7. Аномалии воды

Химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее от других природных тел и химических аналогов (гидридов элементов 6 группы периодической системы Менделеева) и от других жидкостей. Эти особые свойства известны под названием аномалии воды.

Исследуя воду и, особенно ее водные растворы, ученые раз за разом убеждались, что вода обладает ненормальными -- аномальными свойствами, присущими только ей, ее Величеству -- Воде, подарившей нам Жизнь и возможность мыслить. Мы даже и не подозреваем, что столь привычные и естественные свойства воды в природе, в различных технологиях, наконец, в обыденной жизни нашей являются уникальными и неповторимыми.

Плотность

Для всей биосферы исключительна важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. Действительно, при переходе любой жидкости в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Да, для любой из необозримо разных жидкостей, но не воды. Вода здесь представляет исключение. При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +3,98°С. Затем, при дальнейшем снижении температуры до 0°С, вся вода замерзает и расширяется в объеме. В результате удельный вес льда становится меньше воды и лед плавает. Если бы лед не всплывал, а тонул, то все водоемы (реки, озера, моря) промерзли бы до дна, испарение бы резко сократилось, все пресноводные животные и растения погибли бы. Жизнь на Земле стала бы невозможной. Вода -- единственная жидкость на Земле, лед которой не тонет за счет того, что его объем на 1/11 больше объема воды.

Поверхностное натяжение

Благодаря тому, что круглые шарики воды очень упруги, идет дождь, выпадает роса. Что же это за удивительная сила, которая сохраняет капли росы, а поверхностный слой воды в любой лужице делает эластичным и относительно прочным?

Известно, что если стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то иголка не тонет. А ведь удельная масса металла значительно больше, чем у воды. Молекулы воды связаны силой поверхностного натяжения, которая позволяет им подниматься вверх по капиллярам, преодолевая силу земного притяжения. Без этого свойства воды жизнь на Земле была бы также невозможна.

Теплоемкость

Ни одно вещество в мире не поглощает и не отдает среде столько тепла, сколько вода. Теплоемкость воды в 10 раз больше теплоемкости стали и в 30 раз больше ртути. Вода сохраняет тепло на Земле.

С поверхности морей, океанов, суши испаряется за год 520000 кубических километров воды, которые, конденсируясь, отдают много тепла холодным и полярным регионам.

Вода в организме человека составляет 70-90%. от веса тела. Не обладай вода такой теплоемкостью, как сейчас, обмен веществ в теплокровных и холоднокровных организмах был бы невозможен.

Легче всего вода нагревается и быстрее всего охлаждается в своеобразной "температурной яме", соответствующей +37°С, температуре человеческого тела.

Есть ещё несколько аномальных свойств воды:

Ни одна жидкость не поглощает газы с такой жадностью, как вода. Но она их также легко отдает. Дождь растворяет в себе все ядовитые газы атмосферы. Вода - ее мощный природный фильтр, очищающий атмосферу от всех вредных и ядовитых газов. Еще одно удивительное свойство воды проявляется при воздействии на нее магнитного поля. Вода, подвергнутая магнитной обработке, меняет растворимость солей и скорость химических реакций.

Но самое удивительное свойство воды - это свойство практически универсального растворителя. И если какие-то вещества в ней не растворяются, то и это для жизни сыграло громадную роль в эволюции: скорее всего именно гидрофобным свойствам первичных биологических мембран и обязана жизнь своим появлением и развитием в водной среде.

Вода известная и неизвестная. Память воды

Бромная вода -- насыщенный раствор Br2 в воде (3,5% по массе Br2). Бромовая вода -- окислитель, бромирующий агент в аналитической химии. Аммиачная вода -- образуется при контакте сырого коксового газа с водой...

Вода как реагент и как среда для химического процесса (аномальные свойства воды)

Роль воды в нынешней науке и технике очень велика. Вот только часть областей применения воды. 1. В сельском хозяйстве для полива растений и питания животных 2. В химической промышленности для получения кислот, оснований, органических веществ. 3...

Вода, дарующая жизнь

Вода представляет собой важнейшее химическое соединение, определяющее возможность существования жизни на Земле. Ежедневное потребление человеком питьевой воды составляет в среднем около 2 л...

Водород - топливо будущего

Следующей проблемой, где невесомость вновь заявила о себе, стала проблема отвода образующейся в топливном элементе воды. Если ее не удалять, она покроет электрод пленкой и затруднит к нему доступ для газа...

