, снизятся затраты энергии на ее транспортировку и т. д.

Опубликованные сведения о новых свойствах воды весьма кратки и неполны. Однако несомненно, что в этой области исследователей ждут новые большие открытия.

Заключение

Всем, конечно же приходилось разглядывать снежинки или ледяные узоры на окнах. Лед в этих случаях образуется непосредственно из пара.

При медленной конденсации водяных наров молекулы воды образуют почти плоскую структуру (кластер), которая имеет осевую симметрию шестого порядка, т. е. при повороте на 60° она переходит сам в себя. Поперечные размеры правильной снежинки отличаются во много раз, т. е. отношение диаметра снежинки к ее толщине может достигать нескольких десятков. Это отношение характеризует скорость роста снежинки в соответствующем направлении. При росте кристалла возможны разные способы (последовательности) заполнения энергетически выгодных позиций, что обеспечивает получение кристаллов (снежинок) разной формы. Реализация конкретного способа роста — случайное событие, поэтому совершенно одинаковые по форме снежинки встречаются крайне редко. Оценив количество возможных форм снежинок, получаем число вселенского масштаба — 101 000 000.

Условия конденсации пара и превращения его в лед на поверхности стекла отличаются от условий, при которых в воздухе образуются снежинки. Внутри помещения влажность воздуха обычно существенно меньше 100%, но вблизи холодной поверхности оконного стекла температура может оказаться гораздо ниже точки росы при данной концентрации молекул воды в воздухе. И на стекле появится лед.

Вид узора на поверхности стекла зависит от большого набора параметров. Перечислим некоторые из них: температура внутри помещения и температура снаружи, влажность воздуха в помещении, толщина стекла и загрязненность его поверхности, наличие и скорость воздушных потоков вблизи стекла (в частности, наличие или отсутствие щелей в оконной раме или трещин в стекле) и т. д.

свойство вода агрегатное состояние

Замечательные ледяные узоры часто образуются зимой на стеклах автобусов или троллейбусов. При этом слой льда может достигать нескольких миллиметров. Источником водяного пара является, разумеется, дыхание пассажиров. Сначала на поверхности стекла образуется водяная пленка толщиной в несколько диаметров молекул. Молекулы воды в ней испытывают сильное влияние молекул поверхности стекла. Хотя вода в пленке переохлаждена, но возможности для превращения воды в лед не возникает. По мере увеличения толщины пленки и уменьшения влияния молекул поверхности стекла в воде возникают центры кристаллизации. Рост кристаллов происходит во всевозможных направлениях, но самые большие кристаллы растут вдоль поверхности стекла. Скорости роста кристалла в различных направлениях тоже существенно различаются. Когда толщина ледяного панциря на стекле становится настолько большой, что отвод тепла наружу замедляется, кристаллы льда начинают расти в перпендикулярном стеклу направлении. Стекло как бы покрывается шубой из ледяных иголок.

С наступлением зимы легко убедиться в том, что снежинки действительно имеют разнообразные симметричные красивые формы. Сама снежинка, можно сказать, представляет собой застывший случайный процесс…

Совсем немного лет назад химики были уверены, что состав воды им хорошо известен. Но, однажды, одному исследователю пришлось измерить плотность остатка воды после электролиза. Плотность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной.

В науке нет ничего незначительного. Эта ничтожная разница потребовала объяснения. И в результате стало постепенно выясняться многое из того, о чем рассказано в этой статье.

А началось все с простого измерения самой обычной, будничной и неинтересной величины — плотность воды была измерена точнее на лишний десятичный знак".

Каждое новое, более точное измерение, каждый новый верный расчет не только повышает уверенность в знании и надежности уже добытого и известного, но и раздвигает границы неведомого и еще непознанного, прокладывает к ним новые пути.

Нет предела человеческому разуму, нет предела его возможностям; и то, что мы теперь так много знаем о природе и свойствах поистине самого необыкновенного в мире вещества — о воде, открывает еще большие возможности. Кто может сказать, что еще будет узнано, что открыто нового, еще более необычайного? Надо только уметь видеть и удивляться.

Вода, как и все в мире, неисчерпаема.

Список использованной литературы

1. Глинка Н. Л. Общая химия. — 24-е изд., испр. — Л.: Химия, 1985.

2. Кукушкин Ю. Н. Химия вокруг нас. — М.: Высшая школа, 1992.

3. Артур М. Басвел, Уорт Родебуш Вода — удивительное вещество // Наука и жизнь, № 9, 1956.

4. Петрянов И. В. Самое необыкновенное вещество // Химия и жизнь, № 3, 1965.

5. Рохлин М. И снова вода… // Химия и жизнь, № 12, 1967.

6. Дерягин Б. В. Новые превращения воды, которые удивляют всех // Химия и жизнь, № 5, 1968.

7. Маленков Е. Вода // Химия и жизнь, № 8, 1980.

8. Варламов С. Тепловые свойства воды // Квант, № 3, 2002.

9. Варламов С. Снежинки и ледяные узоры на стекле // Квант, № 5, 2002.

10. Петрянов-Соколов И. В. Самое необыкновенное вещество в мире // Химия и жизнь, № 1, 2007.

11. Пахомов М. М. Палеогеографические исследования эволюции растительности, климата, почв и ландшафтов // Материалы всероссийской научной школы для молодёжи (в 3 частях): «Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды». Ч.1 Лекции, Киров, 2009.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой