7. شذوذات المياه

يحتوي الماء النقي كيميائيًا على عدد من الخصائص التي تميزه بشكل حاد عن الأجسام الطبيعية الأخرى ونظائرها الكيميائية (هيدريدات عناصر المجموعة 6 من نظام مندليف الدوري) وعن السوائل الأخرى. تُعرف هذه الخصائص الخاصة باسم شذوذات المياه.

من خلال دراسة الماء، وخاصة محاليله المائية، اقتنع العلماء مرارًا وتكرارًا بأن الماء له خصائص غير طبيعية - شاذة متأصلة فيه فقط، صاحبة الجلالة - الماء الذي أعطانا الحياة والقدرة على التفكير. نحن لا نشك حتى في أن مثل هذه الخصائص المألوفة والطبيعية للمياه في الطبيعة، وفي التقنيات المختلفة، وفي النهاية في حياتنا اليومية، فريدة ولا تضاهى.

كثافة

بالنسبة للمحيط الحيوي بأكمله، فإن إحدى السمات المهمة للغاية للمياه هي قدرتها على زيادة حجمها بدلاً من تقليله عند تجميدها، أي. تقليل الكثافة. في الواقع، عندما يتحول أي سائل إلى حالة صلبة، فإن الجزيئات تكون أقرب إلى بعضها البعض، والمادة نفسها، التي تتناقص في الحجم، تصبح أكثر كثافة. نعم، بالنسبة لأي من السوائل المختلفة إلى حد كبير، ولكن ليس الماء. الماء استثناء هنا. عند التبريد، يتصرف الماء في البداية مثل السوائل الأخرى: يصبح أكثر كثافة تدريجيا، ويقلل حجمه. يمكن ملاحظة هذه الظاهرة حتى +3.98 درجة مئوية. وبعد ذلك، مع انخفاض درجة الحرارة إلى 0 درجة مئوية، يتجمد كل الماء ويتوسع حجمه. ونتيجة لذلك، تصبح الجاذبية النوعية للجليد أقل من الماء ويطفو الجليد. إذا لم يطفو الجليد بل غرق، فإن جميع المسطحات المائية (الأنهار والبحيرات والبحار) سوف تتجمد إلى القاع، وسوف ينخفض ​​​​التبخر بشكل حاد، وسوف تموت جميع حيوانات ونباتات المياه العذبة. الحياة على الأرض سوف تصبح مستحيلة. الماء هو السائل الوحيد على الأرض الذي لا يغوص الجليد فيه لأن حجمه أكبر بنسبة 1/11 من حجم الماء.

التوتر السطحي

نظرًا لأن كرات الماء المستديرة مرنة جدًا، فإنها تمطر ويتساقط الندى. ما هي هذه القوة المذهلة التي تحافظ على قطرات الندى وتجعل الطبقة السطحية من الماء في أي بركة مرنة ومتينة نسبيا؟

ومن المعروف أنه إذا تم وضع إبرة فولاذية بعناية على سطح الماء المسكوب في الصحن، فإن الإبرة لا تغرق. لكن الوزن النوعي للمعدن أكبر بكثير من وزن الماء. ترتبط جزيئات الماء بقوة التوتر السطحي، مما يسمح لها بالارتفاع إلى أعلى الشعيرات الدموية، متغلبة على قوة الجاذبية. وبدون خاصية الماء هذه، ستكون الحياة على الأرض مستحيلة أيضًا.

السعة الحرارية

لا توجد مادة في العالم تمتص أو تطلق نفس القدر من الحرارة إلى البيئة مثل الماء. تبلغ السعة الحرارية للماء 10 مرات أكبر من السعة الحرارية للفولاذ و30 مرة أكبر من الزئبق. يحتفظ الماء بالحرارة على الأرض.

يتبخر من سطح البحار والمحيطات واليابسة 520 ألف كيلومتر مكعب من الماء سنويًا، والذي عند تكثيفه يعطي حرارة كبيرة للمناطق الباردة والقطبية.

يشكل الماء في جسم الإنسان 70-90%. من وزن الجسم. إذا لم يكن للماء مثل هذه القدرة الحرارية كما هو الحال الآن، فإن عملية التمثيل الغذائي في الكائنات ذات الدم الدافئ والبارد ستكون مستحيلة.

يسخن الماء بسهولة أكبر ويبرد بسرعة أكبر في ما يشبه "حفرة درجة الحرارة" المقابلة لـ +37 درجة مئوية، وهي درجة حرارة جسم الإنسان.

هناك العديد من الخصائص الشاذة للمياه:

لا يوجد سائل يمتص الغازات بشراهة مثل الماء. لكنها أيضًا تتخلى عنهم بسهولة. يذيب المطر جميع الغازات السامة الموجودة في الغلاف الجوي. فالماء هو مرشحه الطبيعي القوي، حيث ينقي الجو من كافة الغازات الضارة والسامة. تظهر خاصية مذهلة أخرى للمياه عندما تتعرض لمجال مغناطيسي. الماء الخاضع للمعالجة المغناطيسية يغير ذوبان الأملاح ومعدل التفاعلات الكيميائية.

لكن الخاصية المدهشة للمياه هي خاصية المذيب العالمي تقريبًا. وإذا لم تذوب بعض المواد فيه، فقد لعب هذا أيضًا دورًا كبيرًا في تطور الحياة: على الأرجح، تدين الحياة بمظهرها وتطورها في البيئة المائية بالخصائص الكارهة للماء للأغشية البيولوجية الأولية.

الماء معروف وغير معروف. ذاكرة الماء

ماء البروم هو محلول مشبع من Br2 في الماء (3.5% بالوزن Br2). يعتبر ماء البروم عامل مؤكسد، وهو عامل برومة في الكيمياء التحليلية. يتكون ماء الأمونيا عندما يتلامس غاز فرن فحم الكوك الخام مع الماء...