Информационно-структурная память воды

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра...

Определение жесткости воды комплексонометрическим методом

Ввиду широкой распространенности кальция, соли его почти всегда содержатся в природной воде. Из природных солей кальция только гипс несколько растворим в воде, однако, если вода содержит диоксид углерода...

Расчет и подбор выпарной установки

Gв определяют из теплового баланса конденсатора: Gв=W3(hбк-cвtк)/cв(tk-tн), где hбк - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе; tн = 200С - начальная температура охлаждающей воды; Cв =4...

Расчет и проектирование двухкорпусной выпарной установки

Расход охлаждающей воды GВ определяют из теплового баланса конденсатора: , где IБК - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж?кг; tн - начальная температура охлаждающей воды, 0С...

Сорбционная очистка воды

В производстве устанавливается в зависимости от требований технологического процесса. Вода, используемая в производстве...

Сорбционная очистка воды

Для предупреждения развития бактериальных биологических обрастаний в теплообменных аппаратах, а также в трубопроводах рекомендуется периодически 3-4 раза в сутки применять хлорирование воды, продолжительностью каждого периода 40-60 минут...

Сорбционная очистка воды

Одним из наиболее распространенных видов кондицирования воды является её умягчение. Первым промышленным способом устранения солей жесткости был содово-известковый...

Сульфат кальция, кристаллогидрат и безводная соль

Удивительное вещество - вода

Гидроломгия -- наука, изучающая природные воды, их взаимодействие с атмосферой и литосферой, а также явления и процессы, в них протекающие (испарение, замерзание и т. п.). Предметом изучения гидрологии являются все виды вод гидросферы в океанах...

Одно из объяснений аномалии плотности воды заключается в том, что ей приписывается тенденция к ассоциации ее молекул, которые образуют различные группы [ Н2О, (Н2О) 2, (Н2О) 3 ], удельный объем которых

различен при разных температурах различны и концентрации этих групп, следовательно, различен и их общий удельный объем.

Первое из них означает, что аномалии плотности, возникающие благодаря движению, не создают потока теплачерез нижнюю гращу. На верхней границе плотность задается, а на берегу (х 0) нормальная компонента горизонтального потока тепла считается равной нулю. Скорости и и и на берегу должны обращаться в нуль в силу условий непротекания и прилипания. Приближение гидростатики, однако так сильно упрощает динамику, что условие прилипания для и; не может быть выполнено.

Для третичных и вторичных спиртов характерна аномалия плотности паров при высоких температурах (определение по В. Третичные спирты (до Cj2) дают при температуре кипения нафталина (218е) лишь половинное значение молекулярного веса, вследствие их разложения на воду и алкилены; вторичные спирты (до С9) проявляют такую же аномалию, но.

Положительный знак работы приходится относить за счет аномалии плотности воды.

Если, как утверждает Гребе а, работы Сент-Клер Девиля способствовали, с одной стороны, объяснению замеченных аномалий плотностей паров и тем самым, хотя и косвенно, подтверждали теорию Авогадро, то, с другой

стороны, эти работы послужили стимулом для изучения химического сродства, поскольку способствовали выяснению природы определенных реакций.

Для воды уравнение (64) дает правильные результаты до температуры 4, так как она, как известно, имеет аномалию плотности. При 4 плотность воды наибольшая, ниже 4 наблюдается сложное распределение плотности, не учитываемое этим уравнением.

В силу (8.3.56) параметр X является мерой отношения (L / LH) 2 и неравенство (8.3.19 а) означает просто, что аномалии плотности, создаваемые даижением, перемешиваются на масштабе, малом по сравнению с L.

При наличии основной стратификации положительный ротор касательного напряжения ветра и связанное с ним вертикальное движение во внутренней области создают во всей этой области положительную аномалию плотности, к которой добавляется аномалия плотности из-за притока тепла на поверхности.

Если связи внутри полиэдров много сильнее, чем между полиэдрами, то только эти последние будут разупорядочены в расплаве, так что в расплаве будут существовать единицы в виде полиэдров. Некоторые аномалии плотности в жидких сплавах А1 - Fe, видимо, поддерживают эту гипотезу.

Формулировка задачи на устойчивость такого основного состояния будет дана для случая зонального течения в атмосфере. Случай океана может рассматриваться как частный случай задачи для атмосферы во всем, что касается формулировки проблемы и получается простой заменой стандартного профиля плотности ps (z) постоянным значением плотности и заменой аномалии атмосферной потенциальной температуры в аномалией океанской плотности, взятой со знаком минус.

Повышение давления смещает максимальную плотность воды в сторону более низких температур. Так, при 50 атм максимальная плотность наблюдается около О С. Выше 2000 атм аномалия плотности воды исчезает.

Таким образом, в широком интервале температур наиболее энергетически устойчивое соединение водорода и кислорода - вода. Она образует на Земле океаны, моря, льды, пары и туман, в большом количестве содержится в атмосфере, в толщах пород вода представлена капиллярной и кристаллогидратной формами. Такая распространенность и необычность свойств (аномалия плотности воды и льда, полярность молекул, способность к электролитической диссоциации, к образованию гидратов, растворов и др.)

делают воду активным химическим агентом, по отношению к которому обычно рассматривают свойства большого числа других соединений.

Жидкости, как правило, заметно расширяются при нагревании. У некоторых веществ (например, у воды) имеет место характерная аномалия в значениях изобарного коэффициента расширения. При более высоких давлениях максимум плотности (минимум удельного объема) сдвигается в сторону меньших температур, а при давлениях выше 23 МПа аномалия плотности у воды исчезает.

Эта оценка обнадеживает, поскольку величина Ба находится в неплохом соответствии с наблюдаемой глубиной термоклина, которая изменяется от 800 м в средних широтах до 200 м в тропической и полярной зонах. Так как глубина 50 значительно меньше глубины океана, представляется разумным рассматривать термоклин как пограничный слой; в соответствии с этим при постановке граничного условия на нижней границе можно считать, что температура на глубинах, больших БО, асимптотически стремится к некоторому горизонтально однородному распределению. Поскольку масштаб г уже равен D, удобно перенести начало координат на поверхность и измерять г от поверхности океана. Таким образом, при z - - аномалия плотности должна затухать, а идолжна стремиться к неизвестному пока асимптотическому значению, точно так же как вертикальная скорость, создаваемая на нижней границе экмановского слоя, не может быть задана априори.

Постоянные УП должны определяться из условий на граище. В гидростатическом слое вследствие больших градиентов плотности, создаваемых вертикальным движением (Ла S / Е) ус намного превосходит vj по величине. Вместе с тем v должно удовлетворять условию прилипания при f х О. Vn равны нулю и, следовательно, сам. Указанная трудность разрешается, если вспомнить, что во внутренней области вертикальное перемешивание плотности уравновешивает эффект вертикального движения, а в гидростат тическом слое аномалия плотности, создаваемая вертикальным движением, балансируется только эффектом горизонтального перемешивания. Таким образом, должна существовать промежуточная область между внутренней областью и гидростатическим слоем, в которой вертикальная и горизонтальная диффузии одинаково важны. Как показывает (8.3.20), эта область имеет горизонтальный масштаб Lff, так что рассчитанное с этим масштабом А равно единице.

Как известно, вода, при нагревании от нулевой температуры, сжимается, достигая наименьшего объема и, соответственно, наибольшей плотности при температуре 4 С. Исследователи из Техасского университета предложили объяснение, в котором учитывается не только взаимодействие ближайших молекул воды, но и более удаленных. Во всех 10-ти известных формах льда и в воде взаимодействие ближайших молекул происходит одинаковым образом. Иначе обстоит дело со взаимодействием более удаленных молекул. В жидкой фазе, в том интервале температур, где имеется аномалия плотности, более устойчивым является состояние с большей плотностью. Кривая зависимости плотности от температуры, которую ученые рассчитали, похожа на ту, что наблюдается для воды.

Чистая вода прозрачна и бесцветна. Она не имеет ни запаха, ни вкуса. Вкус и запах воде придают растворенные в ней примесные вещества. Многие физические свойства и характер их изменения у чистой воды аномальны. Это относится к температурам плавления и кипения, энтальпиям и энтропиям этих процессов. Аномален и температурный ход изменения плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Выше и ниже этой температуры плотность воды уменьшается. При отвердевании происходит дальнейшее резкое уменьшение плотности, поэтому объем льда на 10 % больше равного по массе объема воды при той же температуре. Все указанные аномалии объясняются структурными изменениями воды, связанными с возникновением и разрушением межмолекулярных водородных связей при изменении температуры и фазовых переходах. Аномалия плотности воды имеет огромное значение для жизни живых существ, населяющих замерзающие водоемы. Поверхностные слои воды при температуре ниже 4 С не опускаются на дно, поскольку при охлаждении они становятся более легкими. Поэтому верхние слои воды могут затвердевать, в то время как в глубинах водоемов сохраняется температура 4 С. В этих условиях жизнь продолжается.