الماء ككاشف وكوسيط لعملية كيميائية (خصائص الماء الشاذة)

دور المياه في العلوم والتكنولوجيا الحديثة عظيم جدا. فيما يلي بعض المناطق التي يمكن استخدام المياه فيها. 1. في الزراعة لسقي النباتات وتغذية الحيوانات 2. في الصناعة الكيميائية لإنتاج الأحماض والقواعد والمواد العضوية. 3...

الماء الذي يعطي الحياة

الماء هو أهم مركب كيميائي يحدد إمكانية الحياة على الأرض. متوسط ​​استهلاك الإنسان اليومي من مياه الشرب حوالي 2 لتر..

الهيدروجين - وقود المستقبل

المشكلة التالية التي أعاد فيها انعدام الوزن تأكيد نفسه كانت مشكلة تصريف الماء المتكون في خلية الوقود. إذا لم تتم إزالته، فإنه سيغطي القطب بغشاء ويجعل من الصعب على الغاز الوصول إليه...

الذاكرة المعلوماتية الهيكلية للمياه

جزيء الماء عبارة عن ثنائي قطب صغير يحتوي على شحنات موجبة وسالبة عند قطبيه. وبما أن كتلة وشحنة نواة الأكسجين أكبر من كتلة نواة الهيدروجين، فإن السحابة الإلكترونية تنجذب نحو نواة الأكسجين...

تحديد صلابة الماء باستخدام الطريقة المعقدة

ونظرًا لانتشار الكالسيوم على نطاق واسع، فإن أملاحه توجد دائمًا تقريبًا في المياه الطبيعية. من أملاح الكالسيوم الطبيعية، الجبس فقط هو الذي يذوب في الماء إلى حد ما، ولكن إذا كان الماء يحتوي على ثاني أكسيد الكربون...

حساب واختيار محطة التبخير

يتم تحديد Gv من التوازن الحراري للمكثف: Gv=W3(hbk-svtk)/cv(tk-tn)، حيث hbk هو المحتوى الحراري للبخار في المكثف البارومتري؛ طن = 200 درجة مئوية - درجة الحرارة الأولية لمياه التبريد؛ السيرة الذاتية = 4...

حساب وتصميم محطة التبخير ذات التأثير المزدوج

يتم تحديد معدل تدفق ماء التبريد GВ من التوازن الحراري للمكثف: حيث IБК هو المحتوى الحراري للبخار في المكثف البارومتري، J؟kg؛ tн - درجة الحرارة الأولية لمياه التبريد، 0 درجة مئوية...

تنقية المياه الامتصاصية

يتم تثبيته في الإنتاج وفقًا لمتطلبات العملية التكنولوجية. المياه المستخدمة في الإنتاج ...

تنقية المياه الامتصاصية

لمنع تطور التلوث البيولوجي البكتيري في المبادلات الحرارية، وكذلك في خطوط الأنابيب، يوصى باستخدام كلورة الماء بشكل دوري 3-4 مرات في اليوم، كل فترة تستمر 40-60 دقيقة...

تنقية المياه الامتصاصية

أحد أكثر أنواع تكييف المياه شيوعًا هو تليينها. أول طريقة صناعية لإزالة أملاح العسر هي الجير الصودا...

كبريتات الكالسيوم وهيدرات الكريستال والملح اللامائي

مادة مذهلة - الماء

الهيدرولوجيا هو العلم الذي يدرس المياه الطبيعية وتفاعلها مع الغلاف الجوي والغلاف الصخري، وكذلك الظواهر والعمليات التي تحدث فيها (التبخر والتجميد وما إلى ذلك). موضوع دراسة الهيدرولوجيا هو جميع أنواع مياه الغلاف المائي في المحيطات...

أحد التفسيرات للشذوذ في كثافة الماء هو أنه يعزى إلى ميل جزيئاته إلى الارتباط، والتي تشكل مجموعات مختلفة [H2O، (H2O) 2، (H2O) 3]، حجمها المحدد

تختلف عند درجات حرارة مختلفة وتركيزات هذه المجموعات مختلفة، وبالتالي فإن إجمالي حجمها النوعي يختلف.

الأول يعني أن شذوذات الكثافة الناتجة عن الحركة لا تخلق تدفقًا حراريًا عبر البستان السفلي. عند الحد العلوي يتم تحديد الكثافة، وعند الشاطئ (× 0) يعتبر المكون الطبيعي للتدفق الحراري الأفقي مساوياً للصفر. يجب أن تختفي السرعات و و و على الشاطئ بسبب ظروف عدم التدفق والالتصاق. ومع ذلك، فإن التقريب الهيدروستاتيكي يبسط الديناميكيات لدرجة أن حالة عدم الانزلاق لـ و؛ لا يمكن أن تكتمل.

تتميز الكحولات الثلاثية والثانوية بوجود شذوذ في كثافة البخار عند درجات حرارة عالية (التقدير وفقًا لـ B. الكحولات الثلاثية (حتى Cj2) تعطي فقط نصف الوزن الجزيئي عند نقطة غليان النفثالين (218e) بسبب تحللها في الماء والألكيلينات والكحولات الثانوية (حتى C9 ) تظهر نفس الحالة الشاذة، ولكن.

يجب أن تعزى الإشارة الإيجابية للعمل إلى الشذوذ في كثافة الماء.

إذا كان عمل سانت كلير ديفيل، كما يدعي جريبي، قد ساهم، من ناحية، في تفسير الحالات الشاذة الملحوظة في كثافات البخار وبالتالي، ولو بشكل غير مباشر، تأكيد نظرية أفوجادرو، فمن ناحية أخرى،

ومن ناحية أخرى، كانت هذه الأعمال بمثابة حافز لدراسة الألفة الكيميائية، حيث ساهمت في توضيح طبيعة بعض التفاعلات.

بالنسبة للمياه فإن المعادلة (64) تعطي نتائج صحيحة حتى درجة حرارة 4 حيث أنه معروف بوجود شذوذ في الكثافة. عند 4، تكون كثافة الماء أكبر، وأقل من 4، يلاحظ توزيع كثافة معقد، وهو ما لا يؤخذ في الاعتبار في هذه المعادلة.

وبحكم (8.3.56) فإن المعلمة X هي مقياس للنسبة (L / LH) 2 وعدم المساواة (8.3.19 a) تعني ببساطة أن شذوذات الكثافة الناتجة عن الضغط مختلطة على نطاق صغير مقارنة بـ (8.3.56) ل.

في ظل وجود طبقات أساسية، فإن الدوار الإيجابي لإجهاد الرياح القصية والحركة العمودية المرتبطة بها في المنطقة الداخلية يخلق شذوذ كثافة موجبة في جميع أنحاء تلك المنطقة، والذي يضاف إليه شذوذ الكثافة بسبب اكتساب الحرارة على السطح.

إذا كانت الروابط داخل متعددات الوجوه أقوى بكثير من الروابط بين متعددات الوجوه، فإن هذه الأخيرة فقط هي التي ستضطرب في المصهور، بحيث توجد وحدات على شكل متعددات الوجوه في المصهور. يبدو أن بعض الحالات الشاذة في الكثافة في سبائك الحديد السائل تدعم هذه الفرضية.

سيتم تقديم صياغة مشكلة استقرار مثل هذه الحالة الأرضية في حالة التدفق النطاقي في الغلاف الجوي. يمكن اعتبار حالة المحيط حالة خاصة لمشكلة الغلاف الجوي من جميع النواحي لصياغة المشكلة ويتم الحصول عليها ببساطة عن طريق استبدال ملف تعريف الكثافة القياسي ps (z) بقيمة ثابتة للكثافة واستبدال شذوذ درجة الحرارة المحتملة للغلاف الجوي في شذوذ كثافة المحيط، مأخوذة بعلامة ناقص.

يؤدي الضغط المتزايد إلى إزاحة الكثافة القصوى للماء نحو درجات حرارة أقل. وبالتالي، عند 50 ضغط جوي، يتم ملاحظة الحد الأقصى للكثافة عند حوالي 0 درجة مئوية. وفوق 2000 ضغط جوي، تختفي شذوذ كثافة الماء.

وهكذا، على مدى واسع من درجات الحرارة، فإن المركب الأكثر استقرارًا من حيث الطاقة بين الهيدروجين والأكسجين هو الماء. يشكل المحيطات والبحار والجليد والبخار والضباب على الأرض، ويوجد بكميات كبيرة في الغلاف الجوي، وفي الطبقات الصخرية يتمثل الماء على شكل هيدرات شعرية وبلورية. مثل هذا الانتشار والخصائص غير العادية (الشذوذ في كثافة الماء والجليد، قطبية الجزيئات، والقدرة على التفكك الكهربائي، وتكوين الهيدرات، والمحاليل، وما إلى ذلك)

جعل الماء عاملاً كيميائيًا نشطًا، حيث يتم عادةً أخذ خصائص عدد كبير من المركبات الأخرى في الاعتبار.

تميل السوائل إلى التمدد بشكل ملحوظ عند تسخينها. بعض المواد (على سبيل المثال، الماء) لها شذوذ مميز في قيم معامل التمدد متساوي الضغط. عند الضغوط الأعلى، تتحول الكثافة القصوى (أدنى حجم محدد) نحو درجات حرارة أقل، وعند الضغوط الأعلى من 23 ميجاباسكال، تختفي شذوذ الكثافة في الماء.

وهذا التقدير مشجع لأن قيمة Ba تتفق جيدًا مع عمق الخط الحراري المرصود، والذي يتراوح من 800 متر في خطوط العرض الوسطى إلى 200 متر في المناطق الاستوائية والقطبية. وبما أن العمق 50 أقل بكثير من عمق المحيط، فيبدو من المعقول اعتبار الخط الحراري بمثابة طبقة حدودية؛ وفقًا لهذا، عند تحديد الشرط الحدودي عند الحد الأدنى، يمكننا أن نفترض أن درجة الحرارة عند أعماق أكبر من BO تميل بشكل مقارب إلى توزيع متجانس أفقيًا. نظرًا لأن مقياس z يساوي بالفعل D، فمن الملائم نقل نقطة الأصل إلى السطح وقياس z من سطح المحيط. وبالتالي، عند z - - يجب أن تتحلل شذوذ الكثافة ويجب أن تميل إلى قيمة مقاربة غير معروفة حتى الآن، تمامًا كما لا يمكن تحديد السرعة العمودية التي تم إنشاؤها عند الحد السفلي لطبقة إيكمان مسبقًا.

وينبغي تحديد استخدام المستعمل الدائم استناداً إلى الظروف السائدة على أرض الواقع. في الطبقة الهيدروستاتيكية، نظرًا لتدرجات الكثافة الكبيرة الناتجة عن الحركة العمودية (La S / E)، تكون y أكبر بكثير من vj من حيث الحجم. وفي الوقت نفسه، يجب أن يحقق v شرط عدم الانزلاق لـ f x O. Vn يساوي الصفر، وبالتالي نفسه. يتم حل هذه الصعوبة إذا تذكرنا أنه في المنطقة الداخلية، يوازن الخلط الرأسي للكثافة تأثير الحركة الرأسية، وفي الطبقة الهيدروستاتيكية، لا يتم موازنة شذوذ الكثافة الناتج عن الحركة الرأسية إلا بتأثير الخلط الأفقي. وبالتالي، يجب أن تكون هناك منطقة وسطية بين المنطقة الداخلية والطبقة الهيدروستاتيكية، حيث يكون الانتشار الرأسي والأفقي على نفس القدر من الأهمية. وكما يظهر (8.3.20)، فإن هذه المنطقة لها مقياس أفقي Lff، بحيث A المحسوبة بهذا المقياس تساوي الوحدة.