«Вода – это жизнь» - это высказывание мы знаем с детства, но не всегда придаем значение тому, что нас окружает постоянно, без чего мы не можем обойтись.

А Вы знаете, что такое “ВОДА” ?

“Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое”.

Антуан де Сент-Экзюпери.

Сначала я приведу несколько примеров из истории, чтобы Вы поняли, что этот вопрос не такой уж и простой!

Согласно хроникам, в 1472 году аббат Карл Гастинстингс был по ложному доносу схвачен и допрошен по делу о наведении болезни на некую уважаемую женщину. Заключённому в темницу аббату каждый день давали лишь кусок сухого хлеба и ковш гнилой зловонной воды. Через 40 дней тюремщик заметил, что за это время преподобный Карл не только не потерял, но казалось, приобрёл здоровье и силу, что только убедило инквизиторов в связи аббата с нечистой силой. Позже, под жестокими пытками Карл Гастинстингс сознался, что над гнилой водой, которую ему приносили он читал молитву, благодаря Господа за ниспосланные ему испытания. После чего вода становилась мягкой на вкус, свежей и прозрачной.

В истории известны случаи изменения структуры воды посредством воздействия мысли. К примеру, зимой 1881 года корабль «Лара» следовал рейсом из Ливерпуля в Сан-Франциско. На третий день пути на корабле начался пожар. Среди покинувших судно был капитан Нейл Кери. Потерпевшие бедствие стали испытывать муки жажды, которые возрастали с каждым часом. Потом, когда они после мучительного скитания по морю благополучно достигли берега, капитан, человек весьма трезвого отношения к действительности в следующих словах описал то, что спасло их: «Мы мечтали о пресной воде. Мы стали воображать, как вода вокруг шлюпки из голубой морской превращается в зеленоватую пресную. Я собрался с силами и зачерпнул её. Когда я попробовал, она оказалась пресной».

Кратко о воде с точки зрения биохимии

Вода – наиболее распространенное на Земле вещество. Ее количество достигает 1018 тонн, и она покрывает приблизительно четыре пятых земной поверхности. Вода занимает 70% поверхности Земли. Столько же (70%) её в организме человека. Эмбрион почти целиком (95%) состоит из воды, в теле новорожденного её – 75%. Лишь в старости количество воды в организме человека – 60%.. Это единственное химическое соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого вещества (лед) и газа (пары воды). Вода играет жизненно важную роль в промышленности, и быту; она совершенно необходима для поддержания жизни. Из 1018 т воды на Земле на пресную воду приходятся всего лишь 3%, из которых 80% недоступны для использования, поскольку представляют собой лед, образующий полярные шапки. Пресная вода оказывается доступной человеку в результате участия в гидрологическом цикле, или круговороте воды в природе. Ежегодно в круговорот воды, в результате ее испарения и выпадения осадков в виде дождя или снега, вовлекается приблизительно 500 000 км 3 воды. По теоретическим подсчетам максимальное количество пресной воды, доступное для использования, составляет приблизительно 40 000 км 3 в год. Речь идет о той воде, которая стекает с поверхности земли в моря и океаны.

Свойства воды уникальны. Прозрачная жидкость без запаха, вкуса и цвета (молекулярная масса – 18,0160, плотность – 1 г/см 3 ; уникальный растворитель, способна окислять почти все металлы и разрушать твёрдые горные породы). Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см 3 , а более 1,8 г/см 3 .

Сферические капли воды имеют наименьшую (оптимальную) поверхность объёма. Поверхностное натяжение равно 72,75 дин/см. Удельная теплоёмкость воды выше, чем у большинства веществ. Вода поглощает большое количество теплоты, при этом мало нагреваясь.

Второе важное доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояла в том, что в отличие от других жидкостей вода – это было уже известно – обладает сильным электрическим моментом, составляющим ее дипольную структуру. Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.

Структура воды в живом организме во многом напоминает структуру кристаллической решетки льда. И именно этим объясняются сейчас уникальные свойства талой воды, долгое время сохраняющей структуру льда. Талая вода гораздо легче обычной вступает в реакцию с различными веществами, и организму не надо тратить добавочную энергию на перестройку ее структуры.