كما هو معروف، فإن الماء عند تسخينه من درجة حرارة الصفر ينكمش، ليصل إلى أصغر حجم له، وبالتالي إلى أعلى كثافته عند درجة حرارة 4 مئوية. وقد اقترح باحثون من جامعة تكساس تفسيرا لا يأخذ في الاعتبار التفاعل فقط من جزيئات الماء القريبة، ولكن أيضًا من الجزيئات البعيدة. في جميع الأشكال العشرة المعروفة من الجليد والماء، يحدث تفاعل الجزيئات القريبة بنفس الطريقة. يختلف الوضع مع تفاعل الجزيئات البعيدة. في الطور السائل، في نطاق درجة الحرارة حيث يوجد شذوذ في الكثافة، تكون الحالة ذات الكثافة الأعلى أكثر استقرارًا. يشبه منحنى الكثافة ودرجة الحرارة الذي حسبه العلماء ذلك الذي لوحظ بالنسبة للمياه.

الماء النقي شفاف وعديم اللون. ليس لها رائحة ولا طعم. ويكتسب طعم الماء ورائحته من النجاسات المذابة فيه. تعتبر العديد من الخصائص الفيزيائية وطبيعة تغيراتها في الماء النقي شاذة. يشير هذا إلى درجات حرارة الانصهار والغليان والمحتوى الحراري والانتروبيا لهذه العمليات. إن التغير في درجات الحرارة في التغير في كثافة الماء هو أيضًا أمر شاذ. تبلغ كثافة الماء أقصى كثافة عند 4 درجات مئوية. وإذا تجاوزت درجة الحرارة هذه وتحتها، تقل كثافة الماء. أثناء التصلب، يحدث انخفاض حاد آخر في الكثافة، وبالتالي يكون حجم الجليد أكبر بنسبة 10% من نفس حجم الماء عند نفس درجة الحرارة. يتم تفسير كل هذه الحالات الشاذة من خلال التغيرات الهيكلية في الماء المرتبطة بتكوين وتدمير روابط الهيدروجين بين الجزيئات مع التغيرات في درجات الحرارة وانتقالات الطور. وللشذوذ في كثافة الماء أهمية كبيرة في حياة الكائنات الحية التي تسكن المسطحات المائية المتجمدة. عند درجات حرارة أقل من 4 درجات مئوية، لا تغوص الطبقات السطحية من الماء إلى القاع، لأنها تصبح أخف وزنا عند تبريدها. ولذلك يمكن أن تتصلب الطبقات العليا من الماء، بينما تظل درجة الحرارة في أعماق الخزانات عند 4 درجات مئوية. وفي ظل هذه الظروف تستمر الحياة.

"الماء هو الحياة" - عرفنا هذا القول منذ الصغر، لكننا لا نعلق دائمًا أهمية على ما يحيط بنا باستمرار، والذي لا يمكننا الاستغناء عنه.

هل تعرف ما هو "الماء"؟

"الماء، ليس لك طعم، ولا لون، ولا رائحة، لا يمكن وصفك، يستمتعون بك دون أن يعرفوا ما أنت."

أنطوان دو سانت إكزوبيري.

أولاً، سأقدم بعض الأمثلة من التاريخ حتى تفهم أن هذا السؤال ليس بهذه البساطة!

وفقًا للسجلات، في عام 1472، تم القبض على الأباتي تشارلز هاستينغز واستجوابه على أساس إدانة كاذبة لتسببه في مرض امرأة محترمة. لم يُمنح رئيس الدير المسجون سوى قطعة من الخبز الجاف ومغرفة من الماء الفاسد النتن كل يوم. بعد 40 يومًا، لاحظ السجان أنه خلال هذا الوقت لم يخسر الراهب تشارلز فحسب، بل بدا أنه اكتسب الصحة والقوة، الأمر الذي أقنع المحققين فقط بعلاقة رئيس الدير بالأرواح الشريرة. في وقت لاحق، تحت التعذيب الشديد، اعترف كارل هاستينغز أنه على الماء الفاسد، الذي تم إحضاره إليه، قرأ الصلاة، شاكرا الرب على الاختبارات التي أرسلت إليه. وبعد ذلك أصبح الماء لين الطعم، عذبا وصافيا.

هناك حالات معروفة في التاريخ لتغيير بنية الماء من خلال تأثير الفكر. على سبيل المثال، في شتاء عام 1881، كانت السفينة لارا في رحلة من ليفربول إلى سان فرانسيسكو. وفي اليوم الثالث من الرحلة اندلع حريق في السفينة. ومن بين الذين غادروا السفينة الكابتن نيل كاري. بدأ المنكوبون يشعرون بآلام العطش التي كانت تزداد مع مرور كل ساعة. وبعد ذلك، بعد رحلة مؤلمة عبر البحر، وصلوا بأمان إلى الشاطئ، وصف القبطان، وهو رجل ذو موقف رصين للغاية تجاه الواقع، بالكلمات التالية ما أنقذهم: "لقد حلمنا بالمياه العذبة. بدأنا نتخيل كيف تحولت المياه المحيطة بالقارب من البحر الأزرق إلى اللون الأخضر المنعش. لقد استجمعت قوتي والتقطتها. عندما حاولت ذلك، كان لطيفا."