В жидком виде связи соседних молекул воды образуют непостоянные и быстротечные структуры. В замёрзшем виде каждая молекула льда жёстко связана с четырьмя другими.

Доктором биологический наук С.В.Зениным были обнаружены стабильные долгоживущие кластеры воды. Оказалось, что вода представляет собой иерархию правильных объёмных структур. В основе, которых лежат кристаллоподобные образования, состоящие из 57 молекул. А это приводит к появлению структур более высокого порядка в виде шестигранников, состоящих из 912 молекул воды. Свойства кластеров зависят от соотношения выступающих на поверхность кислорода с водородом. Конфигурация реагирует на любое внешнее воздействие и примеси. Между гранями элементов кластеров действуют кулоновские силы притяжения. Это позволяет рассматривать структурированное состояние воды в виде особой информационной матрицы.

Неразгаданные свойства воды

Вода всегда представляла собой большую загадку для человеческого ума. Много непостижимого нашему разуму остается еще в свойствах и действиях воды. Наблюдая за текущим или струящимся потоком воды, человек может снимать свое нервное и психическое напряжение. Чем это вызвано? Насколько известно, вода не содержит никаких веществ, способных дать такой эффект. Ученые утверждают, что вода обладает способностью принимать и передавать любую информацию, сохраняя ее в неприкосновенности. В воде растворено прошлое, настоящее, будущее. Эти свойства воды широко использовались и используются в магии и целительстве. До сих пор еще существуют народные целители и целительницы, «нашептывающие на воду», излечивающие этим болезни. Текущая вода постоянно забирает энергию Космоса и в чистом виде отдает ее в окружающее околоземное пространство, где она поглощается всеми живыми организмами, располагающимися в пределах досягаемости потока, поскольку образованное текущей водой биополе постоянно увеличивается за счет отдаваемой энергии. Чем быстрее движется водный поток, тем сильнее это поле. Под воздействием этой силы происходит выравнивание энергетической оболочки живых организмов, закрываются «пробои» в невидимой простому человеку оболочке тела (ауре), организм исцеляется.

Аномальные свойства воды

Первое аномальное свойство воды – аномалия точек кипения и замерзания: Если бы вода – гидрид кислорода – Н 2 О была бы нормальным мономолекулярным соединением, таким, например, как ее аналоги по шестой группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева гидрид серы Н 2 S, гидрид селена Н 2 Se, гидрид теллура Н 2 Те, то в жCидком состоянии вода существовала бы в диапазоне от минус 90 o С до минус 70 o С. При таких свойствах воды жизни на Земле не существовало бы.

“Ненормальные” температуры плавления и кипения воды далеко не единственная аномальность воды. Для всей биосферы исключительно важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность. Это вторая аномалия воды, которая именуется аномалией плотности. На это особое свойство воды впервые обратил внимание еще Г. Галилей. При переходе любой жидкости (кроме галлия и висмута) в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Любой жидкости, но не воды. Вода и здесь представляет собой исключение. При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, она уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +4°С (точнее до +3,98°С). Именно при температуре +3,98°С вода имеет наибольшую плотность и наименьший объем. Дальнейшее охлаждение воды постепенно приводит уже не к уменьшению, а к увеличению объема. Плавность этого процесса вдруг прерывается и при 0°С происходит резкий скачок увеличения объема почти на 10%! В это мгновение вода превращается в лед. Уникальная особенность поведения воды при охлаждении и образовании льда играет исключительно важную роль в природе и жизни. Именно эта особенность воды предохраняет от сплошного промерзания в зимний период все водоемы земли – реки, озера, моря и тем самым спасает жизнь.

В отличие от пресной воды морская вода при охлаждении ведет себя иначе. Замерзает она не при 0°С, а при минус 1,8-2,1°С – в зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Имеет максимальную плотность не при + 4°С, а при -3,5°С. Таким образом она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание в пресных водоемах прекращается при охлаждении всей массы воды до +4°С, то в морской воде вертикальная циркуляция происходит даже при температуре ниже 0°С. Процесс обмена между верхними и нижними слоями идет непрерывно, создавая благоприятные условия для развития животных и растительных организмов.

Все термодинамические свойства воды заметно или резко отличаются от других веществ.

Наиболее важная из них – аномалия удельной теплоемкости. Аномально высокая теплоемкость воды делает моря и океаны гигантским регулятором температуры нашей планеты, в результате чего не происходит резкого перепада температур зимой и летом, днем и ночью. Континенты, расположенные вблизи морей и океанов, обладают мягким климатом, где перепады температуры в различные времена года бывают незначительными.

Мощные атмосферные потоки, содержащие огромное количество теплоты, поглощенное в процессе парообразования, гигантские океанические течения играют исключительную роль в создании погоды на нашей планете.

Аномалия теплоёмкости заключается в следующем:
При нагревании любого вещества теплоемкость неизменно повышается. Да, любого вещества, но не воды. Вода – исключение, она и здесь не упускает возможности быть оригинальной: с повышением температуры изменение теплоемкости воды аномально; от 0 до 37°С она понижается и только от 37 до 100°С теплоемкость все время растет. В пределах температур, близких к 37°С, теплоемкость воды минимальна. Именно эти температуры – область температур человеческого тела, область нашей жизни. Физика воды в области температур 35-41°С (пределы возможных, нормально протекающих физиологических процессов в организме человека) констатирует вероятность достижения уникального состояния воды, когда массы кристаллической и объемной воды равны друг другу и способность одной структуры переходить в другую максимальная. Это замечательное свойство воды предопределяет равную вероятность течения обратимых и необратимых биохимических реакций в организме человека и обеспечивает “легкое управление” ими.

Общеизвестна исключительная способность воды растворять любые вещества. И здесь вода демонстрирует необычные для жидкости аномалии, и в первую очередь аномалии диэлектрической постоянной воды . Это связано с тем, что ее диэлектрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость) очень велика и составляет 81, в то время как для других жидкостей она не превышает 10. В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия двух заряженных частиц в воде будет в 81 раз меньше, чем, например, в воздухе, где эта характеристика равна единице. В этом случае прочность внутримолекулярных связей уменьшается в 81 раз и под действием теплового движения молекулы диссоциируют с образованием ионов. Необходимо отметить, что из-за исключительной способности растворять другие вещества вода никогда не бывает идеально чистой.

Следует упомянуть еще об одном удивительной аномалии воды – исключительно высоком поверхностном натяжении. Из всех известных жидкостей только ртуть имеет более высокое поверхностное натяжение. Это свойство проявляется в том, что вода всегда стремится сократить свою поверхность. Некомпенсированные межмолекулярные силы наружного (поверхностного) слоя воды, вызванные квантовомеханическими причинами, создают внешнюю упругую пленку. Благодаря пленке многие предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду. Если, например, стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, то иголка не тонет. А ведь удельный вес стали почти в восемь раз больше удельного веса воды. Всем известна форма капли воды. Высокое поверхностное натяжение позволяет воде иметь шарообразную форму при свободном падении.

Поверхностное натяжение и смачивание являются основой особых свойств воды и водных растворов, названого – капиллярностью. Капиллярность имеет огромное значение для жизни растительного, животного мира, формирования структур природных минералов и плодородия земли. В каналах, которые во много раз уже человеческого волоса, вода приобретает удивительные свойства. Она становится более вязкой, уплотняется в 1,5 раза, а замерзает при минус 80-70°С.

Причиной сверханомальности капиллярной воды являются межмолекулярные взаимодействия, тайны которых еще далеко не раскрыты.

Ученым и специалистам известна так называемая поровая вода . В виде тончайшей пленки она устилает поверхность пор и микрополостей пород и минералов земной коры и других объектов живой и неживой природы. Связанная межмолекулярными силами с поверхностью других тел, эта вода, как и капиллярная вода, обладает особой структурой.

Таким образом, аномальные и специфические свойства воды играют ключевую роль в ее многообразном взаимодействии с живой и неживой природой. Все эти необычные особенности свойств воды настолько “удачны” для всего живого, что делает воду незаменимой основой существования жизни на Земле.

АНОМАЛИИ ВОДЫ

Среди необозримого множества веществ вода занимает совершенно особое место. И это надо понимать буквально. Почти все физико-химические свойства воды - исключение в природе: она действительно самое удивительное вещество на свете. Удивительное не только многообразием изотопных форм молекулы и не только надеждами, которые связаны с ней как с источником энергии будущего. Она удивительна своими самыми обычными свойствами.