باختصار عن الماء من وجهة نظر كيميائية حيوية

الماء هو المادة الأكثر وفرة على وجه الأرض. وتصل كميته إلى 1018 طناً، ويغطي حوالي أربعة أخماس سطح الأرض. يشغل الماء 70% من سطح الأرض. وتوجد نفس الكمية (70%) في جسم الإنسان. يتكون الجنين بالكامل تقريبًا (95%) من الماء، بينما يشكل الماء في جسم المولود الجديد 75%. فقط في سن الشيخوخة تصل كمية الماء في جسم الإنسان إلى 60%، وهذا هو المركب الكيميائي الوحيد الذي يوجد في الظروف الطبيعية على شكل سائل وصلب (ثلج) وغاز (بخار ماء). تلعب المياه دوراً حيوياً في الصناعة والحياة اليومية؛ فمن الضروري للغاية للحفاظ على الحياة. من بين 1018 طنًا من المياه على الأرض، 3% فقط مياه عذبة، و80% منها غير صالحة للاستعمال لأن الجليد هو الذي يشكل القمم القطبية. تتوفر المياه العذبة للإنسان نتيجة مشاركته في الدورة الهيدرولوجية، أو دورة المياه في الطبيعة. في كل عام، يدخل حوالي 500.000 كيلومتر مكعب من المياه في دورة المياه نتيجة تبخرها وهطولها على شكل أمطار أو ثلوج. ومن الناحية النظرية، يبلغ الحد الأقصى لكمية المياه العذبة المتاحة للاستخدام حوالي 40.000 كيلومتر مكعب سنويًا. نحن نتحدث عن المياه التي تتدفق من سطح الأرض إلى البحار والمحيطات.

خصائص الماء فريدة من نوعها. سائل شفاف، عديم الرائحة، لا طعم له ولا لون (الوزن الجزيئي - 18.0160، الكثافة - 1 جم / سم 3؛ مذيب فريد من نوعه، قادر على أكسدة جميع المعادن تقريبًا وتدمير الصخور الصلبة). محاولات تخيل الماء كسائل مرتبط بتعبئة كثيفة من جزيئات الماء، مثل كرات أي حاوية، لم تتوافق مع البيانات الواقعية الأولية. وفي هذه الحالة يجب ألا تكون الكثافة النوعية للماء 1 جم/سم3، بل أكثر من 1.8 جم/سم3.

تتمتع قطرات الماء الكروية بأصغر سطح (الأمثل) من حيث الحجم. التوتر السطحي 72.75 داين/ سم . السعة الحرارية النوعية للماء أعلى من تلك الخاصة بمعظم المواد. يمتص الماء كمية كبيرة من الحرارة، بينما يسخن قليلاً.

الدليل المهم الثاني لصالح البنية الخاصة لجزيء الماء هو أنه، على عكس السوائل الأخرى، يتمتع الماء - وهذا معروف بالفعل - بعزم كهربائي قوي، وهو ما يشكل بنيته ثنائية القطب. لذلك، كان من المستحيل تصور وجود لحظة كهربائية قوية جدًا لجزيء الماء في بنية متناظرة من ذرتين هيدروجين نسبة إلى ذرة أكسجين، مما يضع جميع الذرات الموجودة فيه في خط مستقيم، أي. عدم.

يشبه هيكل الماء في الكائن الحي من نواحٍ عديدة بنية الشبكة البلورية للجليد. وهذا ما يفسر الآن الخصائص الفريدة للمياه الذائبة، والتي تحافظ على بنية الجليد لفترة طويلة. يتفاعل الماء الذائب مع مواد مختلفة بسهولة أكبر بكثير من الماء العادي، ولا يحتاج الجسم إلى إنفاق طاقة إضافية على إعادة هيكلة بنيته.

وفي الحالة السائلة، تشكل روابط جزيئات الماء المجاورة هياكل غير مستقرة وعابرة. عند التجميد، يرتبط كل جزيء ثلج بإحكام بأربعة جزيئات أخرى.

دكتور في العلوم البيولوجية S. V. اكتشف زينين مجموعات مائية مستقرة طويلة العمر. اتضح أن الماء عبارة عن تسلسل هرمي للهياكل الحجمية المنتظمة. وهي تعتمد على تكوينات تشبه البلورات تتكون من 57 جزيئا. وهذا يؤدي إلى ظهور هياكل ذات ترتيب أعلى على شكل أشكال سداسية تتكون من 912 جزيء ماء. تعتمد خصائص العناقيد على نسبة الأكسجين والهيدروجين البارزين إلى السطح. يتفاعل التكوين مع أي تأثير خارجي وشوائب. تعمل قوى كولوم الجذابة بين وجوه العناصر العنقودية. وهذا يسمح لنا بالنظر في الحالة المنظمة للمياه في شكل مصفوفة معلومات خاصة.

خصائص الماء التي لم يتم حلها

لقد كان الماء دائمًا لغزًا كبيرًا للعقل البشري. يبقى الكثير غير مفهوم لعقولنا فيما يتعلق بخصائص الماء وأفعاله. ومن خلال مشاهدة مجرى الماء المتدفق أو المتدفق، يمكن للإنسان أن يخفف من ضغوطه العصبية والعقلي. ما الذي يسبب هذا؟ ومن المعروف أن الماء لا يحتوي على أي مواد يمكن أن تعطي مثل هذا التأثير. يدعي العلماء أن الماء لديه القدرة على استقبال ونقل أي معلومات، والحفاظ عليها سليمة. الماضي والحاضر والمستقبل يذوب في الماء. وقد استخدمت خصائص الماء هذه على نطاق واسع في السحر والشفاء. لا يزال هناك معالجون ومعالجون تقليديون "يهمسون في الماء" وبالتالي يعالجون الأمراض. تستهلك المياه المتدفقة باستمرار طاقة الكون وتطلقها في شكلها النقي إلى الفضاء المحيط القريب من الأرض، حيث تمتصها جميع الكائنات الحية الموجودة في متناول التدفق، حيث أن المجال الحيوي الذي يتكون من المياه المتدفقة يتزايد باستمرار بسبب الطاقة المنطلقة. كلما تحرك تدفق المياه بشكل أسرع، كلما كان هذا المجال أقوى. تحت تأثير هذه القوة، تتم محاذاة غلاف الطاقة للكائنات الحية، ويتم إغلاق "الانهيارات" في غلاف الجسم (الهالة) غير المرئية للأشخاص العاديين، ويتم شفاء الجسم.