Не будем ставить под сомнение закон. Вода - редчайшее, и, может быть, уникальное исключение из правил. Пожалуй, нет вещества более удивительного и загадочного, чем обыкновенная вода. Но объяснить до конца причины этого пока не удается, хотя понятно, что загадки воды спрятаны в строении ее молекулы и межмолекулярной структуре.

То, что обычная вода представляет собой еще весьма плохо изученное вещество, объясняется не только сложностью и неопределенностью ее структуры, но и тем, что это жидкое вещество. Значительно легче, нежели жидкое, исследовать твердое вещество или газ, так как в первом молекулы четко упорядочены, а во втором - они слабо взаимодействуют и обладают большой свободой передвижения. Ответа на вопрос: почему существуют две формы конденсированного из газа состояния вещества - жидкое и твердое, - близкие по плотности и энергии межмолекулярного взаимодействия и колоссально отличающиеся по кинетике межмолекулярного взаимодействия, пока еще нет. Не создано теорий, которые адекватно описывали бы жидкое состояние. Не разработана также теория плавления - перехода от порядка к беспорядку в системах с близкими плотностями и энергиями межмолекулярного взаимодействия. Поэтому, например, лед изучен лучше, чем вода. Не получена в лабораториях и абсолютно чистая вода , ее свойства до сих пор остаются загадкой.

По многим свойствам вода является особым, уникальным веществом, не входящим в границы общих закономерностей, известных для других соединений. Приведем ряд примеров.

Температуры кипения и плавления воды при атмосферном давлении – 100 и 0°С. Данные рис. 1.6 для гидридных соединений аналогов кислорода в VI группе периодической системы указывают на резкий рост этих параметров у воды.

Рис. 1.6. Точки кипения и замерзания водородных соединений группы кислорода

Очень высоки значения скрытой теплоты плавления и испарения воды: 333 · 103 и 2259 · 103 Дж/кг. Самая высокая из всех жидкостей удельная теплоемкость воды и диэлектрическая постоянная (81 Д), т. е. сила взаимодействия разноименных зарядов в воде уменьшается по сравнению с вакуумом в 81 раз. Это определяет диссоциацию электролитов на ионы в водных растворах кислот, солей и щелочей. Этим же объясняется переход растворенных веществ в осадок при испарении воды. У многих других растворителей диэлектрическая постоянная много ниже (10 – 50), а у апротонных неполярных жидкостей (бензол, масла), не растворяющих электролиты, она не более 3.

Все соединения обладают максимальной плотностью в точке плавления. Вода и здесь ведет себя особо: ее наибольшая плотность отвечает 4°С. При дальнейшем охлаждении и нагревании она снижается, т.е. на кривой ρ = f (t °) наблюдается максимум при этой t°. Лед имеет плотность 0,918 г/см3 и не тонет в своем расплаве, т. е. в жидкой воде.

Существуют и другие физические проявления аномалий свойств воды – удельной электропроводности, поверхностного натяжения, теплопроводности и т.д.

Одной из главных причин аномальных свойств воды является наличие водородных связей между ионами Н+ и О2– разных молекул воды. Эти связи приводят к появлению в воде ассоциатов в виде цепей и колец, схематически представленных на рис. 1.7. Шестимолекулярные кольца с наименее плотной упаковкой близки к структуре льда, а двух- и четырехмолекулярные, с наиболее плотной упаковкой, – к структуре воды. Отдельные элементы этой структуры находятся в подвижном равновесии и их число с нагреванием уменьшается (рис. 1.8).

Рис. 1.7. Виды ассоциатов молекул в жидкой воде (по X. С. Френку и В. Вину)

Рис. 1.8. Доля структурированных молекул в зависимости от температуры воды

Высокая энергоемкость воды также обусловлена наличием водородных связей и, как результат, – аномально высокие t кип., t пл., скрытые теплоты плавления и парообразования, а также удельная теплоемкость воды – самая высокая из всех жидкостей, при этом у льда и пара она вдвое меньше.

Так как структурирование в жидкой воде происходит на основе сил электростатического взаимодействия, состояние воды и ее свойства изменяются в различных физических полях – температурном, электрическом, магнитном, при давлении. На этом основана активация воды (до 400°С и 100 МПа), борьба с накипью в паровых котлах и трубах в теплоэнергетике, на транспорте, в буровом деле. Омагничивание воды широко используют для ускорения твердения и повышения прочности и стойкости цемента, бетона, технического гипса, кирпича.