خصائص غير طبيعية للمياه

الخاصية الشاذة الأولى للمياه هي شذوذ نقطة الغليان والتجمد: إذا كان الماء - هيدريد الأكسجين - H 2 O مركبًا عاديًا أحادي الجزيء، مثل نظائره في المجموعة السادسة من الجدول الدوري للعناصر D.I. مندليف هيدريد الكبريت H 2 S، هيدريد السيلينيوم H 2 Se، هيدريد التيلوريوم H 2 Te، ثم في الحالة السائلة سيكون الماء موجودًا في نطاق من 90 درجة مئوية تحت الصفر إلى 70 درجة مئوية تحت الصفر. لن تكون موجودة.

إن درجات حرارة ذوبان وغليان الماء "غير الطبيعية" ليست هي الحالات الشاذة الوحيدة في الماء. بالنسبة للمحيط الحيوي بأكمله، فهو مهم للغاية من السمات الخاصة للماء قدرته على زيادة حجمه بدلاً من تقليله عند التجميد، أي. تقليل الكثافة. وهذا هو الشذوذ المائي الثاني، والذي يسمى شذوذ الكثافة. تم ملاحظة هذه الخاصية الخاصة للمياه لأول مرة بواسطة G. Galileo. عندما يتحول أي سائل (باستثناء الغاليوم والبزموت) إلى حالة صلبة، فإن الجزيئات تكون أقرب إلى بعضها البعض، وتصبح المادة نفسها، التي تتناقص في الحجم، أكثر كثافة. أي سائل، ولكن ليس الماء. الماء استثناء هنا أيضًا. عند التبريد، يتصرف الماء في البداية مثل السوائل الأخرى: يصبح أكثر كثافة تدريجيا، ويقلل حجمه. يمكن ملاحظة هذه الظاهرة حتى +4 درجة مئوية (بشكل أكثر دقة حتى +3.98 درجة مئوية). عند درجة حرارة +3.98 درجة مئوية يكون للماء أعلى كثافة وأصغر حجم. مزيد من تبريد الماء تدريجيا لا يؤدي إلى انخفاض، ولكن إلى زيادة في الحجم. تنقطع سلاسة هذه العملية فجأة وعند درجة حرارة 0 درجة مئوية هناك قفزة حادة في زيادة الحجم بنسبة 10٪ تقريبًا! في هذه اللحظة يتحول الماء إلى جليد. يلعب السلوك الفريد للمياه أثناء التبريد وتكوين الجليد دورًا مهمًا للغاية في الطبيعة والحياة. هذه الميزة للمياه هي التي تحمي جميع المسطحات المائية على الأرض - الأنهار والبحيرات والبحار - من التجمد الكامل في الشتاء، وبالتالي تنقذ الأرواح.

على عكس المياه العذبة، تتصرف مياه البحر بشكل مختلف عندما يتم تبريدها. لا يتجمد عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، ولكن عند درجة حرارة -1.8-2.1 درجة مئوية - اعتمادًا على تركيز الأملاح المذابة فيه. الحد الأقصى للكثافة ليس عند +4 درجة مئوية، ولكن عند -3.5 درجة مئوية. وبذلك يتحول إلى جليد دون أن يصل إلى كثافته القصوى. إذا توقف الخلط الرأسي في المسطحات المائية العذبة عندما يتم تبريد كتلة الماء بأكملها إلى +4 درجة مئوية، فإن الدوران الرأسي في مياه البحر يحدث حتى عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية. تحدث عملية التبادل بين الطبقات العليا والسفلى بشكل مستمر، مما يخلق ظروفا مواتية لتطور الكائنات الحيوانية والنباتية.

تختلف جميع الخصائص الديناميكية الحرارية للمياه بشكل ملحوظ أو حاد عن المواد الأخرى.

وأهمها هو شذوذ الحرارة محددة. إن القدرة الحرارية العالية بشكل غير طبيعي للمياه تجعل البحار والمحيطات منظم درجة حرارة عملاق لكوكبنا، ونتيجة لذلك لا توجد تغيرات حادة في درجات الحرارة في الشتاء والصيف، ليلا ونهارا. تتمتع القارات الواقعة بالقرب من البحار والمحيطات بمناخ معتدل، حيث تكون التغيرات في درجات الحرارة في أوقات مختلفة من العام ضئيلة.

التيارات الجوية القوية التي تحتوي على كمية هائلة من الحرارة الممتصة أثناء عملية التبخر، تلعب تيارات المحيطات العملاقة دورًا استثنائيًا في خلق الطقس على كوكبنا.

الشذوذ في السعة الحرارية هو كما يلي:
عندما يتم تسخين أي مادة، فإن قدرتها الحرارية تزداد دائمًا. نعم، أي مادة، ولكن ليس الماء. الماء استثناء، وحتى هنا لا يفوت فرصة أن يكون أصليًا: مع زيادة درجة الحرارة، يكون التغير في السعة الحرارية للمياه أمرًا شاذًا؛ من 0 إلى 37 درجة مئوية تنخفض وفقط من 37 إلى 100 درجة مئوية تزداد السعة الحرارية طوال الوقت. في درجات حرارة قريبة من 37 درجة مئوية، تكون السعة الحرارية للمياه في حدها الأدنى. درجات الحرارة هذه هي نطاق درجة حرارة جسم الإنسان، مجال حياتنا. تشير فيزياء الماء في نطاق درجة حرارة 35-41 درجة مئوية (حدود العمليات الفسيولوجية الممكنة التي تحدث بشكل طبيعي في جسم الإنسان) إلى احتمال تحقيق حالة فريدة من الماء، عندما تكون كتل المياه البلورية والمياه السائبة متساوية لبعضها البعض وقدرة هيكل واحد على التحول إلى آخر هي الحد الأقصى. تحدد هذه الخاصية الرائعة للمياه الاحتمالية المتساوية للتفاعلات الكيميائية الحيوية القابلة للعكس وغير القابلة للعكس في جسم الإنسان وتوفر "التحكم السهل" فيها.

إن القدرة الاستثنائية للماء على إذابة أي مادة معروفة جيدًا. وهنا يظهر الماء حالات شاذة غير عادية بالنسبة للسائل، وقبل كل شيء شذوذات ثابت العزل الكهربائي للماء . ويرجع ذلك إلى أن ثابت العزل الكهربائي (أو ثابت العزل الكهربائي) مرتفع جدًا ويبلغ 81، بينما بالنسبة للسوائل الأخرى لا يتجاوز 10. ووفقًا لقانون كولومب، فإن قوة التفاعل بين جزيئين مشحونين في الماء سوف تكون أقل بـ 81 مرة مما هي عليه في الهواء، على سبيل المثال، حيث تساوي هذه الخاصية الوحدة. في هذه الحالة، تقل قوة الروابط داخل الجزيئات بمقدار 81 مرة، وتحت تأثير الحركة الحرارية، تنفصل الجزيئات لتشكل الأيونات. وتجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لقدرته الاستثنائية على إذابة المواد الأخرى، فإن الماء ليس نقيًا تمامًا أبدًا.

ينبغي ذكر شذوذ مائي مذهل آخر - ارتفاع التوتر السطحي بشكل استثنائي. من بين جميع السوائل المعروفة، الزئبق فقط هو الذي يتمتع بتوتر سطحي أعلى. تتجلى هذه الخاصية في حقيقة أن الماء يسعى دائمًا لتقليل سطحه. إن القوى الجزيئية غير المعوضة للطبقة الخارجية (السطحية) من الماء، الناتجة عن أسباب ميكانيكية الكم، تخلق طبقة مرنة خارجية. بفضل الفيلم، لا يتم غمر العديد من الأشياء، كونها أثقل من الماء، في الماء. على سبيل المثال، إذا تم وضع إبرة فولاذية بعناية على سطح الماء، فلن تغرق الإبرة. لكن الجاذبية النوعية للفولاذ أكبر بنحو ثمانية أضعاف من الجاذبية النوعية للماء. الجميع يعرف شكل قطرة الماء. يسمح التوتر السطحي العالي للماء بأن يكون له شكل كروي عند السقوط الحر.

التوتر السطحي والتبلل هما أساس الخصائص الخاصة للماء والمحاليل المائية، والتي تسمى بالخاصية الشعرية.تعتبر الشعيرات الدموية ذات أهمية كبيرة لحياة النباتات والحيوانات وتكوين هياكل المعادن الطبيعية وخصوبة الأرض. في القنوات، التي هي عدة مرات أضيق من شعرة الإنسان، يكتسب الماء خصائص مذهلة. يصبح أكثر لزوجة، ويثخن 1.5 مرة، ويتجمد عند درجة حرارة 80-70 درجة مئوية تحت الصفر.

سبب الشذوذ الفائق للمياه الشعرية هو التفاعلات بين الجزيئات التي لا تزال أسرارها بعيدة عن الكشف عنها.

يعرف العلماء والمتخصصون ما يسمى مياه المسام . وهو على شكل طبقة رقيقة يغطي سطح المسام والتجاويف الدقيقة لصخور ومعادن القشرة الأرضية وغيرها من الكائنات ذات الطبيعة الحية وغير الحية. ترتبط هذه المياه بقوى الجزيئات بسطح الأجسام الأخرى، مثل المياه الشعرية، ولها بنية خاصة.

ومن ثم، فإن الخصائص الشاذة والمحددة للمياه تلعب دورًا رئيسيًا في تفاعلها المتنوع مع الطبيعة الحية وغير الحية. كل هذه السمات غير العادية لخصائص الماء "ناجحة" جدًا لجميع الكائنات الحية لدرجة أنها تجعل الماء أساسًا لا غنى عنه لوجود الحياة على الأرض.

شذوذات المياه

من بين مجموعة واسعة من المواد، يحتل الماء مكانًا خاصًا جدًا. ويجب أن يؤخذ هذا حرفيا. تعتبر جميع الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمياه تقريبًا استثناءً في الطبيعة: فهي حقًا المادة الأكثر روعة في العالم. إنه أمر مدهش ليس فقط بسبب تنوع الأشكال النظائرية للجزيء وليس فقط بسبب الآمال المرتبطة به كمصدر للطاقة في المستقبل. إنه مدهش لخصائصه الأكثر عادية.

دعونا لا نشكك في القانون. الماء هو الاستثناء الأندر، وربما الفريد، لهذه القاعدة. ربما لا توجد مادة أكثر إثارة للدهشة والغموض من الماء العادي. لكن أسباب ذلك لم يتم شرحها بالكامل بعد، رغم أنه من الواضح أن أسرار الماء مخفية في بنية جزيئه وبنيته الجزيئية.

إن حقيقة أن الماء العادي لا يزال مادة غير مفهومة بشكل جيد لا يتم تفسيرها فقط من خلال التعقيد وعدم اليقين في بنيتها، ولكن أيضًا من خلال كونها مادة سائلة. إن دراسة المواد الصلبة أو الغازية أسهل بكثير من دراسة المواد السائلة، لأنه في الحالة الأولى تكون الجزيئات مرتبة بشكل واضح، وفي الحالة الثانية تتفاعل بشكل ضعيف وتتمتع بحرية كبيرة في الحركة. لا يوجد حتى الآن إجابة على السؤال: لماذا يوجد شكلان لحالة المادة المتكثفة من الغاز - السائل والصلب - متشابهان في الكثافة وطاقة التفاعل بين الجزيئات ويختلفان بشكل كبير في حركية التفاعل بين الجزيئات. لم يتم إنشاء أي نظريات من شأنها أن تصف الحالة السائلة بشكل مناسب. كما أن نظرية الذوبان - الانتقال من النظام إلى الفوضى في الأنظمة ذات الكثافة وطاقات التفاعل بين الجزيئات المماثلة - لم يتم تطويرها أيضًا. لذلك، على سبيل المثال، تمت دراسة الجليد بشكل أفضل من الماء. لم يتم الحصول عليها في المختبرات و المياه النقية تمامالكن خصائصه لا تزال غامضة.

ويعتبر الماء في كثير من الخواص مادة خاصة فريدة لا تدخل في حدود القوانين العامة المعروفة للمركبات الأخرى. دعونا نعطي عددا من الأمثلة.

نقاط الغليان والانصهارالماء عند الضغط الجوي – 100 و 0 درجة مئوية. البيانات في الشكل. 1.6 بالنسبة لمركبات هيدريد نظائرها الأكسجين في المجموعة السادسة من الجدول الدوري تشير إلى زيادة حادة في هذه المعلمات بالقرب من الماء.

أرز. 1.6. نقاط الغليان والتجمد لمركبات الهيدروجين من مجموعة الأكسجين

قيم عالية جدًا الحرارة الكامنة لانصهار وتبخر الماء: 333 · 103 و 2259 · 103 جول/كجم. أعلى من جميع السوائل السعة الحرارية النوعية للماء وثابت العزل الكهربائي(81 د) أي أن قوة التفاعل بين الشحنات المتباينة في الماء تقل بمقدار 81 مرة مقارنة بالفراغ. وهذا يحدد تفكك الشوارد إلى أيونات في المحاليل المائية للأحماض والأملاح والقلويات. وهذا ما يفسر أيضًا انتقال المواد الذائبة إلى الرواسب أثناء تبخر الماء. بالنسبة للعديد من المذيبات الأخرى، يكون ثابت العزل الكهربائي أقل بكثير (10 - 50)، وبالنسبة للسوائل اللاقطبية غير القطبية (البنزين والزيوت) التي لا تذيب الشوارد الكهربائية، فهو لا يزيد عن 3.

جميع المركبات لها أقصى كثافة عند نقطة الانصهار. يتصرف الماء بشكل خاص هنا أيضًا: إنه أعلى كثافةيتوافق مع 4 درجات مئوية. مع مزيد من التبريد والتدفئة، فإنه يتناقص، أي. على المنحنى ρ = F(ر°) يتم ملاحظة الحد الأقصى عند هذه الدرجة. تبلغ كثافة الجليد 0.918 جم/سم3 ولا يغوص في ذوبانه، أي في الماء السائل.

هناك مظاهر فيزيائية أخرى للشذوذات في خواص الماء - التوصيل الكهربائي، التوتر السطحي، التوصيل الحراري، إلخ.

أحد الأسباب الرئيسية للخصائص الشاذة للمياه هو وجود روابط هيدروجينية بين أيونات H+ وO2- لجزيئات الماء المختلفة. تؤدي هذه الوصلات إلى ظهور روابط في الماء على شكل سلاسل وحلقات، كما هو موضح بشكل تخطيطي في الشكل. 1.7. الحلقات السداسية الجزيئية ذات التعبئة الأقل كثافة تكون قريبة من بنية الجليد، والحلقات المكونة من جزيئين وأربعة جزيئات، ذات الحشوة الأكثر كثافة، قريبة من بنية الماء. العناصر الفردية لهذا الهيكل في حالة توازن متحرك ويتناقص عددها مع التسخين (الشكل 1.8).

أرز. 1.7. أنواع جزيئات الجزيئات في الماء السائل (حسب X. S. Frenk و V. Wien)

أرز. 1.8. نسبة الجزيئات المهيكلة حسب درجة حرارة الماء

يرجع محتوى الطاقة العالي في الماء أيضًا إلى وجود روابط هيدروجينية، ونتيجة لذلك، يكون مرتفعًا بشكل غير طبيعي ركيب.، رإن الحرارة الكامنة للانصهار والتبخر، وكذلك السعة الحرارية النوعية للماء هي الأعلى بين جميع السوائل، في حين أنها نصفها بالنسبة للجليد والبخار.

بما أن التركيب في الماء السائل يحدث على أساس قوى التفاعل الكهروستاتيكية، فإن حالة الماء وخصائصه تتغير في المجالات الفيزيائية المختلفة - درجة الحرارة والكهرباء والمغناطيسية والضغط. وهذا هو الأساس لتنشيط الماء (حتى 400 درجة مئوية و100 ميجاباسكال)، ومكافحة الحجم في الغلايات البخارية والأنابيب في هندسة الطاقة الحرارية والنقل والحفر. تستخدم مغنطة الماء على نطاق واسع لتسريع عملية التصلب وزيادة قوة ومتانة الأسمنت والخرسانة والجبس التقني والطوب.